как измерить магнитное поле магнита
Собираем переносной магнитометр
Перевод статьи с сайта обучающих материалов Instructables
Магнитометр, который иногда ещё называют гауссометром, измеряет силу магнитного поля [в данном случае магнитную индукцию / прим. перев.]. Это прибор, необходимый при измерении силы постоянных магнитов и электромагнитов, а также для установления формы поля нетривиальных комбинаций из магнитов. Он достаточно чувствительный для того, чтобы определить намагниченность металлических предметов. В случае, если зонд будет работать достаточно быстро, он сможет определять изменяющиеся во времени поля от моторов и трансформаторов.
Шаг 1: датчик Холла
Эффект Холла часто применяется для измерения магнитных полей. Когда электроны проходят через проводник, помещённый в магнитное поле, их относит в сторону, в результате чего в проводнике появляется поперечная разность потенциалов. Правильно выбрав материал и геометрию полупроводника, можно получить измеряемый сигнал, который затем можно будет усилить и выдать измерение одной компоненты магнитного поля.
Я использую SS49E, поскольку он дешёвый и доступный. Что стоит отметить из его документации:
Шаг 2: Требуемые материалы
Шаг 3: Первая версия – с использованием доски для прототипирования
Сначала всегда собирайте прототип, чтобы проверить работу всех компонентов и софта! Подключение видно на картинке: датчик Холла соединяется с контактами Arduino +5V, GND, A1 (слева направо). Дисплей соединяется с GND, +5V, A5, A4 (слева направо). Кнопка при нажатии должна замыкать землю и A0.
Код написан в Arduino IDE v. 1.8.10. Требуется установка библиотек Adafruit_SSD1306 и Adafruit_GFX.
Если всё сделано правильно, то дисплей должен выдавать значения DC и AC.
Шаг 4: Немного о коде
Если вам неинтересен код, эту часть можно пропустить.
Ключевая особенность кода состоит в том, что магнитное поле измеряется 2000 раз подряд. На это уходит 0,2 – 0,3 сек. Отслеживая сумму и квадрат суммы измерений, можно вычислять среднее и стандартное отклонения, которые выдаются как DC и AC. Усредняя по большому количеству измерений мы увеличиваем точность, теоретически на √2000 ≈ 45. Получается, что используя 10-битное АЦП, мы получаем точность 15-битного АЦП! И это имеет значение: 1 шаг АЦП – 4 мВ, то есть,
0,3 мТл. Благодаря усреднению, мы уменьшаем ошибку от 0,3 мТл до 0,01 мТл.
В качестве бонуса мы получаем стандартное отклонение, определяя таким образом изменяющееся поле. Поле, колеблющееся с частотой 50 Гц проходит порядка 10 циклов за время измерения, поэтому можно измерить величину AC.
У меня после компиляции получилась следующая статистика: Sketch uses 16852 bytes (54%) of program storage space. Maximum is 30720 bytes. Global variables use 352 bytes (17%) of dynamic memory, leaving 1696 bytes for local variables. Maximum is 2048 bytes.
Большую часть места занимают библиотеки Adafruit, однако ещё полно места для добавления функциональности.
Шаг 5: Готовим зонд
Зонд лучше всего закреплять на конце узкой трубки: так его просто будет помещать и удерживать в узких местах. Подойдёт любая трубка из немагнитного материала. Мне идеально подошла старая шариковая ручка.
Подготовьте три тонких гибких провода чуть длиннее трубки. В моём кабеле логики в цветах проводов нет (оранжевый +5 В, красный 0 В, серый – сигнал), просто так мне их проще запомнить.
Чтобы использовать зонд с прототипом, припаяйте кусочки проводов на конец кабеля и заизолируйте их термоусадкой. Позже их можно отрезать и припаять провода прямо к Arduino.
Шаг 6: Собираем переносной прибор
Батарейка на 9В, OLED-экран и Arduino Nano с комфортом умещаются внутри большой коробки Tic-Tac. Её преимущество в прозрачности – экран легко читается, даже находясь внутри. Все фиксированные компоненты (зонд, выключатель и кнопка) ставятся на крышку, чтобы всё можно было вынимать из коробки для замены батареи или обновления кода.
Я никогда не любил батарейки на 9В – у них высокая цена и малая ёмкость. Но в моём супермаркете внезапно стали продавать их перезаряжаемую версию NiMH по €1, и я обнаружил, что их легко зарядить, если подать 11 В через резистор на 100 Ом и оставить на ночь. Я заказал себе дешёвые разъёмы для батареек, но мне их так и не прислали, поэтому я разобрал старую батарейку на 9 В, чтобы сделать из неё коннектор. Плюс батарейки на 9В в её компактности, и в том, что на ней хорошо работает Arduino при подключении её к Vin. На +5 В будет регулируемое напряжение в 5 В, которое понадобится для OLED и датчика Холла.
Датчик Холла, экран и кнопка подсоединяются так же, как было на прототипе. Добавляется только кнопка выключения, между батарейкой и Arduino.
Шаг 7: Калибровка
Калибровочная константа в коде соответствует числу, прописанному в документации (1,4 мВ/Гс), однако в документации разрешён диапазон этого значения (1.0-1.75 мВ/Гс). Чтобы получать точные результаты, нужно откалибровать зонд.
Чтобы собрать подходящий соленоид, возьмите полую цилиндрическую трубу, длина которой в 10 раз больше диаметра, и сделайте намотку из изолированного провода. Я использовал ПВХ-трубку с внешним диаметром 23 мм и сделал 566 витков, протянувшихся на 20,2 см, что даёт нам n = 28/см = 2800 / м. Длина провода 42 м, сопротивление – 10 Ом.
Подайте питание на катушку и измерьте ток мультиметром. Используйте либо регулируемый источник тока, либо переменный резистор, чтобы управлять током. Измерьте магнитное поле для разных значений тока и сравните показания.
Перед калибровкой я получил 6,04 мТл/A, хотя по теории должно было быть 3,50 мТл/A. Поэтому я умножил константу калибровки в 18-й строчке кода на 0,58. Готово – магнитометр откалиброван!
Как измерить магнитное поле
Автор канала «Atom Duba» показал опыт с железными опилками, чтобы попытаться увидеть и измерить магнитное поле.
Вокруг любого магнита есть невидимое поле, которое обычно рисуют линиями, ведущими из одного полюса в другой. Как это увидеть?
Самый простой способ — взять железных опилок. Насыпаем их на стол. Берём магнит. Подносим под столом полюсом вверх. Что видим? Появились ежики из опилок. Двигаем под столом — ежики движутся вместе. На самом деле видим линии магнитного поля, выходящие из одного из полюсов.
Чтобы разглядеть с другого ракурса поле, магнит развернем набок. Попробуем магнитик поменьше и повторим эксперимент. Теперь наблюдаем магнитное поле с другого ракурса. Стрелка компаса поворачивается в ту же сторону, куда показывают железные опилки. Поэтому такими направленными линиями обозначают вектор магнитного поля. В каждой точке пространства направление свое.
Другой вариант этого эксперимента, где возьмем магнит и облепим опилками. В таком варианте эксперимента увидим поле в трехмерном пространстве. До этого видели его проекцию на плоскость, то есть 2D вариант, а сейчас в пространстве из одного полюса выходят линии по кругу в другой.
Кроме этого, магнитное поле бывает разной величины — посильнее или послабее. Сегодня измерить его величину может смартфон. Включаем программу, которая показывает информацию с датчиков.
Внутри смартфона датчики Холла измеряют магнитное поле вдоль трех координат X,Y, и Z. Можно поднести магнит и посмотреть, как растут показания. Отводим обратно — они уменьшаются. Или повертеть магнитом, стрелочка тоже будет крутиться. Интересно, а почему опилки выстроились вдоль линий?
Чтобы прояснить этот вопрос, возьмем магнит. Это его северный полюс, а это южный полюс. Если поднести к нему монетку, то она прилипнет. Почему? Монетка намагнитилась и прилипла к северному полюсу своим южным. Возьмем вторую монетку. Она прилипает к первой. Можно так дальше продолжать. Они к друг другу липнут. Как такое получается? Дело в том, что кроме того, что монетки взаимодействуют с самим магнитом, они еще и сами на магнитились и взаимодействуют друг с другом. Тоже самое происходит с опилками. Они просто липнут к полюсам друг друга.
Магнитное поле
Магнитное поле играет очень большую роль в электротехнике и электронике. Без магнитного поля не функционировали бы герконы, электромагнитные реле, соленоиды, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, двигатели, динамики, генераторы электрической энергии да и вообще много чего.
Природа магнетизма
Согласно одной из легенд, когда-то давным-давно жил в Греции пастух по имени Магнес. И вот шел он как-то со своим стадом овец, присел на камень и обнаружил, что конец его посоха, сделанный из железа, стал притягиваться к этому камню. С тех пор стали называть этот камень магнетит в честь Магнеса. Этот камень представляет из себя оксид железа.
Если такой камень положить на деревянную доску на воду или подвесить на нитке, то он всегда выстраивался в определенном положении. Один его конец всегда показывал на СЕВЕР, а другой — на ЮГ.
Этим свойством камня пользовались древние цивилизации. Поэтому, это был своего рода первый компас. Потом уже стали обтачивать такой камень и делать из разные фигурки. Например, так выглядел китайский древний компас, ложка которого была сделана из того самого магнетита. Ручка у этой ложки всегда показывала на ЮГ.
Ну а далее дело шло за практичностью и маленькими габаритами. Из магнетита вытачивали маленькие стрелки, которые подвешивали на тонкую иглу посередине. Так стали появляться первые малогабаритные компасы.
Древние цивилизации, конечно, не знали еще что такое север и юг. Поэтому, одну сторону магнетита они назвали северным полюсом (North), а противоположный конец — южным (South). Названия на английском очень легко запомнить, если кто смотрел американский мультфильм «Южный парк», он же Сауз (South) парк).
Магнитные линии и магнитный поток
Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.
Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.
Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.
Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов
Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание
Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.
Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.
Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?
Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».
В физике формула магнитного потока записывается как
Ф — магнитный поток, Вебер
В — плотность магнитного потока, Тесла
а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах
S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м 2
Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м 2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.
Напряженность магнитного поля
Формула напряженности
Слышали ли вы когда-нибудь такое выражение: «напряженность между ними все росла и росла». То есть по сути напряженность — это что-то невидимое, какая-то сдерживающая сила, энергия. Здесь почти все то же самое. Напряженностью магнитного поля также часто называют силой магнитного поля. Напряженность магнитного поля напрямую зависит от плотности магнитного потока и выражается формулой
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
B — плотность магнитного потока, Тесла
Эта формула работает только тогда, когда между витками катушки находится воздух, либо вакуум. Более крутая формула выглядит вот так.
μ — это относительная магнитная проницаемость.
У разных веществ она разная
Напряженность магнитного поля проводника с током
Итак, имеем какой-либо проводник, по которому течет электрический ток.
Для того, чтобы вычислить напряженность магнитного поля на каком-то расстоянии от проводника при условии, что проводник находится в воздушном пространстве либо в вакууме, достаточно воспользоваться формулой
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
I — сила тока, текущая через проводник, Ампер
r — расстояние до точки, в которой измеряется напряженность, метр
Магнитное поле проводника с током
Оказывается, если через какой-либо проводник пропустить электрический ток, то вокруг проводника образуется магнитное поле.
Здесь можно вспомнить знаменитое правило буравчика, но для наглядности я лучше буду использовать правило самореза, так как почти все хоть раз в жизни ввинчивали либо болт, либо саморез.
Ввинчиваем по часовой стрелке — саморез идет вниз. В нашем случае он показывает направление электрического тока. Движение наших рук показывает направление линий магнитного поля. Все то же самое, когда мы начинаем откручивать саморез. Он начинает вылазить вверх, то есть в нашем случае показывает направление электрического тока, а наша рука в этом время рисует в воздухе направление линий магнитного поля.
Также часто в учебниках физики можно увидеть, что направление электрического тока от нас рисуют кружочком с крестиком, а к нам — кружочком с точкой. В этом случае опять представляем себе саморез и уже в голове увидим направление магнитного поля.
Как думаете, что будет если мы сделаем вот такую петельку из провода? Что изменится в этом случае?
Давайте же рассмотрим этот случай более подробно. Так в этой плоскости оба проводника создают магнитное поле, то по идее они должны отталкиваться друг от друга. Но если они хорошо закреплены, то начинается самое интересное. Давайте рассмотрим вид сверху, как это выглядит.
Как вы можете заметить, в области, где суммируются магнитные силовые линии плотность магнитного потока прям зашкаливает.
Соленоид
А что если сделать много-много таких петелек? Взять какую-нибудь круглую бобину, намотать на нее провод и потом убрать бобину. У нас должно получится что-то типа этого.
Если подать постоянное напряжение на такую катушку, магнитные силовые линии будут выглядеть вот так.
Вы только посмотрите, какая бешеная плотность магнитного потока внутри такой катушки! Получается, что от каждой петельки магнитное поле суммируется, что в итоге дает такую плотность магнитного потока. Такую катушку также называют катушкой индуктивности или соленоидом.
Вот также схема, показывающая как магнитные силовые линии складываются в соленоиде.
Плотность магнитного потока зависит от того, какая сила тока проходит через соленоид. Чтобы увеличить плотность магнитного потока, достаточно поверх витков намотать еще больше витков и вставить сердечник из специального материала — феррита.
Если в электрических цепях есть такое понятие, как ЭДС — электродвижущая сила, то и в магнитных цепях есть свой аналог — МДС — магнитодвижущая сила. Магнитодвижущая сила выражается в виде тока, протекающего через катушку из N витков и выражается в Амперах-витках.
I — это сила тока в катушке, Амперы
N — количество витков катушки, штуки)
Также советую посмотреть очень простое и интересное видео про магнитное поле.
Похожие статьи по теме «магнитное поле»
Измеритель магнитного поля: схема для проверки силы магнита
Это небольшое устройство представляет собой измеритель Гаусса (единица измерения магнитной индукции) или силы магнита. По сути, он чувствует магнитные поля. Используя датчик Холла, измеритель может измерять полярность магнита. Для этого нужно всего несколько деталей, поэтому схема столь проста, что можно собрать и без печатной платы.
Измеритель Гаусса удобен когда хотите узнать, какой полюс магнита является северным или южным и когда требуется проверить магниты на силу, особенно если они могли быть повреждены нагревом.
Основой счетчика является датчик Холла UGN3503U или аналогичный. UGN3503U — это линейный датчик, его выходной уровень изменяется с изменением магнитной индукции.
Схема измерителя силы магнита
Схема использует батарейку 9 В для питания и кнопочный переключатель, чтобы включить его (без фиксации, чтоб не забыть выключить прибор). Стабилизатор LM7805 обеспечивает 5 В для датчика. Элементы C1, C2 и R1 помогают стабилизировать регулятор. Значения C1 и C2 не являются критическими, используйте например 22 мкФ для C1 и 0,47 мкФ для C2. Напряжение С1 и С2 должно быть 15 В или выше.
Схема измерителя магнита на датчике Холла
Эти стабильные 5 вольт поступают на контакты 1 и 2 датчика Холла, а его выход (контакт 3), является контрольным для обнаруженного уровня силы магнита. При отсутствии магнита датчик Холла будет подавать 2,5 В (половина питания) на выход. Если поместим магнитный полюс N на заднюю часть датчика Холла (задняя сторона является стороной без надписи), напряжение поднимется выше 2,5 В. Если повернуть магнит так, чтобы S-полюс находился сзади датчика Холла, выходное напряжение упадет ниже 2,5 В.
То, насколько повышается или падает напряжение, зависит от измеренной магнитной индукции. В спецификации UGN3503 указано 1,3 мВ на Гаусс, так что, например, если получим показание 3 вольт, то у нас на 500 мВ выше нашей нулевой точки (2,5 В) и по формуле 500 мВ / 1,3 = 385 Гаусс.
Конечно профессиональный цифровой измеритель будет работать намного лучше и давать более точные показания, но как правило достаточно использовать то, что есть. Резистор R1 был выбран методом проб и ошибок, а VR1 используется для установки измерителя на среднее деление, когда магнит отсутствует.
Всё собирается в коробке. Поскольку компонентов всего пару штук, можете не использовать печатную плату. Батарея 9 В хранится в своем маленьком отсеке, поэтому она не может столкнуться с другими компонентами и замкнуть их.
Датчик и плата вмонтированы в старый маркер. Задняя поверхность сенсора находится на одном уровне с отверстием в торце. Кабельная стяжка удерживает его на месте.
Чтобы выполнить калибровку, нажмите кнопку включения питания и отрегулируйте VR1, чтобы индикатор считал нулевую точку. Убедитесь что рядом с датчиком холла нет магнитов. Советуем пометить на шкале S и N, чтобы сразу знать к какому полюсу магнита обращен датчик.
Тестирование с небольшим магнитом N полюс и S полюс смотрите на фотографиях:
Если же надо точно измерить силу Гаусса, подключите цифровой мультиметр чтобы получить точные показания напряжения. Допустим показывает 4,24 вольт. Таким образом это полюс N, и его значение 1,74 В или 1740 мВ выше нашей нулевой точки. 1740 / 1,3 Гаусс = 1338, что примерно соответствует неодимовому магниту.