XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

МАГНИТОМЕТР - ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И НЕ ТОЛЬКО (ГАУССМЕТР)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Блиновских Т.А. 1

---

1МАОУ "Лицей № 97, г Челябинск"

Горбунов П.В. 1

---

1МАОУ "Лицей № 97, г Челябинск"

Работа в формате PDF

2.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мы живем в век развития передовых технологий. У каждого в доме есть магниты и не только на дверце холодильника, но и в электроприборах, технике, смартфонах... А еще все мы знаем о магнитом поле земли, магнитосодержащих ископаемых и материалах , много слышим о вреде и пользе электромагнитного излучения. А можно ли измерить магнитное поле? Да, такой прибор существует! Магнитометр как раз и предназначен для измерения параметров магнитного поля и магнитных свойств веществ.

Актуальность проекта: Стремительное увеличение количества электронных и радиоэлектронных приборов в окружении человека обуславливают проблему возрастания уровней электромагнитных полей создаваемых данными средствами. Эти поля являются помехами для работы других устройств, оказывают влияние на здоровье человека. Создают побочные электромагнитные излучения, что может привести даже к утечке информации. В настоящее время на рынке представлен широкий спектр измерителей величин электрических и магнитных полей. Однако их приобретение из-за стоимости доступно не каждому ( от 25 000 и выше). Возможность создания доступного прибора может решить эту проблему.

Поэтому, проанализировав материал по сбору магнитометров в интернет-ресурсах, я решил собрать для начала свой не дорогой простейший прибор ( гауссметр). Он позволит узнать: какова на самом деле реальная сила имеющегося у вас магнита, как магнитное поле изменяется с увеличением расстояния от магнита, как влияет температура на силу магнита, как работает магнитный экран, помещенный между магнитом и точкой измерения. Определять полярность магнитного поля магнита, где северный полюс, а где южный.

Объект исследования: Магнитные и электромагнитные поля.

Предмет: магнитометр как прибор для измерения магнитного поля.

Цель: Измерение магнитной индукции с помощью самодельного гауссметра.

Задачи:

Изучить историю создания магнитометров.

Ознакомиться с видами и принципами работы магнитометра.

Узнать об областях применения магнитометров.

Собрать гауссметр в домашних условиях и провести испытания.

Сделать вывод о возможной доступности магнитометра для использования в быту.

Методы исследования:

изучение научной литературы и цифровых носителей по данной теме;

наблюдение и исследование; практическая работа;

анализ полученных результатов;

История создания магнитометров

Магнитные явления человечеству были известны уже 4000 лет до нашей эры. В конце второго тысячелетия до нашей эры. китайские мореплаватели уже пользовались компасом в морских путешествиях. Магнетит был хорошо известен древним грекам. Впервые в Европе компас был упомянут в 1187 году. Христофор Колумб определил, что магнитное склонение зависит от географических координат. Это послужило началом к исследованию магнитного поля Земли. (рис.1)

Первую материалистическую теорию магнетизма создал Рене Декарт.(рис.2) Шарль Кулон развил эту теорию, в 1788 году перенес открытый им закон для взаимодействия электрических зарядов на взаимодействие точечных магнитных зарядов.(рис.3) Важнейшим событием явилось открытие Гансом Христианом Эрстедом в 1820 году связи между электрическими и магнитными явлениями. (Действие тока в проводнике на магнитную стрелку компаса). Его эксперимент послужил катализатором для последующих многочисленных опытов и открытий.

Андре Мари Ампер исследовал и установил закон о действии силы на проводник с током в магнитном поле, Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции.(рис.5) В 1834 году русским академиком Эрнестом Христофоровичем Ленцем закон электромагнитной индукции был дополнен правилом о направлении индукционного тока и магнитного поля, создаваемого им. Наконец, итогом развития науки об электричестве и магнетизме явилась теоретическая работа Джеймса Клерка Максвелла, опубликованная в 1873 году "Трактат об электричестве и магнетизме", которую экспериментально подтвердил Генрих Герц в 1888 году, показав существование электромагнитных волн.(рис.6)

В настоящее время теория электромагнетизма Максвелла является классической электродинамикой (в отличие от современной квантовой электродинамики Поля Дирака и Ричарда Фейнмана), которая описывает все электромагнитные явления в природе. Это позволило совершить прорыв в понимании электромагнитных явлений, электромагнитных полей и волн самой разной природы – радиоволн, световых, рентгеновских и создать принципиально новые образцы техники, например, радио, радиолокацию и т.д.

Хендрик Антон Лоренц разработал электродинамику движущихся зарядов за двадцать лет до открытия электрона предсказав. На основе теоретических работ Лоренца Альберт Эйнштейн создал теорию относительности, которая была опубликована в 1905 году под названием “Об электродинамике движущихся тел”.[1]

В России для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения. В настоящее время весь Земной шар покрыт сетью пунктов, где производят магнитные измерения (например, международная сеть магнитометрических станций INTERMAGNET).

Самый первый и простейший магнитометр был изобретен в 1833 году Карлом Гауссом. Феррозондовые магнитометры были изобретены в начале тридцатых годов одновременно в России и Германии.(рис.7)

В 1936 г. впервые в мире советский географ А. А. Логачёв (совместно с А. Т. Майбородой) сконструировал аэромагнитометр - прибор, позволяющий измерять магнитное поле Земли с самолёта. В 1963 году Джеймс Эдвард Циммерман создал сверхпроводящий квантовый интерференционный магнитометр - СКВИД. Развитие и совершенствование приборов продолжается и по сей день.[2]

Виды магнитометров и принципы их действия

Итак, МАГНИТО́МЕТР, прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств объектов и материалов. В магнитометре используется опорное магнитное поле, которое позволяет посредством тех или иных физических эффектов преобразовать измеряемое магнитное поле в электрический сигнал. Порой их называют гауссметрами или тесламетрами, так как магнитное поле измеряется в единицах гауссах или тесла. Некоторые из них имеют специальные названия в зависимости от измеряемой величины: эрстедметры измеряют напряжённость магнитного поля, градиентометры и вариометры – изменения напряжённости в пространстве и времени, инклинаторы и деклинаторы – направление вектора напряжённости, тесламетры (гаусcметры) – величину магнитной индукции. Магнитометры измеряют характеристики объектов и материалов, например, магнитную проницаемость, восприимчивость, поток магнитной индукции, магнитный момент, кривые намагничивания.

Виды приборов по принципу действия:

Магнитометры можно разделить на магнитостатические (механические), индукционные, квантовые и др. Каждая разновидность реагирует на стороннее магнитное поле, используя определенный физический принцип.

Магнитостатические магнитометры.

Принцип их действия основан на механическом воздействии магнитного поля на магнит. Внутри магнитометра находиться небольшой постоянный магнит, реагирующий на магнитное поле, с которым контактирует. Магнит находиться в подвешенном состоянии на упругой подвеске, позволяющей ему прокручиваться без сопротивления. Когда постоянный магнит реагирует с чужеродным полем направление которого или сила не совпадают с его собственным, происходит реакция притяжение или отторжения. В результате подвешенный магнит начинает поворачиваться, что фиксирует чувствительный датчик. Таким образом происходит измерение силы и направленности стороннего магнитного поля. К таким приборам относятся компас магнитный и буссоль, вариометры, магнитные весы.(рис.8, 9 ,10)

Индукционные магнитометры.

Работа этих приборов основана на явлении электромагнитной индукции; они регистрируют из­менение потока магнитной индукции в измерительной катушке, вызванное различными причинами. Отображает показатели внешних магнитных полей и позволяет определить местонахождение объектов, их размер и отдаленность. Используются для детектирования ядерных взрывов, связи с подводными лодками, зондирования земной коры, изучения взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли и волновых процессов в космической плазме. Рок-генератор применяется при исследованиях магнитных свойств горных пород. Феррозондовые магнитометры применяют для измерения магнитного поля Земли и его вариаций, при аэромагнитных съёмках и разведке полезных ископаемых, в космических исследованиях, хирургии, в системах контроля качества продукции, в электронных компасах.(рис.11, 12)

Квантовые магнитометры

Этот прибор реагирует на магнитный момент электронов, которые двигаются под действием внешних магнитных полей. Фиксирует магнитный момент микрочастиц и напряженность измеряемого поля. В их работе используются квантовые явления: свободная упорядоченная прецессия ядерных или электронных магнитных моментов во внешнем магнитном поле, квантовые переходы между магнитными подуровнями атомов, а также квантование магнитного потока в сверхпроводящем контуре. Такие приборы применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей, в том числе геомагнитного поля в космическом пространстве, а также в геологоразведке.(рис.13)

СКВИД – магнитометры – квантовые магнитометры, обладающие рекордными параметрами по сравнению со всеми известными типами магнитометров. Создание СКВИДа позволило изучать магнитные поля мозга, сердца и других органов и даже отдельных нейронов, наблюдать и фиксировать сверхтонкие взаимодействия и превращения в веществе, значительно повысить чувствительность ЯМР и ЭПР спектроскопии, наблюдать кинетику химических процессов, в военной технике обеспечивать обнаружение объектов, например, подводных лодок на значительных расстояниях. Применение СКВИДов позволило измерить чрезвычайно низкий уровень реликтового излучения Вселенной.(рис.14)

Гальваномагнитные магнитометры

Принцип действия этих приборов основан на искривлении траекторий заряженных частиц в магнитном поле. К этой группе относятся приборы использующие эффект Холла. На эффекте Холла основаны также: тесламетры, применяемые для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей; флюксметры, используемые для отбраковки постоянных магнитов; коэрцитиметры, применяемые при контроле качества. На основе датчиков Холла создаются градиентометры для исследования магнитных свойств материалов. Чувствительность на эффекте Холла обычно находится в диапазоне 10–100А/м. Эффект Гаусса применяется в магниторезистивных датчиках, используемых в электронных компасах и др. Чувствительность таких тесла метров составляет 0,5–10А/м.(рис.15)

Существуют также приборы, принцип действия которых основан на вращении плоскости поляризации света в магнитном поле или поле намагниченного образца, изменении длины намагниченного стержня под действием приложенного поля и др. Такие магнитометры применяются в различных областях техники.[3]

Итак, Магнитометры нашли широкое применение, как в области космических исследований, так и в быту, например в качестве металлоискателей. В моем мобильном телефоне тоже есть очень маленький магнитометр, который позволяет телефону выполнять функцию компаса. Еще эти приборы рекомендованы для контроля напряженности электромагнитного поля на рабочих местах и в быту. Они регистрируют интенсивность электромагнитного поля от холодильников электрооборудования, линий электропередач, микроволновых печей, кондиционеров, компьютерных мониторов видео, аудио устройств и т.д.(рис.16)

Как работают магнитометры

Что бы собрать свой прибор, я решил разобраться как работает магнитометр.

Магнитометры, как правило, косвенным методом, измеряют так называемый магнитный момент. Магнитный момент замкнутого контура с площадью A и током I представляет собой вектор, величина которого равна I, умноженному на A. Крутящий момент, испытываемый этим контуром, равен магнитному моменту (m), умноженному на магнитное поле (B). Математически магнитный момент выражается следующим образом:

Как векторная величина, направление магнитного поля так же важно, как и его амплитуда. Некоторые магнитометры могут измерять в гауссах как направление, так и величину магнитного поля (векторные магнитометры), в то время как другие могут измерять только его амплитуду (скалярные магнитометры).

Свойства магнитных материалов меняются, когда они погружаются в магнитное поле. В зависимости от того, как эти материалы реагируют на поле до и после его применения, они попадают в группы парамагнитных, диамагнитных или ферромагнитных материалов. Помимо этого, существуют немагнитные материалы, которые обладают слабыми магнитными свойствами. Лучшим инструментом для представления магнитных свойств является кривая гистерезиса.(рис.17) Она представляет собой зависимость плотности магнитного потока B от силы напряженности магнитного поля H.

Наиболее важным аспектом магнитных материалов является то, что даже когда мы снимаем приложенную силу, они остаются намагниченными (то есть проявляют удерживающую способность). Затем, чтобы вернуть материал в исходную точку, необходимо приложить отрицательное магнитное поле (H) для его размагничивания . Благодаря особенностям магнитных материалов и множеству их применений, возможность измерения их свойств с хорошим разрешением произвела революцию в области физики и материаловедения.[4]

Практическая работа

Принцип работы простейшего гауссметра с датчиком Холла. Эффект Холла является распространенным способом измерения магнитных полей. Когда электроны протекают через проводник в магнитном поле, они отклоняются вбок и, таким образом, создают разность потенциалов на сторонах проводника. При правильном выборе материала и геометрии полупроводника получается измеримый сигнал, который можно усилить и обеспечить измерение одного компонента магнитного поля.

Первый вариант прибора

Материалы: 9В батарея, держатель с контактами для батареи, перемычки, микросхема 7805 – регулятор напряжения; SS49E линейный датчик Холла (измеряет компоненту магнитного поля, перпендикулярную его лицевой стороне. Он выдаёт положительное значение для полей, идущих от задней части к передней – к примеру, когда он стоит лицом к южному полюсу магнита.), монтажная плата, цифровой вольтметр.(рис.18) Простейшую схему нашел в интернете,[6] но так как некоторые детали заменил, пришлось схему редактировать.(рис.19)

Принцип работы схемы гауссметра с использованием датчика SS49Е: регулятор напряжения 7805 преобразует в напряжение 5В. Через токовые входы датчика Холла протекает ток I = 2,2 мА. К выходам датчика присоединяется цифровой вольтметр на диапазоне 20 В для измерения выходного напряжения.(рис.20)

Измерим неодимовый магнит от жесткого диска. Выходное напряжение без магнита U0= 2,6В Поднесем магнит к датчику и измерим напряжение с магнитом, назовем это напряжение U1 (если вольтметр не покажет напряжение, перевернем магнит другим концом, т. е. другим полюсом). U1=4,35B Тогда величина магнитной индукции в Тесла (при величине напряжения в вольтах):

U1-U0=4.35B-2.6B=1.75B это разница между первоначальным и последующим значениями напряжения.

Чувствительность моего датчика составляет 1.4 мВ/ Гаусс = 1.4*0.001/0.0001=14 В/Тл.

Тогда величина магнитной индукции в тесла (Тл) ,при величине напряжения в вольтах:

B = (U - U0) / (K * I / 3), где К это чувствительность датчика Холла, I сила тока

В = (4.35 - 2.6) / (14 * 2,2 / 3) = 1.75 / 14 / 2.2 * 3 = 0.17 Тл

Или В=1700 Гаусс

Полученное значение будет соответствовать индукции (силе) магнитного поля в гауссах:

В данном случае погрешность измерения очень велика, так как все расчеты округлены, датчик не калиброван, ток не номинален и так далее. Такой гауссметр может определить: какой магнит сильнее, а какой слабее, где северный полюс, а где южный, и количественно оценить силу магнита. Общая стоимость этого прибора с использованием подручного материала и купленного около 400 рублей (не считая Вольтметра).

Интересно, что для каждого из двух полюсов магнита сила магнитного поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния от полюса. Таким образом, если расстояние возросло вдвое, индукция магнитного поля уменьшится в 4 раза. Однако при удалении от середины магнита сила поля уменьшается пропорционально третьей степени расстояния. Например, если расстояние увеличить в два раза, индукция магнитного поля уменьшится в 8 раз.

Второй вариант магнитометра

Материалы: линейный датчик Холла SS49E; Arduino Nano; Монохромный OLED дисплей SSD1306 0.96; провода с контактами; пауэрбанк; кнопка, шариковая ручка или другая прочная трубка, коробочка; 3 тонких провода чуть длиннее трубки,12 см термоусадки диаметром 1,5 мм.

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, питание подается на ардуино с USB входа пауэрбанка.(рис.21, 22)

Код написан в Arduino IDE v. 1.8.10.,установка библиотек Adafruit_SSD1306 и Adafruit_GFX. Если всё сделано правильно, то дисплей должен выдавать значения DC и AC.

Для удобства, поместил собранную схему в подходящую коробочку, а зонд поместил в трубку от ручки.(рис. 23) Общая стоимость второго прибора с использованием подручного материала и купленного составила около 500 рублей.

Прибор получился мобильным и интересным! Для эксперимента я выбрал несколько магнитов и батареек.(рис 24, 25, 26)

Данные измерения магнитов Данные измерения батареек

Вот какие результаты у меня получились:

По значениям АC на мониторе удалось определить силу магнитов.

Самым сильным оказался магнит неодимовый с жесткого диска, самый слабый сувенирный магнитик с холодильника.

По значениям DС удалось узнать полярность магнитов и батареек.

Было заметно, что показания менялись от расстояния между датчиком Холла и исследуемым предметом, так же показания зависели от того держали предмет в руке или он лежал на столе.

Значения цифр на мониторе менялись и от того, какая батарейка новая или уже использованная.

Вывод

Развитие магнитометрических приборов в настоящее время стремительно совершенствуется! Магнитометр это не только важный геологоразведочный инструмент, область их применения расширяется: это морские и подводные исследования, археология, вулканические исследования, биология, медицина, космические исследования. Все большую популярность набирают бытовые магнитометры.

Изучив и проанализировав собранную информацию по теме, создав свой прибор я смог наглядно понять физические законы, связанные с магнитными свойствами предметов и магнитным полем, наглядно разобрался в принципах работы магнитометра.

Используя данные своего прибора рассчитал по формуле силу магнитной индукции определенного магнита. Данный гауссметр поможет узнать, какой магнит сильнее, а какой слабее; где отрицательный и положительный полюс у магнита; где отрицательный контакт, а где положительный контакт у батареек, оценить силу магнита, понаблюдать как магнитное поле изменяется с увеличением расстояния от магнита. При помощи этого прибора можно проводить различные эксперименты.

Так же доказал, что собрать свой простейший гауссметр, по приемлемой цене используя подручные материалы возможно! Реально и его дальнейшее усовершенствование, что даст возможность приобретать и использовать магнитометр большему количеству людей в бытовых целях.

Источники:

Абрикосов А.Д., Основы теории металлов, М., 1977

Большая российская энциклопедия; Авторы: А. Ю. Бурцев Магнитометр

https://usamodelkina.ru/17025-portativnyj-magnitometr.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитометр

https://ru.wikihow.com статья: "Как определить силу магнитов"

https://lycu1580.mskobr.ru/files/fizika_doc/6.05.10.17.pdf

https://elenergi.ru/sredstva-i-metody-izmereniya-magnitnyx-velichin.html

https://acdc.foxylab.com/node/26

http://www.valtar.ru/Magnets4/mag_4_08.htm

http://digitrode.ru/articles/3515-chto-takoe-magnitometr-i-kak-on-rabotaet.html

Приложение

Магнитное поле земли (рис.1)

Рене Декарт (рис.2) Шарль Кулон (рис. 3)

Действие тока в проводнике на магнитную стрелку компаса(рис.4)

Закон электромагнитной индукции (рис.5)

1873 год "Трактат об электричестве и магнетизме"Джеймс Максвелл (рис.6)

Простейший магнитометр (рис.7)

Магнитостатический магнитометр (рис.8)

Магнитные весы (рис.9) Буссоль (рис.10)

Индукционный магнитометр (рис.11)

Феррозондовый магнитометр (рис.12)

Квантовый магнитометр (рис.13)

СКВИД магнитометр (рис.14)

Гальваномагнитные магнитометры(флюксометр, градиетометр) (рис.15)

Использование магнитометров (рис.16)

Кривая генезиса (рис.17)

Материалы для первого варианта магнитометра (рис.18)

Схема первого варианта магнитометра (рис.19)

Сборка и испытания первого варианта магнитометра (рис.20)

Материалы для второго варианта магнитометра (рис.21)

Сборка второго варианта прибора (рис.22)

Окончательная сбора прибора (рис.23)

Измерения показаний с помощью второго варианта магнитометра (рис.24)

Исследования с помощью магнитометра (рис.25)

Исследования при помощи переносного магнитометра(рис.26)