Bestimmung des elektromagnetischen Magnetfeldes mittels Hall-Sensor

  1. Aufnahme der Widerstandskennlinie einer Spule
  2. Verwendung und Überprüfung eines Hall-Sensors am Mikrocontroller
  3. Bestimmung des Magnetfeldes bei konstantem Abstand und zunehmendem Strom.

Leitungen und Leiterbahnen, fließende Ströme verursachen die Ausbildung eines magnetischen Feldes in ihrer Umgebung. Um einen magnetisierbaren Kern gewickelter Draht verstärkt die von der Wicklung ausgehenden magnetischen Felder. Sich ändernde Magnetfelder können sich ändernde elektrische Potenziale in Leiterbahnen und Leitungen induzieren. Elektrische Schaltungen sind demzufolge vom Einfluss magnetischer Felder abzuschirmen. Hall-Sensoren sind geeignete Instrumente, die Stärke magnetischer Felder zu messen.

Material:

  • Diverse Steckbrücken
  • Steckbrett
  • Arduino NANO
  • Hall-Sensor KY-024
  • Permanentmagnet
  • Labornetzgerät
  • Digitalmultimeter
  • Universal- und Induktivitätsmessgerät
  • Platten aus unterschiedlichen Materialien

1. Aufnahme der Widerstandskennlinie einer Spule

Ja nach Aufgabengebiet Spulen bestehen meist aus Wicklungen von Draht oder Litze um einen Spulenkörper in dem sich ein magnetisierbarer Kern befinden kann. Da es sich dabei oft um eine vergleichsweise lange Leitung mit geringem Durchmesser handelt, besitzen Spulen einen nennenswerten ohmschen Widerstand, der zu ihrer Erwärmung beiträgt. Der nennenswerte Anteil der für den Gebrauch der Spule aufgewandten elektrischen Leistung geht als Wärme verloren. Die für den Versuch verwendete Spule kann zum Beispiel aus 50 m einer Kupferlitze bestehen, die so um einen Stahlbolzen gewunden wurde, dass die Enden der Litze für den Anschluss an ein Digitalmultimeter oder ein Labornetzgerät angeschlossen werden kann. Die Litze soll eine Stromfestigkeiten von <2 A besitzen.


Nehmen Sie eine Widerstandskennlinie auf, indem Sie zwischen den Punkten A und B mit dem Labornetzgeräte verbinden und die anliegende Spannung von 0 V bis zu einem Maximum von 5 V schrittweise so steigern, dass bei einer Spulenwicklung aus Litze ein maximaler Strom von 2 A und bei einer Spulenwicklung aus Lackdraht ein maximaler Strom 0,25 A nicht überschritten wird. Eine Kennlinie sollte aus wenigstens 5 gleichmäßig ansteigenden Messwerten bestehen. Ermitteln Sie die maximal im Aufbau umgesetzte Leistung.

Prüfungsdokumentation auf USB-Stick

Die Dokumentation erfolgt als tabellarische sowie grafische Darstellung. In Form eines Tabellenblattes in LibreOffice oder Excel. Zu erstellen ist aus den Messwerten ein Strom-Spannungsdiagramm, auf dessen x-Achse die Spannung und auf dessen y-Achse der zugehörige Strom aufgetragen wird. Geben Sie für den größten Messwert die umgesetzte Leistung im Tabellenblatt an. Fotografieren Sie den Aufbau, dem ein Label mit Ihrem Namen, dem Datum und dem Versuchsabschnitt beigefügt ist.

2. Verwendung und Überprüfung eines Hall-Sensors am Mikrocontroller

Die Wirkung eines Magnetfeldes auf den Hall-Sensor hängt neben dessen Orientierung (oben, unten seitlich) zum Magnetfeld sowie auch von dessen Polung (Nord- oder Südpol) ab. Um den Hall-Sensor als Messsystem für die Intensität des von einer Spule ausgehenden Magnetfeldes optimal einsetzen zu können, ist die Handhabung zunächst mithilfe eines Festmagneten zu überprüfen. Nachdem eine Handhabung etabliert wurde, die eine optimale Sensitivität gewährleistet, kommt die Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes zum Einsatz. Zum Einsatz kommt der Elektromagnet mit 80% seiner in Teil 1 ermittelten Leistung. Zu Beginn der Untersuchung der Wirkung des elektromagnetischen Feldes dient eine Umpolung des von der Spule erzeugten Magnetfeldes durch Vertauschen der elektrischen Anschlüsse der Überprüfung. Für die weiteren Versuche ist die Polung zu verwenden, für die das stärkere Magnetfeld mit dem Hall-Sensor ermittelt wurde.

Bestimmen Sie die Intensität des elektromagnetischen Feldes der Spule in Abhängigkeit vom Abstand des Sensors von dem Punkt auf der Spule, dessen Magnetfeld am intensivsten gemessen wurde.

Der gezeigte Aufbau enthält die mit dem Analogeingang A0 zu verbindende Steckbrücke.

Den zu verwendenden Sketch (Arduino-Programm) „AnalogReadSerial.ino“ rufen Sie aus der Arduino-IDE auf. (Datei → Basics → „AnalogReadSerial“)

Beachten Sie die korrekten Einstellungen des Mikrocontrollers im Menü „Werkzeuge“.

Werkzeuge → Board → „Arduino Nano“

Nach Anschluss des Arduino-Nano mittel Mikro-USB-Kabel ist zudem der korrekte Prozessor. die korrekte USB-Schnittstelle auszuwählen und unter „Werkeuge“ → Prozessor die Option ATMega „Old Bootloader“ auszuwählen.

Verändern Sie gegebenenfalls den Sketch, sodass er Ihren Bedürfnissen genügt. Compilieren und laden Sie das Programm auf den Mikrocontroller hoch.

In welcher Weise verändert sich die gemessene Intensität des Magnetfeldes, wenn Platten unterschiedlichen Materials zwischen Sensor und Spule geschoben werden. Beurteilen Sie die Eignung der getesteten Materialien als magnetische Abschirmung im IT-Bereich zum Beispiel zwischen stromführenden Leitern und Ethernetkabeln, Gehäusen von Rechner oder Sensoren.

Prüfungsdokumentation auf USB-Stick

Die Dokumentation erfolgt als tabellarische, sowie grafischen Darstellung der Stärke des elektromagnetischen Feldes (y-Achse) in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Sensor und Magneten (x-Achse) sowie einer Skizze des Aufbaus. Die Form ist in Tabellenblatt in LibreOffice oder Excel. Fotografieren Sie den Aufbau, dem ein Label mit Ihrem Namen, dem Datum und dem Versuchsabschnitt beigefügt ist.

3. Abhängigkeit der Intensität des Magnetfeldes bei konstantem Abstand von der Stromstärke

Es ist der gleiche Aufbau und das gleiche Programm wie unter 2. zu wählen. Positionieren Sie den Hall-Sensor so zum vom Elektromagneten, dass 75% des maximalen Magnetfeldes gemessen werden. Nehmen Sie die Kennlinie des Elektromagneten auf: Bestimmen Sie das elektromagnetische Feld mittels Hall-Sensor (y-Achse) in Abhängigkeit vom durch die Spule fließenden Strom (x-Achse). Steigern Sie den durch die Spule fließenden Strom beginnend vom stromlosen Zustand bis zum Maximalstrom. Mindestens 5 Messpunkte sind zu erheben.

Prüfungsdokumentation auf USB-Stick

Die Dokumentation erfolgt als tabellarische, sowie grafische Darstellung der Stärke des elektromagnetischen Feldes (y-Achse) in Abhängigkeit von der Stromstärke (x-Achse). Stellen Sie das Ergebnis in Form eines Tabellenblattes in LibreOffice oder Excel sowie als Grafik dar.