Как обнаружить магнитное поле. Как обнаружить и измерить магнитное поле: методы и технологии — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как обнаружить магнитное поле, невидимое для человеческого глаза. Какие существуют способы измерения магнитного поля. Где применяются методы обнаружения магнитных полей. Какие новые технологии позволяют регистрировать сверхслабые магнитные поля.

Содержание

Что такое магнитное поле и как оно возникает

Магнитное поле — это особая форма материи, которая существует вокруг движущихся электрических зарядов или постоянных магнитов. Оно невидимо для человеческого глаза, но оказывает силовое воздействие на другие магниты и движущиеся заряженные частицы. Основные источники магнитного поля:

Электрический ток в проводниках
Постоянные магниты
Земное магнитное поле
Космические объекты (звезды, планеты)

Магнитное поле возникает в результате движения электрических зарядов. Даже вокруг отдельных электронов, вращающихся в атомах, существует микроскопическое магнитное поле. В ферромагнитных материалах, таких как железо, эти микроскопические поля могут выстраиваться в одном направлении, создавая макроскопическое магнитное поле постоянного магнита.

Классические методы обнаружения магнитного поля

Существует несколько традиционных способов обнаружить и визуализировать магнитное поле:

1. Магнитная стрелка

Самый простой способ — с помощью магнитной стрелки компаса. В магнитном поле она поворачивается, ориентируясь вдоль силовых линий. Так можно определить направление поля в данной точке пространства.

2. Железные опилки

Если насыпать железные опилки на лист бумаги и поднести снизу магнит, опилки выстроятся вдоль силовых линий магнитного поля, визуализируя его структуру. Этот метод позволяет наглядно увидеть конфигурацию поля вокруг магнитов разной формы.

3. Эффект Холла

В проводнике с током, помещенном в магнитное поле, возникает поперечная разность потенциалов (ЭДС Холла). Измеряя эту ЭДС, можно определить величину магнитной индукции. На этом принципе работают датчики Холла.

4. Магниторезистивный эффект

Некоторые материалы меняют свое электрическое сопротивление в магнитном поле. Измеряя это изменение, можно судить о величине поля. Такой принцип используется в магниторезистивных датчиках.

Современные высокочувствительные методы измерения магнитных полей

Для регистрации сверхслабых магнитных полей, например биомагнитных полей человеческого тела, применяются специальные методы:

1. СКВИД-магнитометры

СКВИД (Сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик) — сверхчувствительный прибор для измерения магнитного поля, основанный на эффекте Джозефсона в сверхпроводниках. Позволяет измерять магнитные поля до 10^-15 Тл.

2. Оптически накачиваемые магнитометры

Работают на эффекте оптической накачки в парах щелочных металлов. При помещении в магнитное поле изменяется поглощение света атомами, что позволяет измерить величину поля. Чувствительность достигает 10^-15 Тл.

3. Магнитно-резонансная томография

МРТ позволяет получать трехмерные карты распределения магнитного поля в теле человека с высоким пространственным разрешением. Основана на явлении ядерного магнитного резонанса.

Применение методов обнаружения магнитных полей

Методы регистрации магнитных полей нашли широкое применение в различных областях:

Медицина

Магнитоэнцефалография (МЭГ) — измерение магнитных полей мозга
Магнитокардиография (МКГ) — исследование магнитного поля сердца
МРТ-диагностика

Геологоразведка

Поиск месторождений магнитных руд
Археологические исследования

Промышленность

Неразрушающий контроль металлических изделий
Обнаружение скрытых дефектов

Перспективные направления в области детектирования магнитных полей

Ведутся активные исследования по созданию еще более чувствительных методов регистрации слабых магнитных полей:

1. Квантовые датчики на основе NV-центров в алмазе

NV-центры (азот-вакансионные центры) в алмазе обладают уникальными квантовыми свойствами, позволяющими измерять слабые магнитные поля при комнатной температуре. Ведутся разработки компактных датчиков на этой основе.

2. Сверхпроводящие квантовые магнитометры нового поколения

Разрабатываются новые типы СКВИД-магнитометров с улучшенными характеристиками, в том числе на основе высокотемпературных сверхпроводников.

3. Гибридные квантово-классические системы

Комбинирование классических и квантовых датчиков позволяет создавать системы с уникальными возможностями по чувствительности и пространственному разрешению.

Применение сверхчувствительных магнитометров в биомедицине

Развитие технологий сверхчувствительных магнитометров открывает новые возможности в медицинской диагностике:

Ранняя диагностика заболеваний

Измерение сверхслабых биомагнитных полей позволяет выявлять патологические процессы на ранних стадиях, когда другие методы еще неэффективны. Это особенно важно для диагностики сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний.

Неинвазивный мониторинг

Магнитные методы позволяют проводить длительный неинвазивный мониторинг физиологических процессов, не оказывая воздействия на организм. Это открывает новые возможности в кардиологии, неврологии, пренатальной диагностике.

Исследование работы мозга

Магнитоэнцефалография с использованием сверхчувствительных датчиков позволяет исследовать нейронную активность мозга с высоким временным разрешением. Это важно для фундаментальных нейробиологических исследований и разработки интерфейсов мозг-компьютер.

Заключение

Методы обнаружения и измерения магнитных полей продолжают активно развиваться. Создание все более чувствительных датчиков открывает новые возможности в науке, медицине и технике. Особенно перспективным выглядит применение квантовых технологий для создания сверхчувствительных магнитометров нового поколения. Это позволит проводить неинвазивную диагностику на молекулярном уровне и лучше понять работу человеческого мозга.

Обнаружение магнитного поля

При помощи органов чувств человек не может обнаружить магнитное поле. Наличие магнитного поля можно установить при его воздействии на:

магнитную стрелку,
проводник с током,
движущийся электрический заряд.

Так, магнитное поле способно поворачивать в пространстве магнитные стрелки и рамки с токами, то есть на данные объекты наше поле оказывает ориентирующее воздействие. На проводник с током и перемещающийся заряд в магнитном поле действуют магнитные силы, перпендикулярные направлению перемещения зарядов.

Ориентирующее действие магнитного поля

Поместим малую (пробную) рамку с током в магнитное поле.

Замечание 1

Пробная рамка с током отвечает следующим требованиям:

Она имеет малые размеры, такие, что ее поведение отражало бы характер поля в точке.

Сила тока в рамке должна быть малой, такой, что влияние этого тока на источники исследуемого магнитного поля было бы несущественным.

Повернем нашу рамку на некоторый угол $\alpha $ относительно ее положения равновесия. Тогда на рамку будет оказывать действие момент сил, зависящий от силы тока в рамке $I$, площади ее поверхности $S$:

Готовые работы на аналогичную тему

$M\sim IS\sin {\alpha \, \left( 1 \right),}$

где $\alpha $ – угол поворота рамки.

Если рамку развернуть перпендикулярно силовым линиям поля, тогда $\alpha =\frac{\pi }{2},$, а вращающий момент сил становится наибольшим:

$M_{max}\sim IS\left( 2 \right)$.

Отношение $M_max$ к силе тока и площади сечения рамки будет характеристикой магнитного поля в точке расположения рамки:

$B=\frac{M_{max}}{IS}\left( 3 \right)$.

где $B$ – величина вектора магнитной индукции поля, являющаяся одним из основных параметров, описывающих поле.

Действие магнитного поля на заряженные частицы

Проведем следующий эксперимент. В трубке осциллографа получим прямолинейный пучок электронов, которые движутся по прямой линии. Падая на экран, этот пучок оставит лед в виде небольшого пятна. Приблизим к этому пучку снизу северный полюс линейного магнита. Пучок электронов сместится. Изменим полюс магнита, смещение пучка произойдет в противоположную сторону. Данный эксперимент указывает на то, что перемещающиеся электроны испытывают действие некоторой специфической силы в магнитном поле. Причем опыты показали, что эта сила пропорциональна скорости движения электронов. Подобным образом ведут себя любые другие заряженные частицы, перемещающиеся в магнитном поле.

Сила, действующая на заряженную частицу, перемещающуюся в магнитном поле, называется силой Лоренца, она равна:

$\vec{F}_{L}=q\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)\left( 4 \right)$,

где характеристиками частицы являются:

$q$ – величина заряда частицы;

$\vec v$ — скорость движения частицы.

характеристикой поля является вектор магнитной индукции.

Выражение (4) является справедливым для постоянных и переменных магнитных полей.

Замечание 2

На заряд, находящийся в покое, магнитное поле не оказывает действия. Индикатором наличия магнитного поля служит перемещающийся заряд.

Формула (4) показывает принципиальный способ измерения индукции магнитного поля по силе воздействия поля на движущийся заряд.

С этой целью убеждаются в отсутствии электрического поля при помощи неподвижного заряда.

Находят такое направление скорости ($\vec v$), при котором сила Лоренца становится равной нулю. Это будет происходить, если вектор скорости сонаправлен или направлен в противоположную сторону вектору индукции. Так, с точностью до знака определяется направление магнитного поля.

Измеряют силу Лоренца при движении заряда нормально к вектору индукции поля. При этом:

$F_{L}=q\left( \vec{v}_{n}\times \vec{B} \right)\left( 5 \right)$,

где $\vec{v}_{n}\quad $ – скорость движения частицы перпендикулярная вектору поля ($\left( \vec{v}_{n}\vec{B} \right)=0)$. Следовательно:

$\vec{B}=\frac{1}{{qv}_{n}^{2}}\left( \vec{F}_{L}\times \vec{v}_{n}\right)\left( 6 \right)$.

Формула (6) однозначно определяет вектор магнитной индукции.

Действие магнитного поля на токи

Эксперименты, показывающие действие магнитного поля на движущиеся заряды, обычно проводят не с отдельными частицами, а с их потоками.

Пусть ток создают движущиеся одинаковые частицы с зарядом $q$. Тогда плотность этого тока выразим как:

$\vec{j}=nq\vec{v}\left( 7 \right)$.

Сила, которая действует в магнитном поле на элемент объема ($dV), равна:dV), равна:

$d\vec{F}=nq\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)dV=(\vec{j}\times\vec{B})dV\left( 8 \right)$,

где $N=ndV$ — число частиц в объеме $dV$.

Если ток течет по очень тонкому проводу, площадь сечения которого равна $S$, длина его $dl$ (малая длина), тогда сила, действующая на него в магнитном поле равна:

$d\vec{F}=I\left( d\vec{l}\times \vec{B} \right)\left( 9 \right)$.

где $\vec jdV=I d\vec j$. Направление вектора $ d\vec j$ — совпадает с направлением силы тока.

Выражение (9) называется законом Ампера, а сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Так, обнаружить магнитное поле можно по его воздействию силой Ампера на проводник с током.

Для тока, текущего в прямом проводнике, находящегося в однородном магнитном: поле, силу Ампера можно определить как:

$\vec{F}_{A}=I\left( \vec{l}\times \vec{B} \right)\left( 10 \right)$,

где $l$ — длина прямого проводника.

Модуль силы Ампера из (10) равен:

$F_{A}=IBL\sin \left( \hat{\vec{l}\vec{B}} \right)\left( 11 \right)$.

Вектор силы Ампера перпендикулярен плоскости, в которой лежат $\vec l$ и $\vec B$ и направлен по правилу правого винта.

Магнитное поле, которое создается проводником с током можно обнаружить по его действию на другой проводник с током. Если токи в проводниках направлены в одну сторону, то проводники притягиваются. Будем считать, что наши проводники параллельны, и находятся в вакууме, тогда силы притяжения равны:

$dF=\frac{\mu_{0}I_{1}I_{2}}{2\pi R}dl\left( 12 \right)$,

где R – расстояние между проводниками, $dF$ — сила с которой один проводник действует на элемент ($dl$) другого проводника.

Если токи в проводниках направлены в противоположные стороны, тогда они отталкиваются.

Воздействие токов на магниты

Магниты оказывают действие на электрические токи. В свою очередь токи воздействуют на магниты.

Рассмотрим эксперимент, который проводил Эрстед. Ученый разместил над магнитной стрелкой прямой провод (рис.1) параллельно плоскости стрелки. Стал пропускать ток по проводнику. При этом стрелка, способная вращаться около вертикальной оси, отклонялась и устанавливалась нормально к проводнику. Эрстед изменял направление течения тока, стрелка поворачивалась на 180 °. Тот же эффект возникал, когда проводник переносили под стрелку. Опыт Эрстеда показал связь между электрическими и магнитными явлениями.

Рисунок 1. Эксперимент Эрстеда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

1. Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки

Магнитное поле, как мы выяснили — это особый вид материи, существующий независимо от нашего сознания. Магнитное поле можно изобразить с помощью линий магнитного поля. А можно ли обнаружить магнитное поле?

Соберём электрическую цепь. Пока ключ не замкнут, ничего с проводником не происходит. Как только замкнуть ключ — проводник начнёт двигаться внутрь магнита. Если поменять полюса источника тока — проводник будет двигаться в противоположную сторону.

Рис. $1$. Проводник без тока в магнитном поле

Рис. $2$. Проводник с током в магнитном поле

Результат опыта позволяет нам сделать вывод о том, что магнитное поле оказывает действие на проводник с током.

Обрати внимание!

Магнитное поле создаётся электрическим током и обнаруживается по его действию на электрический ток.

Движение проводника вызвано действием на него магнитного поля со стороны дугового магнита. Если поменять местами полюсы магнита — проводник меняет направление движения на противоположное.

Направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и направление силы, действующей на проводник с током, связаны между собой.

На проводник с током, находящимся в магнитном поле, действует сила Ампера. Направление этой силы определяют по правилу левой руки.

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Рис. $3$. Правило левой руки

На направление тока указывает направление движения положительно заряженных частиц. На заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Направление силы Лоренца также определяется по правилу левой руки.

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной частицы), то отставленный большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Если заряженная частица движется вдоль линии магнитного поля, то сила со стороны магнитного поля не действует.

Источники:

Физика. 9 кл: учебник / А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. — М.: Дрофа, 2019. — 350 с.

Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током

1. Опыт Эрстеда заключается в следующем. На столе располагают магнитную стрелку, которая ориентируется с севера на юг в магнитном поле Земли, и параллельно ей сверху проводник, соединённый с источником тока (см. рис. 81). При замыкании цепи стрелка повернётся на 90° и встанет перпендикулярно проводнику.

При размыкании цепи стрелка вернётся в первоначальное положение. Если изменить направление тока на противоположное, то стрелка повернётся в обратную сторону. Опыт Эрстеда доказывает, что вокруг проводника, по которому течёт электрический ток, существует магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку.

Опыт Эрстеда показал существование взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями.

Об этой взаимосвязи свидетельствует и опыт, известный как опыт Ампера. Если по двум длинным параллельно расположенным проводникам пропустить электрический ток в одном направлении, то они притянутся друг к другу; если направление тока будет противоположным, то проводники оттолкнутся друг от друга. Это происходит потому, что вокруг одного проводника возникает магнитное поле, которое действует на другой проводник с током. Если ток будет протекать только по одному проводнику, то проводники не будут взаимодействовать.

Таким образом, вокруг движущихся электрических зарядов или вокруг проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле действует на движущиеся заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не действует.

Силовой характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитной индукцией. Обозначается магнитная индукция буквой $ B $. Магнитная индукция является векторной величиной, т.е. имеет определённое направление. Это наглядно проявляется в опыте со взаимодействием параллельных проводников с током. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки в данной точке поля.

2. Обнаружить магнитное поле вокруг проводника с током можно с помощью либо магнитных стрелок, либо железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и становятся магнитными стрелками. На рисунке 87 изображён проводник, пропущенный через лист картона, на который насыпаны железные опилки. При прохождении по проводнику электрического тока опилки располагаются вокруг него по концентрическим окружностям.

Линии, вдоль которых располагаются в магнитном поле магнитные стрелки или железные опилки, называют линиями магнитной индукции. Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, принято за направление линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линии магнитной индукции в каждой точке поля.

Как следует из результатов опыта Эрстеда и опыта по взаимодействию параллельных проводников с током, направление линий вектора магнитной индукции (и линий магнитной индукции) зависит от направления тока в проводнике. Направление линий магнитной индукции можно определить с помощью правила буравчика. Для линейного проводника оно следующее: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции.

3. Если пропустить электрический ток по катушке, то опилки расположатся, как показано на рисунке 88.

Картина линий магнитной индукции свидетельствует о том, что катушка с током становится магнитом. Если катушку с током подвесить, то она повернётся южным полюсом на юг, а северным — на север (рис. 89).

Следовательно, катушка с током имеет два полюса: северный и южный. Определить полюса, которые появляются на её концах можно, если известно направление электрического тока в катушке. Для этого пользуются правилом буравчика: если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в катушке, то направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции внутри катушки (рис. 90).

4. Тела, длительное время сохраняющие магнитные свойства, или намагниченность, называют постоянными магнитами. Поднося магнит к железным опилкам, можно заметить, что они притягиваются к концам магнита и практически не притягиваются к его середине. Те места магнита, которые производят наиболее сильное магнитное действие, называются полюсами магнита. Магнит имеет два полюса: северный — N и южный — S. Принято северный полюс магнита окрашивать синим цветом, а южный — красным. Если полосовой магнит разделить на две части, то каждая из них окажется магнитом с двумя полюсами.

Положив на постоянный магнит лист бумаги или картона и насыпав на него железные опилки, можно получить картину его магнитного поля (рис. 91). Линии магнитной индукции постоянных магнитов замкнуты, все они выходят из северного полюса и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.

Магнитные стрелки и магниты взаимодействуют между собой. Разноимённые магнитные полюсы притягиваются друг к другу, а одноимённые — отталкиваются. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что магнитное поле одного магнита действует на другой магнит и, наоборот, магнитное поле 2-го магнита действует на 1-й.

Причиной наличия у веществ магнитных свойств является движение электронов, существующих в каждом атоме. При своём движении вокруг атома электроны создают магнитные поля. Если эти поля имеют одинаковую ориентацию, то вещество, например железо или сталь, намагничены достаточно сильно.

5. Магнитное поле действует на проводник с током. Доказать это можно с помощью эксперимента (рис. 92).

Если в поле подковообразного магнита поместить проводник длиной $ l $, подвешенный на тонких проводах, соединить его с источником тока, то при разомкнутой цепи проводник останется неподвижным. Если замкнуть цепь, то по проводнику пойдёт электрический ток, и проводник отклонится в магнитном поле от своего первоначального положения. При изменении направления тока проводник отклонится в противоположную сторону. Таким образом, на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила, которую называют

силой Ампера.

Экспериментальное исследование показывает, что сила Ампера прямо пропорциональна длине проводника $ l $ и силе тока $ I $ в проводнике: $ F\sim Il $. Коэффициентом пропорциональности в этом равенстве является модуль вектора магнитной индукции $ B $. Соответственно, $ F=BIl $.

Сила, действующая на проводник с током, помещённый в магнитное поле, равна произведению модуля вектора магнитной индукции, силы тока и длины той части проводника, которая находится в магнитном поле.

В таком виде зависимость силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, записыватся в том случае, если линии магнитной индукции перпендикулярны проводнику с током.

Формула силы Ампера, позволяет раскрыть смысл понятия вектора магнитной индукции. Из выражения для силы Ампера следует: $ B=\frac{F}{Il} $, т.е. магнитной индукцией называется физическая величина, равная отношению силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, к силе тока и длине проводника, находящейся в магнитном поле.

Из приведённой формулы понятно, что магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля.

Единица магнитной индукции $ [В] = [F]/[I][l] $. $ [B] $ = 1 Н/(1 А · 1 м) — 1 Н/(А · м) = 1 Тл. За единицу магнитной индукции принимают магнитную индукцию такого поля, в котором на проводник длиной 1 м действует сила 1 Н при силе тока в проводнике 1 А.

Направление силы Ампера определяют, пользуясь правилом левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на проводник (рис. 93).

6. Движение проводника с током в магнитном поле лежит в основе работы электрического двигателя. Если поместить прямоугольную рамку в магнитное поле и пропустить по ней электрический ток, то рамка повернётся (рис. 94), потому, что на стороны рамки действует сила Ампера. При этом сила, действующая на сторону рамки $ ab $, противоположна силе, действующей на сторону $ cd $.

Для того чтобы рамка не остановилась в тот момент, когда её плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции, и продолжала вращаться, изменяют направление тока в проводнике. Для этого к концам рамки припаяны полукольца, по которым скользят контакты, соединённые с источником тока. При повороте рамки на 180° меняются контактные пластины, которых касаются полукольца и, соответственно, направление тока в рамке.

В электрическом двигателе энергия электрического и магнитного полей превращается в механическую энергию.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. На рисунке показано, как установилась магнитная стрелка между полюсами двух одинаковых магнитов. Укажите полюса магнитов, обращённые к стрелке.

1) 1 — S, 2 — N
2) 1 — А, 2 — N
3) 1 — S, 2 — S
4) 1 — N, 2 — S

2. Па рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью магнитной стрелки и железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов соответствуют области 1 и 2?

1) 1 — северному полюсу; 2 — южному
2) 1 — южному; 2 — северному полюсу
3) и 1, и 2 — северному полюсу
4) и 1, и 2 — южному полюсу

3. При прохождении электрического тока по проводнику магнитная стрелка, находящаяся рядом, расположена перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока на противоположное. Стрелка

1) повернётся на 90°
2) повернётся на 180°
3) повернётся на 90° или на 180° в зависимости от значения силы тока
4) не изменит свое положение

4. Проводник, по которому протекает электрический ток, расположен перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок). Расположение какой из магнитных стрелок, взаимодействующих с магнитным полем проводника с током, показано правильно?

1) 1
2) 2
3) 3
4) 4

5. Из проводника сделали кольцо и по нему пустили электрический ток. Ток направлен против часовой стрелки (см. рисунок). Как направлен вектор магнитной индукции в центре кольца?

1) вправо
2) влево
3) на нас из-за плоскости чертежа
4) от нас за плоскость чертежа

6. По катушке идёт электрический ток, направление которого показано на рисунке. При этом на концах железного сердечника катушки

1) образуются магнитные полюса — на конце 1 — северный полюс, на конце 2 — южный
2) образуются магнитные полюса — на конце 1 — южный полюс, на конце 2 — северный
3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — отрицательный заряд, на конце 2 — положительный
4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — положительный заряд, на конце 2 — отрицательный

7. Два параллельно расположенных проводника подключили параллельно к источнику тока.

Направление электрического тока и взаимодействие проводников верно изображены на рисунке

8. В однородном магнитном поле на проводник с током, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок), действует сила, направленная

1) вправо →
2) влево ←
3) вверх ↑
4) вниз ↓

9. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами магнита направлена

1) вверх ↑
2) вниз ↓
3) направо →
4) налево ←

10. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?

1) вверх ↑
2) вправо →
3) вниз ↓
4) влево ←

11. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Вокруг неподвижных зарядов существует магнитное поле.
2) Вокруг неподвижных зарядов существует электростатическое поле.
3) Если разрезать магнит на две части, то у одной части будет только северный полюс, а у другой — только южный.
4) Магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов.
5) Магнитная стрелка, находящаяся около проводника с током, всегда поворачивается вокруг своей оси.

12. Электрическая схема содержит источник тока, проводник АВ, ключ и реостат. Проводник АВ помещён между полюсами постоянного магнита (см. рисунок).

Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) При перемещении ползунка реостата влево сила Ампера, действующая на проводник АВ, увеличится.
2) При замкнутом ключе проводник будет выталкиваться из области магнита вправо.
3) При замкнутом ключе электрический ток в проводнике имеет направление от точки В к точке А.
4) Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены вертикально вниз.
5) Электрический ток, протекающий в проводнике АВ, создаёт однородное магнитное поле.

Часть 2

13. Участок проводника длиной 0,1 м находится в магнитном поле индукцией 50 мТл. Сила тока, протекающего по проводнику, 10 А. Какую работу совершает сила ампера при перемещении проводника на 8 см в направлении своего действия? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Ответы

Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током

Оценка

Что такое магнитное поле 🚩 Естественные науки

Упорядоченное движение заряженных частиц в проводниках называется электрическим током. Для его получения нужно создать электрическое поле при помощи источников тока, совершающих работу по разделению зарядов – положительных и отрицательных. Механическая, внутренняя или какая-либо другая энергия в источнике превращается в электрическую.

Движение заряженных частиц в проводнике невозможно увидеть. Однако судить о наличии тока в цепи можно по косвенным признакам. К таким явлениям относятся, к примеру, тепловое, химическое и магнитное действия тока, причем последнее наблюдается в любых проводниках – твердых, жидких и газообразных.

Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле. Оно создается движущимися электрическими зарядами. Если заряды неподвижны, они продуцируют вокруг себя только электрическое поле, но как только возникает ток, появляется еще и магнитное поле тока.

Существование магнитного поля можно обнаружить разными способами. Например, можно использовать для этой цели маленькие железные опилки. В магнитном поле они намагничиваются и превращаются в магнитные стрелочки (как у компаса). Ось каждой такой стрелочки устанавливается по направлению действия сил магнитного поля.

Сам опыт выглядит так. Насыпьте на картонку тонкий слой железных опилок, пропустите сквозь него прямой проводник и включите ток. Вы увидите, как под действием магнитного поля тока опилки расположатся вокруг проводника по концентрическим окружностям. Эти линии, вдоль которых расположились магнитные стрелки, называются магнитными линиями магнитного поля. «Северный полюс» стрелки в каждой точке поля принято считать направлением магнитной линии.

Магнитные линии магнитного поля тока – это замкнутые кривые, охватывающие проводник. С их помощью удобно изображать магнитные поля. И, поскольку магнитное поле есть во всех точках пространства вокруг проводника, через любую точку этого пространства можно провести магнитную линию. Направление магнитных линий зависит от направления тока в проводнике.

Повышение способности обнаруживать сверхслабые магнитные поля

Boosting the ability to detect superweak magnetic fields

Культовая визуализация линий магнитного поля, невидимых в других отношениях, связанных со стержневым магнитом, намекает на гораздо более слабые магнитные поля, основанные на биологии, от сердца и мозга, которые новая программа DARPA AMBIIENT стремится измерять с беспрецедентной легкостью. Кредит: DARPA

Каждый удар вашего сердца или всплеск активности мозга зависит от крошечных электрофизиологических токов, которые генерируют незначительные пульсации в окружающем магнитном поле.Эти вариации поля обеспечивают основу для целого ряда исследовательских инструментов и методов диагностики с такими названиями, как магнитоэнцефалография (МЭГ) и магнитокардиография (МГК). Но использование слабых магнитных полей биологии требует героических и дорогостоящих мер, в том числе высокотехнологичных щитов, чтобы блокировать большие, потенциально мешающие магнитные силы вокруг нас, и роскошных датчиков магнитного поля, которые требуют дорогого и громоздкого охлаждения жидким гелием.

Новая программа атомного магнитометра DARPA для биологической визуализации на естественной местности Земли (AMBIIENT) предназначена для того, чтобы ввести восприятие магнитного поля в новую эру, в которой MEG, MCG и ассортимент других методов считывания магнитного поля из списка желаний становятся практической реальностью для широкий спектр применения.Например, потенциально на горизонте появятся сенсорные системы для обнаружения спинномозговых сигналов, диагностики сотрясений и интерфейсов мозг-машина (ИМТ) для таких целей, как управление протезами и внешними машинами с помощью тонких магнитных сигналов, связанных с мыслью.

Несколько слонов в комнате препятствовали тому, чтобы восприятие биомагнитного поля выходило за пределы его текущих ограничений. Планета Земля была самым громким убийством. Его среднее магнитное поле составляет 50 миллионов долей Теслы, единицы напряженности магнитного поля, названной в честь изобретателя середины 19-го и начала 20-го века Никола Тесла.Это означает, что магнитное поле Земли в миллион-миллиард раз сильнее магнитного поля от 10 пикоТесла (10 ^-11 Тесла) до 10 фемтоТесла (10 ^-14 Тесла), излучаемого человеческими телами. Кроме того, даже современные датчики магнитного поля, основанные, например, на сверхпроводящих квантовых интерференционных устройствах (SQUID), страдают от ограниченного динамического диапазона, что означает, что они не могут надежно реагировать при наличии напряженности магнитного поля. которые охватывают много порядков, как в случае, когда биологические магнитные поля накладываются на собственный магнетизм Земли.Без интенсивного экранирования этот магнитный шепот из биологии был бы утерян среди оглушительного шума магнетизма Земли, даже с лучшими из доступных датчиков в игре.

«Традиционно, измерение малых магнитных сигналов в окружающей среде основывалось на парах высокопроизводительных датчиков, разделенных базовым расстоянием, а затем на измерении небольших разностей напряженности поля между двумя датчиками», — сказал Роберт Лутвак, менеджер программы AMBIIENT в Microsystems DARPA. Технологический офис.«Этот градиентометрический метод хорошо работал для применений в геофизических исследованиях и обнаружении неразорвавшихся боеприпасов, — добавил Лутвак, — но из-за комбинации ограниченного динамического диапазона датчиков и естественного пространственного изменения фоновых сигналов этот подход падает на несколько порядков не хватает способности обнаруживать биологические магнитные сигналы «.

Программа AMBIIENT ставит перед исследовательским сообществом задачу разработать новые типы магнитных градиентометров, которые могут обнаруживать магнитные сигнатуры пикоТесла и фемтоТесла на открытом воздухе, без экранирования и в любой окружающей среде магнитного поля.Для этого от исследователей потребуется, по словам Лутвака, «использовать новые методы и архитектуры атомной физики для непосредственного измерения чрезвычайно крошечных градиентов в магнитных полях без необходимости сравнивать разницу между измерениями абсолютного поля от двух датчиков, расположенных вдоль базовой линии». Один из основанных на физике подходов, которые, вероятно, будут использовать исполнители AMBIIENT, — это мониторинг изменений поляризации или других измеряемых характеристик небольшого лазерного луча, когда он проходит через паровые ячейки, в которых находятся атомы, которые изменяют лазерный луч даже на магнитные поля фемтосла.Мониторинг изменений характеристик лазерного излучения, таким образом, открыл бы новое и практичное окно для магнитных полей, которые ранее были неизмеримы в условиях окружающей среды. Это открывает сценарии, в которых, скажем, медик на поле боя сможет использовать палочкообразный датчик, чтобы быстро проверить военного истребителя на наличие признаков сотрясения мозга или другой травмы головы, записанной в тонких магнитных полях мозга

«Высокочувствительное магнитное зондирование и визуализация предложат новый мощный инструмент для медицинских исследований и клинической диагностики неврологической и сердечной деятельности», — сказал Лутвак.«Целью DARPA является создание высокочувствительного магнитного датчика в недорогом устройстве, которое может работать в обычных условиях». Он также предвидит некоторые необычные расширения восприятия магнитного поля, в том числе магнитную навигацию (MagNav) в качестве резервного, альтернативного или дополнения к навигации на основе GPS. Например, оснащенный датчиками, которые могут появиться в программе AMBIIENT, самолет, совершающий взлёт на высоту авиалайнера, может отслеживать естественные изменения и хорошо отображенные изменения магнитного поля на поверхности Земли для определения ее надземного пространства. расположение в пределах 250 метров.

Исследователи предлагают методику измерения слабых или несуществующих магнитных полей

Цитирование : Повышение способности обнаруживать сверхслабые магнитные поля (2017, 21 марта) извлечено 1 августа 2020 г. с https: // физ.орг / Новости / 2017-03 повышающего-способность-сверхслабое-магнитно-fields.html

Этот документ защищен авторским правом. Кроме честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет Часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставлено исключительно в информационных целях.

Магнитная левитация — learn.sparkfun.com

Избранные любимец 6

Введение

Да будет свет! В этом уроке мы создадим базовый магнитный левитатор. В этом руководстве будут рассмотрены некоторые из теорий, как использовать датчик магнитного поля и как его использовать для построения базовой схемы левитации. Наконец, мы пойдем немного дальше и создадим бесперебойное питание.

Необходимые материалы

Чтобы следовать примерам из этого урока, вам понадобятся следующие материалы:

Heads up! LM358 планируется для EOL. Мы рекомендуем AS358 в качестве капли замены как операционный усилитель общего назначения. Часть совместима с 358.

Другие детали, которые мы не несем:

Аналоговый датчик Холла
1N5401 Диод
1 мГн

Необходимые инструменты

Инструменты, необходимые для этого проекта, — это мультиметр и паяльник, но наличие доступа к осциллографу также поможет в тестировании.

Как использовать макет

Добро пожаловать в удивительный мир макетов. Здесь мы узнаем, что такое макет и как его использовать для создания самой первой схемы.

Как использовать мультиметр

Изучите основы использования мультиметра для измерения непрерывности, напряжения, сопротивления и тока.

Основы теории

Когда речь идет о магнитной левитации, существует два вида левитации: привлекательная и отталкивающая. В этом руководстве мы собираемся использовать привлекательную схему левитации, так как работать намного легче. Как известно, магнит имеет два полюса, север и юг. Магнитные поля с одинаковой полярностью отталкиваются друг от друга, тогда как противоположные полюса притягиваются. При магнитной левитации нам необходимо постоянное магнитное поле, обеспечиваемое постоянными магнитами, и магнитное поле, которое мы можем контролировать для позиционирования постоянных магнитов.

Изображение предоставлено Geek3 через Википедию, CC BY-SA 3.0

Чтобы создать магнитное поле, которым можно управлять, мы можем использовать индуктор. Индукторы хранят энергию, подобную конденсаторам; в то время как конденсаторы накапливают напряжение в форме электрического поля, индукторы накапливают ток, генерируя магнитное поле. Здесь мы будем использовать магнитное поле индуктора для взаимодействия с магнитами. При привлекательной левитации индуктор используется для противодействия силе тяжести, которая затем притягивает магнит к индуктору.

Если магнит подойдет слишком близко к индуктору, напряженность поля магнита будет достаточно сильной, чтобы прилипать к индуктору, независимо от того, какой ток проходит через индуктор. Однако, если магнит находится слишком далеко от индуктора, напряженность магнитного поля будет слишком слабой относительно силы тяжести, чтобы ее можно было поднять обратно. Таким образом, хитрость заключается в том, чтобы найти окно, в котором магнит недостаточно силен, чтобы подняться самостоятельно, но с привлечением противоположного поля индуктора магнит способен преодолеть гравитацию.Чтобы отслеживать его положение, мы будем использовать датчик магнитного поля, называемый датчиком эффекта Холла.

Датчик Холла

Датчик эффекта Холла — это устройство, которое используется для измерения напряженности магнитного поля. Выходной сигнал датчика прямо пропорционален напряженности магнитного поля, проходящего через него. Нам понадобится датчик SS496B с аналоговым напряжением и выходом . Существуют и другие датчики Холла, которые действуют как выключатели и включаются или выключаются только в присутствии магнитного поля.В следующем разделе мы увидим, как датчик реагирует на присутствие наших магнитов.

Тестирование датчика Холла

Давайте сначала проверим, как работает датчик. С помощью макета подключите 5V к контакту напряжения питания, заземлению и к выходному контакту, подключите либо датчик осциллографа, чтобы наблюдать изменение напряжения, либо мы можем использовать мультиметр в режиме напряжения, чтобы наблюдать изменение напряжения.

Если магнит отсутствует, выходное напряжение составляет около 2.5В . С одной стороны магнита, когда магнит приближается к датчику, напряжение уменьшается. Если вы перевернете магнит и поднесете его ближе к датчику, вы увидите увеличение выходного напряжения. Обратите внимание, какая сторона вызывает снижение напряжения. Это может помочь сделать отметку постоянным маркером, что будет полезно в нашем следующем тесте.

Примечание: Магниты, используемые на фотографиях, круглые, имеют размеры около 0,5 дюйма в диаметре и 0,1 дюйма в высоту, но квадратные магниты также будут работать.Важно то, что они являются неодимовыми (иначе называемыми редкоземельными) магнитами.

Однако перед тем, как перейти к следующему тесту, нам нужно удлинить выводы нашего датчика, добавив немного провода. Рекомендуется добавить термоусадочные трубки вокруг каждого паяного соединения, чтобы они не закорачивались друг с другом, но небольшое количество изоленты вокруг проводов также будет работать. На изображении ниже датчик имеет красный провод для подачи положительного напряжения, черный для отрицательного и желтый провод для аналогового выхода.

Пока паяльник горячий, сейчас также самое время припаять провод к катушке индуктивности. Использование разных цветов для двух выводов индуктора может помочь в устранении неисправностей в дальнейшем.

Построение схемы управления

Как упомянуто в Основах теории, важно, чтобы магнит располагался достаточно близко к магнитному полю индуктора, чтобы он мог взаимодействовать с магнитом, но не настолько близко, чтобы собственное магнитное поле магнита могло тянуться до индуктор независимо от мощности.Нам нужен способ управления индуктором, чтобы когда магнит находился слишком далеко, индуктор притягивал магнит ближе, но выключался, когда он подходил слишком близко, так что гравитация все еще могла оттянуть его вниз.

Прежде чем мы начнем подключать электронику, необходимо сделать подставку для удержания индуктора над землей. В этом руководстве не будет рассказано о создании подставки, но ниже приведена фотография подставки, используемая для справки. Индуктор висит около 5 дюймов над столом, и 8-32 болта (~ 1.5 дюймов в длину) и гайка используются для крепления индуктора к подставке.

Совет: Убедитесь, что магнит прилипает к болту. Железный материал болта будет «фокусировать» магнитные силовые линии на индуктивности, и магнит будет тянуться к центру индуктора.

После установки индуктора нам необходимо прикрепить датчик эффекта Холла к головке болта. Если на датчике имеется какой-либо обнаженный металл, используйте кусок изоленты, чтобы изолировать датчик от болта, и закрепите датчик большим количеством изоленты, как показано ниже. Обратите внимание, что изогнутая сторона датчика направлена в сторону от индуктора.

Схема компаратора

Для управления индуктором мы будем использовать операционный усилитель в конфигурации, называемой компаратором, который сравнивает выходной сигнал датчика эффекта Холла с опорным напряжением, которое подключено к другому входному контакту. Опорное напряжение устанавливается с помощью потенциометра действует в качестве делителя напряжения — это создает регулируемое аналоговое напряжение между и 0В 5V .Напряжение потенциометра показывает, какое напряжение мы хотим, чтобы считывал датчик Холла, исходя из того, как далеко находится магнит.

В этой схеме используются две шины напряжения: 5 В, и , 12 В, . Рельса 12 подает питание на катушку индуктивности и ОУ, а 5V рельс используется для опорного напряжения и датчик Холла. Два источника питания идеальны, потому что, если шина 12 В переходит в режим ограничения тока, и напряжение падает, у датчика эффекта Холла не будет достаточно высокого напряжения, чтобы определить, когда магнит находится достаточно близко.Вы можете, однако, обойтись без единой шины питания, используя линейный стабилизатор напряжения LM7805. Если вы планируете использовать два блока питания, убедитесь, что соединяют заземление вместе , иначе цепь не будет работать правильно.

Примечание: Схема перечисляет U2 как SS494, но следует использовать SS496 и , так как он обладает большей чувствительностью, но распиновка такая же.

Схема цепи компаратора

Fritzing Image схемы компаратора

После того, как схема построена, мы будем использовать мультиметр для измерения напряжения на неинвертирующем входе (вывод 2 операционного усилителя) и поворачивать ручку потенциометра, пока она не покажет 0 В .Далее мы разместим магнит на расстоянии около 2 см от датчика или примерно на толщину большого пальца. По сути, магнит должен находиться в «приятном месте» — положении, находящемся немного дальше, чем положение, в котором магнит хочет тянуться сам по себе и прилипать к индуктору.

Глядя на выходное напряжение операционного усилителя (вывод 1), он должен показывать 9-12 В . С магнитом еще в положении, мы будем медленно поворачивать потенциометр и увеличивать опорное напряжение, пока мы не видим изменения напряжения от 12V до 0В .Немного переместив магнит вверх и вниз, вы должны изменить мощность операционного усилителя с высокого на низкий и с низкого на высокий.

Компаратора пытается сохранить напряжение между входными выводами равен и вождением высокого выходной или низким, так что значение датчика соответствует опорному значению. На следующем шаге мы подключим наш индуктор к выходу операционного усилителя и попытаемся заставить магнит левитировать!

Левитирующий Магнит

Теперь, когда мы понимаем, как компаратор будет управлять индуктором, давайте попробуем поднять магнит.Операционные усилители хороши для управления сигналами, но для более крупных современных приложений, таких как это, нам нужно будет использовать mosfet. Отключите питание в цепи, которую мы создали в последнем разделе, и подключите следующую цепь. Убедитесь, что не пропустите диод! Когда катушка индуктивности отключается, создаваемое ею магнитное поле разрушается, что может привести к значительному всплеску напряжения и повредить мосфет. Схема показывает диод 1N4007, но диод 1N5401 должен работать лучше с всплесками тока обратной связи.

Схема цепи компаратора с индуктором

Fritzing Изображение схемы компаратора с индуктором

С силой выключен, включите ручку потенциометры все пути в одну сторону, так что опорное напряжение устанавливается на 5V . Затем включите питание и убедитесь, что выходной сигнал операционного усилителя составляет 0 В . Расположите магниты между большим и средним пальцами, как показано ниже.Ваш большой палец сможет поймать магнит, если его подтянуть к катушке индуктивности, а ваш средний палец там, чтобы сбалансировать магниты и поймать их, если магниты упадут.

С другой рукой, медленно уменьшение опорного напряжения. Когда вы приблизитесь к точке перехода из здания цепи управления, магниты должны начать подниматься. Если магниты подскочат к большому пальцу, снова увеличьте напряжение, а затем повторите попытку. При некоторой практике и небольших, но точных движениях магниты должны быть в состоянии левитации.

Совет: Если магнит пытается перевернуться так, чтобы метка на магнитах указывала в сторону от индуктора, магнитные поля были одинаковыми и отталкивали друг друга. Обратное подключение проводов к индуктору решит эту проблему.

Возможность считывания тока с источника питания 12 В — хороший способ узнать, где находится точка левитации. Когда магнит находится слишком близко, ток должен быть менее 10 мА. С магнитами, которые я использую, величина используемого тока составляет около 80 мА, и я могу подняться в окне на расстоянии 2-3 см от индуктора.Немного потренировавшись, вы сможете заставить свои магниты левитировать!

Wireless Power

Если левитировать магнит недостаточно круто, вы можете добавить еще больше сложности, добавив светодиод с беспроводным питанием. Этот шаг требует еще нескольких инструментов, которые есть не у всех. Для этого раздела вам понадобится следующее:

Сборка передающей катушки

Индуктор, используемый для поднятия магнитов, обеспечивает только достаточную мощность для удержания магнита на месте.Для беспроводной передачи энергии нам понадобится второй индуктор, который мы будем наматывать, используя магнитный провод. Магнитный провод — это тонкий провод с еще более тонким изолирующим слоем. Это позволяет катушкам проводов становиться еще ближе друг к другу и увеличивает создаваемую индуктивность по сравнению с тем же числом витков нормально изолированного провода.

Беспроводная передача энергии работает на том же принципе, что и трансформатор, где один индуктор индуцирует ток на другом индукторе, за исключением того, что вместо железного сердечника для соединения потока от одного индуктора к другому используется воздух, подобный тесла катушки.Одна из проблем беспроводной передачи энергии заключается в том, что она очень неэффективна. Первичная сторона трансформатора будет использовать много энергии для генерации небольшого количества энергии на вторичной обмотке.

Создание Первоначального

Первичный элемент изготовлен из 25 витков магнитного провода 30 калибра с центральным диаметром 1 дюйм. Поскольку инженеры не способны что-либо выбрасывать, я использовал пустую катушку для проволоки с одним отрезанным концом, чтобы соскользнуть с провода магнита.

Чтобы катушка не разматывалась, вы можете отрезать небольшой кусочек дополнительного магнитного провода и обмотать его вокруг первичной обмотки с двух сторон, чтобы она сохраняла свою форму.Эмалевое покрытие на проволоке затрудняет прилипание припоя к проволоке. Так что с небольшим количеством наждачной бумаги отшлифуйте часть эмали, чтобы можно было припаять на пару контактов, как показано ниже, или припаять провод прямо к катушке, чтобы добраться до макета.

Создание вторичного

Вторичная сторона была сделана таким же образом, за исключением того, что на этот раз использовалось 100 витков магнитного провода вместе с диодом и двумя конденсаторами для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока для светодиода. Обратитесь к схеме ниже.

Схема для создания беспроводной передачи энергии Вторичный

Отрежьте несколько дополнительных кусков магнитного провода, чтобы скрепить вторичную, как это было сделано с первичной. На этот раз отрежьте большие куски, чтобы обвести радиатор светодиода и удерживать его в центре вторичной обмотки. Кусок двухсторонней ленты использовался для крепления магнитов к нижней части светодиодного радиатора. При размещении магнитов убедитесь, что метка на магнитах направлена в сторону от светодиода.


Собранный вторичный — верх	Собранный вторичный — низ

Сборка основного драйвера и тестирование

Для того, чтобы индуцировать ток через вторичную катушку, нам нужно генерировать сигнал переменного тока, используя функцию или генератор частоты, который позволит нам найти лучшую частоту для использования с этими индукторами, которые мы сделали.Как и в случае с операционным усилителем для схемы левитации, функциональный генератор не может подавать очень большой ток, поэтому нам нужно использовать другой mosfet для управления нашей первичной катушкой. Схема довольно простая, с прямоугольным входным сигналом, имеющим амплитуду 5 В и смещение постоянного тока 2,5 В (мы хотим получить прямоугольную волну, которая поднимается до 5 В и понижается до 0 В). Обязательно прикрепите радиатор к этому mosfet, так как они очень горячие, довольно быстро.

Чтобы найти лучшую частоту для использования, я использовал свой измеритель LCR, который может измерить индуктивность моей вторичной катушки, наряду с получением точного значения для C1 из схемы, и вычислил резонансную частоту около 80 кГц.Существует баланс между частотой и потреблением тока от источника питания. Чем ниже частота, тем ярче будет светодиод, но эффективность будет крайне низкой, и мосфет, управляющий первичной катушкой, будет сильно нагреваться. Лучший подход к этой проблеме — определить, какую частоту вы можете использовать и при этом иметь достаточную яркость светодиодов.

Присоединение первичной обмотки к левитирующему индуктору

Теперь, когда беспроводная передача энергии работает, пришло время подключить основной индуктор беспроводной мощности к индуктору левитации.Немного изолентой прикрепите индуктор 25 витков, который мы сделали, к нижней части индуктора левитации, где находится датчик эффекта Холла.

Нахождение нового расстояния левитации

Вес светильника и магнитов теперь значительно тяжелее, чем с одними магнитами. С беспроводной мощностью первичной отсоединена от остальной части схемы, с помощью потенциометра опорного напряжения для регулировки расстояния левитации. Из-за массы магниты должны быть значительно ближе, около 1 см.Понижение напряжения на потенциометре уменьшит расстояние левитации. Как только у вас будет светиться свет, вы можете снова подключить первичное устройство и включить и выключить выход функционального генератора для управления светодиодом.

Я упоминал ранее, что это было неэффективно. Но насколько неэффективно? Я измерил ток около 50 мА, а напряжение на светодиоде было 2,72 В, поэтому схема получает мощность около 136 мВт. Источник питания установлен на 12 В, а при включенном магните и включенном свете схема потребляет 886 мА или 10.6 Вт, что составляет КПД 1,3%. Справедливости ради следует отметить, что схема левитации потребляет около 450 мА, поэтому эффективность беспроводной передачи энергии в действительности составляет около 2,5%. Теперь, когда мы знаем, на какой частоте может работать наша беспроводная схема питания, генератор функций можно заменить новой схемой, использующей таймер 555 для генерации прямоугольного сигнала.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Одним из способов дальнейшего развития этого проекта является повышение эффективности беспроводной передачи энергии.Если у вас есть доступ к измерителю LCR, который может измерять индуктивность, емкость, а также сопротивление, вы можете найти точные значения L1 и C1 вторичных обмоток и подать их в LC-резонансный калькулятор. Как только вы узнаете резонансную частоту вторичной обмотки, вы можете измерить индуктивность первичной катушки и заставить калькулятор возвращать значение емкости. Добавление этого конденсатора параллельно первичному индуктору и настройка генератора сигнала на эту частоту должны повысить эффективность.Но пока, проверьте некоторые ссылки ниже:

Нужно больше вдохновения? Посмотрите эти другие замечательные учебники от SparkFun:

MicroView Цифровой компас

Создайте портативный цифровой компас с помощью SparkFun MicroView и магнитометра MAG3110.

RedBoard Santa Trap

Веселый праздничный проект для тех, кто хочет поймать Санту на Рождество!

Беспроводной RC Робот с Arduino и XBees

В этом уроке мы расширим SIK для RedBot для беспроводного управления роботом с помощью радиоприемников XBee! Мы будем исследовать другой микроконтроллер и дистанционно управлять RedBot.

Найдены возможные свидетельства способности человека обнаруживать магнитное поле Земли.

Схематическое изображение линий невидимого магнитного поля, генерируемых Землей, представленных в виде дипольного магнитного поля. На самом деле наш магнитный экран прижат ближе к Земле со стороны, обращенной к Солнцу, и чрезвычайно вытянут по ночной стороне из-за солнечного ветра. Предоставлено: НАСА.

(Phys.org) — ученый, посвятивший значительную часть своей жизни доказательству или опровержению представления о том, что люди способны обнаруживать магнитное поле Земли и реагировать на него, выступил с докладом на встрече этого года в Королевском институте Навигация в Лондонском университете предполагает, что он нашел доказательства того, что это правда.Джо Киршвинк из Калифорнийского технологического института сообщил, что эксперименты, которые он и его коллеги проводили, показали воспроизводимые изменения в мозговых волнах добровольцев, которые сидели в камере с магнитным управлением.

За прошедшее столетие ученые обнаружили, что у других животных действительно есть магнитные датчики и что они реагируют на них — птицы в полете используют магнитное поле Земли, по крайней мере частично, в качестве компаса, собаки ориентируются на север / юг для мочеиспускания.Список примеров вырос довольно обширный, но одна проблема все еще остается — никто не смог понять, как это происходит. Ученые сузили возможности, которые Эрик Хэнд пишет в двух обширных новостных статьях на эту тему в последнем номере журнала Science , одна из которых называется «Модель магнетита» и основана на идее, что магнетит существует в организмах живых организмов. может быть потянуто магнитным полем Земли, контролируя нейронные схемы. Другая называется криптохромной моделью и основана на идее о том, что хриптохромы в сетчатке превращаются в молекулы радикальной пары под действием солнечного света и переворачиваются между состояниями при воздействии магнитного поля Земли.Киршвинк, Хэнд, отмечает, считает, что первое является наиболее вероятной возможностью, хотя его задача состояла не в том, чтобы выяснить, как это может работать, а в том, чтобы показать, что это работает на людях.

Чтобы достичь этой цели, Киршвинк и его команда построили клетку Фарадея — корпус, достаточно большой, чтобы в нем мог сидеть один человек, и вокруг его стен размещены катушки, которые предотвращают влияние магнитного поля Земли и любого другого магнитного поля, будь то естественное или антропогенные. Клетка также позволяет генерировать магнитное поле и учитывать магнитное поле Земли по команде.Добровольцы, сидящие в кресле в клетке, были прикреплены к ЭЭГ-аппаратуре, которая измеряла альфа-волны мозга.

Клетка позволяет исключить все источники стимулов для воздействия на мозговую активность человека. Человек сидит один в темноте, пока исследователи манипулируют магнитным полем вокруг него. Киршвинк сообщил в своем выступлении, что он смог зафиксировать измеримое, и что более важно, воспроизводимое изменение активности альфа-волн мозга у людей на основе изменений, внесенных в магнитное поле вокруг них.И он сделал это, используя клетку в двух разных местах, один в Калифорнии, а другой в лаборатории в Японии. Он признал, что размер выборки был небольшим, и что необходимо проделать дополнительную работу, которая когда-нибудь приведет к работе, — но он надеется, что наконец доказал, что у людей действительно есть магнитные датчики.

Новости о светозависимом магнитном компасе птиц

Дополнительная информация: Эрик Хэнд.Скрытый компас тела — что это такое и как оно работает ?, Science (2016). DOI: 10.1126 / science.aaf5804

Эрик Хэнд. Ученый Маверик считает, что он открыл магнитное шестое чувство в людях, Science (2016). DOI: 10.1126 / science.aaf5803

Цитирование : Найдены возможные доказательства способности человека обнаруживать магнитное поле Земли (28 июня 2016 г.) извлечено 1 августа 2020 г. с https: // физ.орг / Новости / 2016-06-доказательные люди-способность околоземная magnetic.html

Шипучий новый способ обнаружения магнитных полей нанометровых частиц

Как если бы они были пузырьками, расширяющимися в только что открытой бутылке шампанского, крошечные круглые области магнетизма можно быстро увеличить, чтобы обеспечить точный метод измерения магнитных свойств наночастиц.

Методика, не связанная с исследователями из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их сотрудниками, обеспечивает более глубокое понимание магнитного поведения наночастиц.Поскольку метод быстрый, экономичный и не требует особых условий — измерения могут проводиться при комнатной температуре и при атмосферном давлении или даже в жидкостях — он предоставляет производителям практический способ измерения и улучшения контроля свойств магнитных наночастиц для множество медицинских и экологических приложений.

Крошечный магнитный стержень помещен над полосой магнитной пленки. Этот наностержень имеет особую магнитную ориентацию и дополнительное поле, которое взаимодействует с пленкой, создавая область в форме пузыря, где направление магнетизма меняется на противоположное.Применяя второе магнитное поле, исследователи могут изменить магнитную ориентацию наностержня, заставляя магнитный пузырь перемещаться от одного конца стержня к другому. Измерение местоположения пузыря может дать ученым понимание геометрии и магнитных свойств наностержня и выявить, является ли он одним или кластеризованным с другими наночастицами. Предоставлено: S. Kelley / NIST

. Магнитные наночастицы могут служить крошечными исполнительными механизмами, магнитно толкающими и притягивающими другие мелкие объекты. Опираясь на это свойство, ученые использовали наночастицы для очистки от разливов химических веществ, а также для сборки и эксплуатации нанороботических систем.Магнитные наночастицы даже способны лечить рак — быстрое изменение магнитного поля наночастиц, введенных в опухоль, генерирует достаточно тепла, чтобы убить раковые клетки.

Отдельные магнитные наночастицы генерируют магнитные поля, такие как северный и южный полюсы знакомых стержневых магнитов. Эти поля создают магнитные пузырьки — плоские круги с начальными диаметрами менее 100 нанометров (миллиардных долей метра) — на поверхности магниточувствительной пленки, разработанной в NIST.Пузырьки окружают полюс наночастиц, который направлен против направления магнитного поля пленки. Хотя они кодируют информацию о магнитной ориентации наночастиц, крошечные пузырьки нелегко обнаружить с помощью оптического микроскопа.

Однако, как пузырьки в шампанском, магнитные пузырьки могут быть увеличены в сотни раз по сравнению с их первоначальным диаметром. Применяя небольшое внешнее магнитное поле, команда увеличила диаметр пузырьков до десятков микрометров (миллионных долей метра) — достаточно больших, чтобы их можно было увидеть с помощью оптического микроскопа.Более яркий сигнал увеличенных пузырьков быстро выявил магнитную ориентацию отдельных наночастиц.

После определения начальной магнитной ориентации наночастиц, исследователи использовали увеличенные пузырьки для отслеживания изменений в этой ориентации при приложении внешнего магнитного поля. Регистрация силы внешнего поля, необходимого для переворота северного и южного магнитных полюсов наночастиц, выявила величину коэрцитивного поля, фундаментальной меры магнитной стабильности наночастиц.Это важное свойство ранее было сложно измерить для отдельных наночастиц.

Сэмюэль М. Стейвис из NIST и Эндрю Л. Балк, которые проводили большую часть своих исследований в Лос-Аламосской национальной лаборатории и NIST, вместе с коллегами из NIST и Университета Джона Хопкинса, описали свои выводы в недавнем выпуске Physical Review Применено .

Команда исследовала два типа магнитных наночастиц — частицы в форме стержней, изготовленные из никель-железного сплава, и кластеры частиц неправильной формы, изготовленные из оксида железа.По словам Балка, приложенное магнитное поле, расширяющее пузырьки, играет роль, аналогичную давлению в бутылке шампанского. Под высоким давлением, когда бутылка с шампанским закупоривается, пузырьки по существу не существуют, так же как магнитные пузырьки на пленке слишком малы, чтобы их можно было обнаружить с помощью оптического микроскопа, когда внешнее магнитное поле не приложено. Когда пробка лопается и давление понижается, пузырьки шампанского расширяются, так же как внешнее магнитное поле увеличивало магнитные пузырьки.

Каждый магнитный пузырь раскрывает ориентацию магнитного поля наночастицы в тот момент, когда пузырь сформировался. Чтобы изучить, как ориентация менялась со временем, исследователи генерировали тысячи новых пузырьков каждую секунду. Таким образом, исследователи измерили изменения магнитной ориентации наночастиц в момент их возникновения.

Чтобы повысить чувствительность метода, исследователи настроили магнитные свойства пленки. В частности, команда скорректировала взаимодействие Дзялошинского-Мории (DMI), квантово-механическое явление, которое вызывает закручивание пузырьков в пленке.Этот поворот уменьшил энергию, необходимую для образования пузыря, обеспечивая высокую чувствительность, необходимую для измерения поля самых маленьких магнитных частиц в исследовании.

Другие методы измерения магнитных наночастиц, которые требуют охлаждения жидким азотом, работы в вакуумной камере или измерения поля только в одном месте, не позволяют такого быстрого определения наноразмерных магнитных полей. С новой техникой, команда быстро визуализировала магнитные поля от частиц на большой площади при комнатной температуре.Повышение скорости, удобства и гибкости позволяет проводить новые эксперименты, в которых исследователи могут отслеживать поведение магнитных наночастиц в режиме реального времени, например, во время сборки и эксплуатации магнитных микросистем со многими деталями.

Исследование является самым последним примером постоянной работы NIST по созданию устройств, улучшающих измерительные возможности оптических микроскопов, инструмента, доступного в большинстве лабораторий, сказал Ставис. Это позволяет быстро измерять свойства отдельных наночастиц как для фундаментальных исследований, так и для производства наночастиц, добавил он.

Бумага: А. Л. Балк, И. Гилберт, Р. Ивков, Дж. Унгурис и С.М. Stavis. Пузырьковая магнитометрия неоднородности и взаимодействия наночастиц. Прикладной физический обзор . Опубликовано в Интернете 7 июня 2019 года. DOI: 10.1103 / PhysRevApplied.11.061003