Masurarea campului unui magnet permanent cu un osciloscop, o rigla si o bucata de sarma

[Vizitator]

Vroiam sa aflu campul magnetic, , aflat intre cele doua distantiere de metal de la modelul asta de magnet permanent:

 

 

Ideea a fost ca cele mai multe linii de camp ar trebui sa se gaseasca concentrate intre cele doua distantiere care unesc magneti, in timp ce la o departare mare, in exterior, campul este neglijabil.

 

Daca punem un senzor intre cele doua distantiere, senzorul va simti campul  pe care vrem sa il masuram.  Daca senzorul va fi scos dintre cele doua distantiere, si indepartat la o distanta cat mai mare (ideal la infinit), atunci campul magnetic vazut de senzor va fi zero.

 

Daca senzorul nostru e o bobina, atunci bobina va genera o tensiune in timp ce o scoatem afara din campul magnetic (daca o scoatem brusc dintre cele doua distantiere).

 

Bobina folosita aici are 17 spire facute din sarma de cupru izolat, recuperata de la un fost cablu de retea de calculator (LAN).  Firul alb-verde este cel care alcatuieste bobina.  Celalat fir, alb-albastru, este neconectat.  Alb-albastrul e pus acolo doar pentru pastrarea formei bobinei.

 

Bobina este mai intai pozitionata in intregime intre cele doua distantiere, apoi bobina este trasa brusc afara de tot, printr-o lovitura rapida aplicata firelor exterioare, alb si portocaliu, astfel incat sa o scoatem complet afara din campul magnetic aflat intre distantiere.

 

 

Din legea inductiei a lui Faraday, tensiunea indusa  intr-o bobina cu  spire este:

 

 

unde este fluxul magnetic

 

 

fiind campul magnetic, iar  este aria.  Combinand cele doua formule,

 

 

Daca integram tensiunea citita pe bobina pe toata durata de timp necesara scoaterii complete a bobinei in afara campului magnetic , obtinem

 

 

unde

este campul magnetic in exteriorul distantierelor, la distanta mare, deci zero

este campul magnetic  intre cele doua distantiere, adica valoarea pe care incercam sa o aflam.

 

Prin urmare,

 

 

Daca ne uitam cu un osciloscop la tensiunea generata de bobina in timp ce o scoatem din campul de intensitate necunoascuta  , atunci termenul  este exact aria formei de unda observata pe ecranul osciloscopului.  Am folosit un osciloscop digital, Rigol DS1054Z, care poate captura si memora forma de unda.  Osciloscopul poate calcula si afisa aria semnalului de pe ecran (care arie in cazul nostru este chiar valoarea numerica a integralei din ultima formula).

 

Conform ultimei formule pentru , indiferent de viteza cu care scoatem bobina afara din camp, si indiferent de forma de unda a tensiunii induse in bobina, aria semnalului vazut pe osciloscop va ramane aceeasi, fiind dictata doar de intensitatea campului magnetic initial, , care este constant.

 

-------------------------

 

Acum, sa verificam daca si in practica aria ramane intr-adevar neschimbata, asa cum am prevazut din formule.

 

Bagam bobina in camp, intre distantiere, si apoi o expulzam brusc afara in timp ce capturam pe osciloscop tensiune indusa in bobina.  Urmatoarele 3 capturi de ecran arata forma de unda pentru repetarea masuratorii de 3 ori.

 

 

 

 

Se observa ca aria este mereu aproape aceeasi, de aproximativ 355 microvolti secunda.  Deci, e asa cum am prevazut, aria ramane constanta, indiferent de viteza sau de traiectoria bobine! 

 

---------------------------

 

La o privire mai atenta a magnetului, se vede ca are cate o saiba distantiera intre magnet si fiecare traversa distantiera.

 

 

Sa scoatem saibele si sa masuram iar de 3 ori (in speranta ca fara saibe vom obtine un camp magnetic mai puternic):

 

 

 

 

Ciudat este ca de data asta campul magnetic pare sa fie ceva mai slab, nu stiu de ce.  Ceva idei de ce ar scadea?

 

------------------------------

 

Acum, sa bagam in ultima formula valorile masurate, si sa vedem pana la urma cati Tesla sunt intre cele doua dinstantiere:

 

B = 1/(17 spire * 3.14 * 0.01 m * 0.01 m) * 355E-06 V*s = 0.066470 Tesla = 66.5mT

 

E ceva!  66.5 mT nu e rau deloc pentru doi magneti asa mari si tari, cumparati de la LIDL cu mai putin 50 lei.

 

Daca ar fi sa folosim magnetii astia pentru un experiment de rezonanta magnetica nucleara (asta era motivul pentru care am vrut sa masor ), atunci frecventa de precesie Larmour pentru protonii din atomii de Hidrogen  ar fi de aproximativ 2.83 MHz, o frecventa rezonabila pentru un eventual experiment NMR folosind magnetii astia.

 

Asa, la mana, magnetul e foarte puternic atunci cand e folosit conform destinatiei lui de clema magnetica.  Odata lipit de ceva metalic e foarte, foarte greu de desprins.  Pe cutie scria ca e o clema magnetica ce poate tine fixate obiecte feroase de pana la 20 kg, pe post de clema de prindere, de exemplu in timpul montarilor sau al sudurii.

 

Demontat arata asa:

 

 

[Vizitator]

Subiectul topicului este interesant, dar nu sunt convins ca masurarea fluxului magnetic este de o mare acuratete. Acum vreo 10 ani am studiat si eu problema asta si dupa catva timp de experimente cu senzori Hall am decis ca mai bine cumpar un Gaussmeter decat sa pierd timpul degeaba. Problema cea mai mare este calibrarea. Un  magnet calibrat si o camera de zero Gauss sunt deja mai scumpe luate separat decat un aparat complet de masura.

Dupa cum vad in poza bobina nu este perpendiculara pe liniile de camp. Din cate stiu, sondele de masura a campului magnetic sunt axiale si transversale si pozitia acestora fata de liniile de camp magnetic influenteaza rezultatul masuratorii. 

 

[Vizitator]

53 minutes ago, der_doktor said:

Dupa cum vad in poza bobina nu este perpendiculara pe liniile de camp.

 

Bobina este perpendiculara pe liniile de camp la momentul de start.

 

Conteaza doar pozitia ei la start.  Pozitia de start este cu bobina complet introdusa intre cele doua platbande care unesc magnetii, si nu e aratata in poze.  In poza, bobina este intr-o pozitie intermediara intre locul de start si cel de stop.

 

Campul pe care il masoara este intre platbanda de sus si cea de jos, in spatiul pe unde este bagata si bucata de carton din poza.  Liniile de camp intre cele doua platbande sunt perpendiculare fata de bancul de lucru.

 

Metoda descrisa masoara campul aflat in zona de start.  Alte campuri intalnite pe drumul spre zona de stop nu conteaza.  Conteaza doar punctul de plecare si cel de sosrire, pentru ca un camp magnetic static este un camp conservativ (adica integrala circulara este zero, sau altfel spus, traseul nu conteaza, conteaza doar punctul de start si punctul de stop, iar cum la noi punctul de stop este mult in afara bancului de lucru, adica zero, atunci conteaza doar punctul de start).

 

Exact in asta consta ingeniozitatea metodei, traseul parcurs, sau viteza, sau inclinatia bobinei oriunde in afara punctului de pornire, nu conteaza.  Suprafata tensiunii induse va ramane aceeasi.

Bineinteles, exista multe metode si multe instrumente dedicate masuratorilor magnetice.  Despre precizie, a fost suficienta pentru ce vroiam sa aflu, si anume daca magnetii aia sunt suficient de puternici pentru experimente NMR.

[Vizitator]

Da, acum observ ca vrei sa masori intre platbenzi, dar nu sunt convins ca toate liniile de camp vor fi dirijate de la un magnet la celalalt, exista intotdeauna scapari, plus intra in calcul permeabilitatea magnetica a platbenzilor. De ce nu folosesti N52, sunt mult mai puternici decat ce ai tu acolo si nici nu mai sunt asa scumpi ca acum cativa ani.

[Vizitator]

Asa e, niste magneti mai puternici ar fi mai buni, dar cand am vrut sa comand erau foarte scumpi pentru dimensiuni asa mari.  Atunci, mi-am adus aminte de magnetii din clemele magnetice de la LIDL, pe care se intampla ca ii aveam deja in casa de mai demult.  Erau rezonabil de mari si, dupa ce am masurat, rezonabil de puternici pentru incercat DIY NMR (Nuclear Magnetic Resonance).

 

Din pacate, incercarea de NMR a fost un esec, probabil din cauza gaurii din centrul magnetilor.  Pentru NMR e esential sa fie campul extrem de uniform, altfel linia spectrala datorata rezonantei protonilor se lateste, dar energia din linia spectrala ramane aceeasi, adica amplitudinea scade, si semnalul provenit de la precesia Larmour devine mai mic decat nivelul de zgomot.  Inca nu stiu daca asta a fost motivul pentru care n-a mers, dar oricum e un experiment delicat, cu sanse mari de nereusita, si n-am curaj sa risc sute de lei pentru magneti, si sa constat ca tot nu merge.  Experimentul era doar de curiositate, nu vreu sa bag bani in el.

[Vizitator]

Acum vreo 5-6 ani am avut doi magneti industriali care ridicau fiecare o tona. Genul ala cu dispozitiv pentru blocare-deblocare mecanic, un maner. Sunt folositi in industrie pentru ridicat table, in general, avantajul fiind scurtarea timpului de lucru. I-am gasit cand am cumparat de la un neamt mai multe aparate de masura. Cand am vazut ce forta au, sincer acum, am cam inceput sa-i tratez cu respect. Din pacate nu-i mai am, i-am facut cadou unuia, deoarece ma cam incurcau, imi mancau spatiu degeaba si mereu trebuia sa fiu atent sa nu pun ceva pe langa ei. Se respingeau intre ei, probabil cu Nordul in jos amandoi. Ceva de genul asta:

https://tiger-lastaufnahmemittel.de/145/lasthebemagnete/lasthebemagnet-tpm