Aufgabenblätter - BBS

▌LernJob Naturwissenschaften - Physik
Funktion einer Magnetfeldsensors
Lernbereich: 5. Felder als Modell zur Beschreibung elektromagnetischer Phänomene nutzen
Zeitrichtwert: 90 Minuten
Index: BGY
PH 5.3.2c
Kompetenzen: F4, E9 und K5
Mit Hilfe dieses LernJobs können Sie die Funktion eines Magnetfeldsensors, auch Hallsonde genannt, erarbeiten
Weiterhin können Sie die Gesetze zum magnetischen Feld einer Spule und
das Abstandsgesetz eines Permanentmagneten verifizieren.
Lernauftrag
1. Bilden Sie Teams von drei bis vier Lernern und bearbeiten Sie die folgenden Stationen:
A) Magnetfeld einer Spule.
B) Abstandsgesetz Permanentmagnet
C) Funktion einer Hallsonde.
D) Programmablaufplan µController
Der Zeitrichtwert für die Bearbeitung einer Station beträgt 20 Minuten.
2. a) Tauschen Sie Sie sich im Plenum über die erarbeiteten Ergebnisse
aus. Jeweils eine Gruppe sollte die Ergebnisse einer Station präsentieren.
b) Klären Sie offene Fragen und Probleme mit Ihrem Lehrer.
Tastenbelegung LCD Shield
UP Kalibrierung der Hallsonde
Down Wechsel der Displayanzeige zwischen
 B in Gs (Gauss) und mT
 Nord / Süd (Pole)
 UH in mV
Grabe / 2016
Station A
Magnetfeld einer Spule
Das Magnetfeld einer Spule wird durch die Gleichung
B = µ0 ∙ µR ∙ I / L
beschrieben. Hierbei sind µ0 die magnetische Feldkonstante, µR die Permeabilität eines Stoffes, I der Strom durch die Spule und L die Spulenlänge.
Sie sollen das Gesetz B ~ I zum Magnetfeld einer Spule durch ein Experiment
verifizieren.
Materialien
 µController mit LCD-Shield
 Hallsonde
 Spule (300 Wdg. Oder 150 Wdg.)
mit Weicheisenkern
 Verbindungskabel
 Spannungsversorgung
Auftrag
1. Bauen Sie den Versuch entsprechend der Abbildung auf. Die Hallsonde ist
mit Klebeband flach auf die Stirnseite des Weicheisenkerns zu befestigen.
2. Messen Sie die mag. Feldstärke B(I) [Gs]
in Abhängigkeit des Stromes I [A] und stellen Sie diese in einem Diagramm dar.
3. Verifizieren Sie das Gesetzt zur Feldstärke
eines Spule.
Tabelle A Feldstärke einer Spule
I [A]
B300 [Gs]
B150 [Gs]
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
Grabe / 2016
Station B
Abstandsgesetz Permanentmagnet
Die Magnetfeldstärke B [T] eines Permanentmagneten in Abhängigkeit des
Abstandes d [m] wird näherungsweise durch die Gleichung
B ~ B0 / d2
beschrieben. Sie sollen das entsprechende Gesetz verifizieren.
Materialien
 µController mit LCD-Shield
 Halterung
 Neodym Magnet (Ø 2 cm)
 Lineal
Auftrag
1. Bauen Sie den Versuch entsprechend der unteren Abbildung auf.
2. Messen Sie die mag. Feldstärke B(d) [Gs] in Abhängigkeit des Abstandes d [m].
3. Stellen Sie den Ausdruck 1/√B in Abhängigkeit des Abstandes d in einem
Diagramm dar.
4. Verifizieren Sie das Gesetzt zur Feldstärke eines Permanentmagneten.
Tabelle B Feldstärke einer Spule
d [m]
B [Gs]
1/√B
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
Grabe / 2016
Station C
Funktion einer Hallsonde
Mit einer Hallsonde, welche den Halleffekt nutz, kann man indirekt über die
Hallspannung UH [V] die Feldstärke B [T] eines Magneten, einer Spule etc.
messe.
Die Hallspannung ergibt sich hierbei zu
UH = R H ∙ I / d ∙ B
Folgend sollen Sie erarbeiten, wie eine Hallsonde funktioniert.
Auftrag
1. Lesen Sie in Ihrem Lehrbuch das Kapitel zum Halleffekt.
2. Zeichnen Sie in die untere Abbildung den Stromfluss I, die Kraftwirkung FL
auf die Ladungen und die Bewegungsrichtung der Ladungen aufgrund des
Halleffektes ein.
Tragen Sie weiterhin die aus der Bewegung der Ladungen resultierende
Richtung der Hallspannung UH (+/-) in die Abbildung ein.
3. Beschreiben Sie in eigenen Worten, wie eine Hallsonde funktioniert .
4. Begründen Sie, warum eine Hallsonde unterschiedliche Feldstärken anzeigt, wenn man diese an fester Position im Magnetfeld eines Permanentmagneten dreht.
Video
zur Funktion einer Hallsonde
von The Simple Physics
Hinweis: Die Stromrichtung ist in
dem Video falschherum dargestellt.
Grabe / 2016
Station D
Programmablaufplan µController
Das nebenstehende Diagramm zeigt den
Programmablaufplan zur Messung der
magnetischen Feldstärke unter Verwendung
eines µControllers und einer Hallsonde.
Folgend sollen Sie die notwendigen Gleichungen zur Berechnung der Feldstärken
B1 und B2 erarbeiten sowie ergänzen.
Diagramm 1 PAP Hallsonde
Start Setup
Ports einrichten
A/D Port D2 +5V
Sensor Port A5
Auftrag
1. Erarbeiten Sie auf Grundlage der Kennlinie einer Hallsonde (Diagramm 2) eine
Gleichung zur Berechnung der magnetischen Feldstärke B1 (UH) ausgehend
von der gemessenen Hallspannung UH.
Diagramm
Kennlinie Hallsonde Honeywell SS 466 A
Ausgabe LCD (1, 0)
Hallsonde
Ende
Start Schleife
Sensor-Port auslesen
Wert = Sensor Port A5
Spannung berechnen
UH = 5000 mV / 1024 x Wert
Feldstärke berechnen
B1 = … in Gs
Hinweis Gauss ist eine alte Einheit für
die magnetische Feldstärke, welche
1970 durch die SI-Einheit Tesla abgeschafft wurde.
2. Informieren Sie sich im Internet zur
Umrechnung von Gauss (Gs) in Tesla
[mT].
3. Geben Sie eine Gleichung B2 (B1) an,
mit deren Hilfe man Gauss [Gs] in Tesla [mT] umrechnen kann.
Feldstärke berechnen
B2 = … in mT
Ausgabe LCD (1, 1)
Feldstärke B1 & B2
Warten
500 ms
Ende
Grabe / 2016