LernJob Naturwissenschaften - Physik Funktion einer Magnetfeldsensors

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1 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) U H in mv

2 Station A Magnetfeld einer Spule Das Magnetfeld einer Spule wird durch die Gleichung B = µ 0 µ R I / L beschrieben. Hierbei sind µ 0 die magnetische Feldkonstante, µ R 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 Verbindungskabel Spule (300 Wdg. Oder 150 Wdg.) mit Weicheisenkern Spannungsversorgung 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] B 300 [Gs] B 150 [Gs]

3 Station B Abstandsgesetz Permanentmagnet Die Magnetfeldstärke B [T] eines Permanentmagneten in Abhängigkeit des Abstandes d [m] wird näherungsweise durch die Gleichung B ~ B 0 / d 2 beschrieben. Sie sollen das entsprechende Gesetz verifizieren. Materialien µcontroller mit LCD-Shield Neodym Magnet (Ø 2 cm) Halterung Lineal 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

4 Station C Funktion einer Hallsonde Mit einer Hallsonde, welche den Halleffekt nutz, kann man indirekt über die Hallspannung U H [V] die Feldstärke B [T] eines Magneten, einer Spule etc. messe. Die Hallspannung ergibt sich hierbei zu U H = R H I / d B Folgend sollen Sie erarbeiten, wie eine Hallsonde funktioniert. 1. Lesen Sie in Ihrem Lehrbuch das Kapitel zum Halleffekt. 2. Zeichnen Sie in die untere Abbildung den Stromfluss I, die Kraftwirkung F L 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 U H (+/-) 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.

5 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 B 1 und B 2 erarbeiten sowie ergänzen. 1. Erarbeiten Sie auf Grundlage der Kennlinie einer Hallsonde (Diagramm 2) eine Gleichung zur Berechnung der magnetischen Feldstärke B 1 (U H ) ausgehend von der gemessenen Hallspannung U H. Diagramm Kennlinie Hallsonde Honeywell SS 466 A Diagramm 1 PAP Hallsonde Start Setup Ports einrichten A/D Port D2 +5V Sensor Port A5 Ausgabe LCD (1, 0) Hallsonde Ende Start Schleife Sensor-Port auslesen Wert = Sensor Port A5 Spannung berechnen U H = 5000 mv / 1024 x Wert Feldstärke berechnen B 1 = 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 B 2 (B 1 ) an, mit deren Hilfe man Gauss [Gs] in Tesla [mt] umrechnen kann. Feldstärke berechnen B 2 = in mt Ausgabe LCD (1, 1) Feldstärke B 1 & B 2 Warten 500 ms Ende