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zum
Abschnitt:
Hall-Effekt − Anwendungen Messung von Magnetfeldern −
Hallsonde Eine
erste Anwendung haben wir ja schon im Kapitel „Hall-Effekt“ er- wähnt,
nämlich das Ausmessen von Magnetfeldern. Man spricht dann von
einer Hallsonde. Diese wird
im Physik-Unterricht benötigt, um die Magnetfelder
von geraden Leitern und langen Spulen auszumessen. Ziel ist
es dabei, Formeln für diese Magnetfelder aufzustellen. Auch beim
Fadenstrahlrohr leistet die Hallsonde gute Dienste für die Be- stimmung
des Magnetfeldes der Helmholtzspulen. Alle
Lehrmittelfirmen stellen Hallsonden zur Verfügung, häufig in Ver- bindung
mit Verstärkern oder digitalen Messsystemen. Messung von
Magnetfeldern − Smartphone In
vielen Smartphones sind heutzutage zahlreiche Sensoren unterge- bracht.
Dazu zählt auch ein Magnetfeldsensor. Hinweis: Wer sich nicht sicher
ist, welche Sensoren sein Handy aufweist, kann eine ent-sprechende
App installieren, die die Sensoren auffindet. Im Smartphone
sind normalweise drei Hallplättchen enthalten, die alle
drei Richtungen des Raumes ausmessen. Die Anordnung ent- spricht
der Drei-Finger-Regel der rechten Hand. Die
folgende Abbildung zeigt das entsprechende Koordinatensystem der
Sensoren an.
Quelle: phyphox Durch
Verrechnungen innerhalb des Handys kann das Gesamtma- gnetfeld
und die NS-Richtung für z. B. eine Kompass-App bestimmt werden.
Es gibt auch Kompass-Apps, die die Deklination
bei der An- gabe
berücksichtigen. Dazu muss allerdings der Standort (GPS) be- kannt
sein. Die NOAA
stellt z.B. Werte für die Deklination für jeden Ort auf der Erde zur
Verfügung. Eine
gängige Software für die Darstellung der Messwerte wird von der RWTH
Aachen mit „phyphox“
kostenlos zur Verfügung gestellt. Hiermit lassen
sich ohne große Probleme viele Versuche in der Schule durch- führen,
so dass man nicht unbedingt noch eine teure Hallsonde von einer
Lehrmittelfirma kaufen muss. Experimente
mit phyphox: 1.) Messung
des Erdmagnetfeldes vor Ort: Unter
dem Menüpunkt „Magnetfeld“ werden die Rohdaten des Magne- tometers
ausgelesen. Es werden Angaben in der x-,y- und
z-Richtung gemacht. Hieraus kann auch der Betrag des Feldes bestimmt werden. Hinweis: Es gibt reichlich Informationen zu dieser App und
zur Verwendung im Modus „Magnetfeld“ im Internet. Wenn man
korrekte Werte für das Erdmagnetfeld haben möchte, sollte man zunächst
dafür sorgen, dass keine fremden Magnetfelder
Einfluss auf die
Messung nehmen, also z.B. in die freie Natur gehen. Man
richtet das Handy so ein, dass die x-Komponente möglichst den Wert
„Null“ anzeigt, dann gibt die y-Koordinate in waagerechter Lage (Wasserwaage
benutzen) die horizontale Magnetfeldkomponente und die
z-Koordinaten die vertikale Komponente an. Hieraus lässt sich der
Betrag und die Inklination
bestimmen. Beispiel
(Messung in Bielefeld): horizontal:
21 µT, vertikal: 46 µT
Wenn man
es geschickt anwendet, kann man Bgesamt
und die Inklina- tion
auch direkt messen (s. hierzu Video 4 von der Videoliste). 2.
Messung von Magnetfeldern bestimmter Aufbauten 2.1.
Magnetfeld eines langen Leiters
Da hier
auch Abstände gemessen werden, ist es wichtig zu wissen, wo sich das
Magnetometer genau im Handy befindet. Auf der phyphox-Seite findet man hierzu Hinweise (Link
zur Seite). Hieraus
stammt auch das folgende Video:
Quelle: phyphox Hinweis: man nimmt einen leicht magnetisierten kleinen Nagel Am Anfang
der Versuchsreihen sollte man zunächst wissen, wie groß das
Erdmagnetfeld vor Ort ist, damit dieses bei den eigentlichen Mes- sungen
herausgerechnet werden kann. In der
Videoliste zeigt Video 5 einen
solche Versuchsreihe. Hier geht es vor
allem um die Abhängigkeit von I. Es
wird aber auch die Magnet- feldrichtung
überprüft. Wenn
man, wie im Video 5, die Kabel auf dem Tisch befestigt, kann man
sicherlich über die z-Koordinate alle Messungen vornehmen. 1. Fall:
Richtung des Magnetfeldes Auf
beiden Seiten des Kabels messen. Es müssten sich z-Werte mit unterschiedlichem
Vorzeichen, aber gleichem Betrag, ergeben. Man muss
dabei den Abstand und die Stromstärke konstant halten. 2. Fall: Abhängigkeit vom Abstand: Bei I = konstant Messungen der z-Koordinate bei verschiedenen Abständen vornehmen. Auf den Ort des Magnetsensors achten! 3. Fall: Abhängigkeit von I: Das Handy in einem bestimmten Abstand vom Kabel befestigen und die Stromstärke I ändern. 2.2.
Magnetfeld einer langen Spule Hierzu
gibt es schon eine Versuchsanleitung
im Internet (PDF). Die Probleme werden in der PDF geschildert. Mit einer Batterie ist es nicht so einfach verschiedene Stromstärken einzustellen. Außer- dem wurde die Abhängigkeit von der Windungszahl n und der Länge l nicht untersucht. Dies dürfte aber bei entsprechender Wicklung ein- fach möglich sein. Bei den Materialen in einer Physiksammlung gibt es das Problem, Spulen zu finden, die den entsprechenden Durchmesser haben, um ein Handy hineinzulegen. Möglicherweise können dann die Messun- gen nur an den Enden der Spulen stattfinden (s. hierzu Video 10, nur Abhängigkeit von I). Zur Not muss man dann doch eine Hallsonde der Lehrmittelfirmen verwenden. Hinweis:
In der Videoliste zeigt Video 3
Messungen mit pyphox an einem selbstgebastelten Elektromagneten
in Spulenform. 2.3.
Magnetfeld einer Helmholtzspule Helmholtzspulen haben sehr große Durchmesser, so dass hier die Messung
mit einem Handy keine Probleme bereitet. In der Schule ist die
Spule auch nur im Zusammenhang mit dem Fadenstrahlrohr
von Interesse,
so dass man einmal die Homogenität zeigen sollte. Außer- dem
braucht man für die e/m−Messungen nur die Feldstärke innerhalb der Helmholtzspulen. Die Formel zur Berechnung des Magnetfeldes einer Helmholtzspule ist nicht Inhalt des Physikunterrichtes der Ober- stufe. 3. Messung von gleichförmiger Bewegungen Hierzu
benutzt man den Menüpunkt „Magnet-Lineal“. Es müssen mehrere
kleine Magnete in einem festen Abstand an einer Strecke angebracht
werden. Danach muss man das Handy gleichförmig an den
Magneten vorbeibewegen. Es wird dann die Geschwindigkeit an- gegeben.
Über den Magnetsensor werden die Zeitabstände gemes- sen, die das Handy braucht, um die Abstände zwischen den Magneten zurückzulegen. Den Ort der Magnete erkennt der Magnetsensor an einer deutlichen Zunahme des Magnetfeldes. Link: Infodatei zum Ablauf; Video 6 aus der Videoliste 4. Messung
von Drehfrequenzen Es
besteht die Möglichkeit die Drehfrequenz von rotierenden Magne-ten in einem extra Menüpunkt „Magnetfeld-Spektrum“ zu
bestimmen. Auch
Wechselstromfrequenzen sind „mit Einschränkungen“ messbar. Link: Infodatei
zum Ablauf, Video 7 und Video
8 (Videoliste) Resümee: die beiden letzten Experimentiermöglichkeiten sind wohl für die Schule eher nicht so interessant. Dafür könnten mit den ersten drei Experimenten zur Messung von Magnetfeldern sicherlich Kosten für teure Hallsonden eingespart werden. Hallsensor als
Schalterfunktion Digitale Hallsensoren 1.) Echte Schaltfunktion Eine häufige Anwendung findet der Hallsensor in einer Schalterfunk- tion. In diesem Fall wird z.B. ein Magnet an einem Hallsensor vorbei-geführt, so dass der Sensor einen Spannungsimpuls abgibt, der dann elektronisch verstärkt zu einer Reaktion führt. Es werden hier digitale Hallsensoren verwendet, die nur zwei Schaltzustände haben: ein oder aus; also Impuls oder kein Impuls. Dies wird durch elektronische Zu- sätze erreicht. Beispiele: 1.) Ein ganz einfaches Beispiel ist das
Einschalten des Energiespar- modus bei einem Handy, wenn die Lederhülle zugeklappt wird. Hierzu kann man in der Lederhülle einen kleinen Magneten platzieren, der beim Zuklappen genau auf das Magnetometer trifft und so den Hall- impuls aktiviert. 2.) Es gibt sehr viele Anwendungen in Automobilen (s.unten). Mit Hallsensoren wird z.B. kontrolliert, ob Autotüren verschlossen sind. Sehr wichtig ist auch, ob der Sicherheitsgurt eingerastet hat. Hierzu ein Ausschnitt aus einem Video:
Ausschnitt aus Quelle: Videoliste Video 1 Man kann den Hallsensor auch für die Zündung von Motoren ein-setzen, wie folgende Bilder zeigen. Der Zündverteiler muss dann natürlich über die Motorposition (Kurbelwelle) gesteuert werden. Abbildung: Hallgeber im T4 Bulli:
Hinweise:
1.) :auf
T4-Wiki findet man noch weitere
Infos zum
Hallgeber
2:) eine Animation ist hier
zu finden 3.) viele Informationen zum Zündverteiler
unter wikipedia Der
Hallgeber muss auch nicht unbedingt in einem Zündverteiler untergebracht
sein, sondern kann auch irgend- wo am
Motor eingebaut sein (s. wikipedia) Folgende Videos und Abbildungen zeigen noch weitere Anwendungen als Schalter:
2.
Drehzahlmesser Die Schalterfunktion kann auch komplexer angewendet werden, z.B. als Drehzahlmesser, wobei Schaltzustände zeitlich gemessen werden. Hier ein einfaches Beispiel aus wikipedia:
Quelle: wikipedia Auf einer sich drehenden Scheibe sind zwei Magnete angebracht. So- bald der Magnet in die Nähe des Hallsensors gelangt, wird ein Impuls registriert. Wenn man jetzt die Anzahl der Impuls pro Zeiteinheit (z.B. pro Minute) zählt, kann man etwas über die Drehzahl bzw. Frequenz aussagen. Man könnte auch auf Geschwindigkeiten schließen, also eine Tachoanwendung konstruieren. Die Aufbauten können ganz unterschiedlich aussehen. Es kann die ganze Scheibe mit Magneten belegt sein (s. Video 1) oder man hat einen Zahnkranz aus ferromagnetischem Material, vor dem ein „vorgespannter“ Hallsensor steht. „Vorgespannt“ bedeutet, dass die ganze Zeit schon ein Magnet auf den Sensor einwirkt und durch den Zahnkranz nur Änderungen dieses Magnetfeldes stattfinden, die sich dann in einer Spannungsänderung niederschlagen (s. Video 2). Diese Drehzahlmessung findet im Auto vor allem beim ABS seine Anwendung. Hier drei Videos zum Thema:
Wie im dritten Video zum Fensterheber schon erwähnt wird, braucht man zwei Hallsensoren, wenn man neben der Drehzahl auch die Drehrichtung bestimmen will. Dies ist in den folgenden beiden Videos noch einmal dargestellt:
3. Bürstenloser Gleichstrommotor Als letzte Anwendung zur Schaltfunktion, also zur Anwendung digitaler Hallsensoren mit zwei Zuständen, soll noch die Positionsbestimmung oder Kommutierung beim bürstenlosen Gleichstrommotor erwähnt werden. Was ist überhaupt ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor)? Bürstenlos heißt, dass der Motor ohne Kohlebürsten auskommt. Ein drehbarer Rotor aus einem oder mehreren Permanentmagneten wird durch ein wanderndes Magnetfeld angetrieben. Dieses Magnetfeld wird durch Spulen erzeugt, die den Rotor auf einem festen Stator um- geben. Diese Spulen müssen natürlich entsprechend gesteuert wer- den, dass immer eine anziehende Wirkung auf den Magneten ausge- übt wird, damit die Drehung stattfindet. Der Stator kann sowohl innen als auch außen angebracht sein. Um die Spulen zum richtigen Zeit- punkt einzuschalten, sind 3 Hallsensoren über den Stator verteilt, die die Position der Dauermagneten feststellen und damit die Spulen steuern. Hierzu folgende Videos:
Analoge Hallsensoren 1.) Winkel
und Positionsmessung Neben den digitalen Hallsensoren gibt es auch viele Anwendungen für analoge Hallsensoren. Bei diesen werden alle möglichen Spannungs- zustände gemessen. Diese hängen ja (s .Formeln) von der Magnet- feldstärke B ab. Am einfachsten baut man einen Hallsensoren mit drei Hallplatten, die senkrecht zueinander liegen, also wie im Handy. Hier haben wir ja schon gesehen, dass mit Hilfe der App. „phyphox“ alle möglichen Messungen möglich sind. Man kann hiermit jetzt vor allem Positionsbestimmungen vornehmen, und zwar in allen drei Dimensionen, sowohl im 1D, 2D oder im Extrem- fall 3D. Man misst jetzt immer die Magnetanteile (bzw. Hallspannungs- anteile) in den jeweiligen Richtungen. Folgender Einspieler der Firma TDK Micronas zeigt das sehr deutlich. Es sind lineare, 180°, 360° und 3D-Einsätze mit einem einzigen Hall- sensor möglich.
Quelle: TDK Micronas
Einspieler für mehrere Videos zum Hallsensor Hinweis:
Auf der Seite dieser Firma finden sich zahlreiche Videos und Abbildungen, die
in diesem Artikel Ver- wendung
finden, da diese Firma sehr viel Material zur freien Verfügung stellt (s. unten) Folgende Videos zeigen noch einmal verschiedene Anwendungen Vor allem im ersten Video von Texas Instruments wird auf sehr viele Beispiele eingegangen.
Weitere Anwendungsfelder finden sich in der Spieleindustrie bei Game Controllern und Joysticks. Auch in der Medizin werden bei Prothesen Stellung und Winkel von Gelenken durch Hallsensoren kontrolliert. 2.
Strommessung Wie wir im Kapitel „Hall-Effekt“ gesehen haben, ist die Hallspannung zur magnetischen Feldstärke proportional. Dies wurde ja auch schon im vorherigen Kapitel ausgenutzt. Wenn dieses Magnetfeld nun von einem elektrischen Leiter stammt, kann man davon ausgehen, dass das Magnetfeld des Leiters zu seiner Stromstärke proportional ist. (Genaueres
im Kapitel: „Magnetfeld eines geraden Leiters“ (in Arbeit)). Man kann also mit Hilfe des Magnetfeldes des Leiters auf seine Strom- stärke schließen. Dies wird bei der Stromzange angewandt, die zur Messung von Stromstärken dient. Hierzu folgende Abbildung aus wikipedia:
Quelle: wikipedia Aufbau: Mit
Hilfe eines Hebels kann man den Weicheisenring öffnen, so dass man die
Zange um den Leiter legen kann. In einem Luftspalt des Kern befindet
sich die Hallsonde, die über eine Elektronik mit der Anzeige verbunden
ist. Funktion: Fließt
jetzt Strom durch den Leiter, entsteht ein Magnetfeld um den Leiter.
Die Feldlinien bilden
konzentrische Ringe um den Leiter. Durch das
Weicheisen wird dieses Magnetfeld verstärkt und trifft senkrecht auf den
Hallsensor, so dass eine Hallspannung auftritt. Man muss
jetzt nur noch die Stromzange eichen, um aus dem Magnet- feld und
somit der Hallspannung auf die Stromstärke im Leiter zu schließen. Videos: Folgende
zwei Videos zeigen noch einmal das Prinzip der Stromzange:
Weitere
Anwendungen (digital
und/oder analog) 1. Durchflussmenge, Füllmenge,
Druckmessung a.) Durchflussmenge Für die
Bestimmung der Durchflussmenge werden häufig digitale Hallsensoren
benutzt. Die Flüssigkeit fließt in einen Behälter, in dem sich
Kammern bzw. ein Schaufelrad (ähnlich einer Turbine) befindet. Diese
Kammern bzw. Schaufelradabschnitte werden mit der Flüssig- keit gefüllt.
Man kann jetzt die Durchflussmenge messen, indem man misst,
wie häufig sich jetzt die Kammern bzw. das Rad gedreht haben. Es
finden also Drehzahlmessungen
statt. Aufbau in Abbildungen:
2. Füllstandsmesser Prinzip: Um den
Füllstand in einem Tank zu messen, kann man natürlich auch einen Durchflussmesser
benutzen, wenn man die Flüssigkeitsmenge, die
einfließt, abmisst. Direkte
Messungen des Füllstandes können ganz unterschiedlich aus- fallen,
wie das Video von TI zeigt. Die einfachste
Messmethode wäre einen
Schwimmer zu benutzen, auf dem sich ein Dauermagnet befin- det.
Diesem Schwimmer gegenüber ist an der Decke des Tankes ein Hallsensor
befestigt. Je mehr man sich dem Hallsensor nähert, um so größer
wird die Magnetfeldstärke, um so größer ist die Hallspannung und damit
der Flüssigkeitsstand. Im Video
wird als Standard aber ein Winkelmessverfahren vorgestellt. Auch
hier wird für die Winkelmessung eine Hallsonde benutzt. Video:
Quelle: Ausschnitt aus dem Video 25 Liste 3. Druckmessung Zur
Messung von Drücken gibt es sehr viele Verfahren. Man findet viel Messverfahren
aufgrund des Piezoeffektes oder kapazitive Messver- fahren.
Die Messung mit dem Halleffekt ist eher selten und könnte so ähnlich
wie in der Abbildung aussehen.
Quelle: Abbildung aus dem Video 11 An einer biegsamen Membran befindet sich ein Dauermagnet. Auf der gegenüberliegenden Seite ist am Behälter der Hallsensor befestigt. Der Aufbau ähnelt sehr dem Füllstandsanzeiger mit Schwimmer. Bei höherem Druck biegt sich die Membran stärker, der Magnet nähert sich dem Hallsensor, die Magnetfeldstärke nimmt zu, der Druck hat sich erhöht, weil sich die Hallspannung erhöht hat. Übersicht über Anwendungen in der Autoindustrie Die
folgenden Übersichten stammen von der Firma TDK Micronas,
die neben
der Firma Texas
Instruments viele Videos und Anmerkungen zur Anwendungen
von Hallsensoren zur Verfügung stellt. Link: Anwendungen
TDK Micronas;
Videos
TDK Micronas;
Übersicht über Anwendungen in anderen Bereichen Auch diese Tabellen stehen alle auf der Seite der Firma TDK Micronas.
Man
erkennt offensichtlich, dass Hallsensoren in ganz vielen Bereichen unseres Alltags
eine große Rolle spielen. Videolisten zu den Themen: Videoliste 1: Halleffekt und phyphox Videoliste 2: Anwendungen von
Hallsensoren zum
Abschnitt:
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