Как измерить магнитное поле в домашних условиях

Как измерить магнитное поле в домашних условиях

Автор канала “Atom Duba” показал опыт с железными опилками, чтобы попытаться увидеть и измерить магнитное поле.
Вокруг любого магнита есть невидимое поле, которое обычно рисуют линиями, ведущими из одного полюса в другой. Как это увидеть?

Самый простой способ – взять железных опилок. Насыпаем их на стол. Берём магнит. Подносим под столом полюсом вверх. Что видим? Появились ежики из опилок. Двигаем под столом – ежики движутся вместе. На самом деле видим линии магнитного поля, выходящие из одного из полюсов.

Чтобы разглядеть с другого ракурса поле, магнит развернем набок. Попробуем магнитик поменьше и повторим эксперимент. Теперь наблюдаем магнитное поле с другого ракурса. Стрелка компаса поворачивается в ту же сторону, куда показывают железные опилки. Поэтому такими направленными линиями обозначают вектор магнитного поля. В каждой точке пространства направление свое.

Другой вариант этого эксперимента, где возьмем магнит и облепим опилками. В таком варианте эксперимента увидим поле в трехмерном пространстве. До этого видели его проекцию на плоскость, то есть 2D вариант, а сейчас в пространстве из одного полюса выходят линии по кругу в другой.

Кроме этого, магнитное поле бывает разной величины – посильнее или послабее. Сегодня измерить его величину может смартфон. Включаем программу, которая показывает информацию с датчиков.

Внутри смартфона датчики Холла измеряют магнитное поле вдоль трех координат X,Y, и Z. Можно поднести магнит и посмотреть, как растут показания. Отводим обратно – они уменьшаются. Или повертеть магнитом, стрелочка тоже будет крутиться. Интересно, а почему опилки выстроились вдоль линий?

Чтобы прояснить этот вопрос, возьмем магнит. Это его северный полюс, а это южный полюс. Если поднести к нему монетку, то она прилипнет. Почему? Монетка намагнитилась и прилипла к северному полюсу своим южным. Возьмем вторую монетку. Она прилипает к первой. Можно так дальше продолжать. Они к друг другу липнут. Как такое получается? Дело в том, что кроме того, что монетки взаимодействуют с самим магнитом, они еще и сами на магнитились и взаимодействуют друг с другом. Тоже самое происходит с опилками. Они просто липнут к полюсам друг друга.

Автор канала “Atom Duba” показал опыт с железными опилками, чтобы попытаться увидеть и измерить магнитное поле.
Вокруг любого магнита есть невидимое поле, которое обычно рисуют линиями, ведущими из одного полюса в другой. Как это увидеть?

Самый простой способ – взять железных опилок. Насыпаем их на стол. Берём магнит. Подносим под столом полюсом вверх. Что видим? Появились ежики из опилок. Двигаем под столом – ежики движутся вместе. На самом деле видим линии магнитного поля, выходящие из одного из полюсов.

Чтобы разглядеть с другого ракурса поле, магнит развернем набок. Попробуем магнитик поменьше и повторим эксперимент. Теперь наблюдаем магнитное поле с другого ракурса. Стрелка компаса поворачивается в ту же сторону, куда показывают железные опилки. Поэтому такими направленными линиями обозначают вектор магнитного поля. В каждой точке пространства направление свое.

Другой вариант этого эксперимента, где возьмем магнит и облепим опилками. В таком варианте эксперимента увидим поле в трехмерном пространстве. До этого видели его проекцию на плоскость, то есть 2D вариант, а сейчас в пространстве из одного полюса выходят линии по кругу в другой.

Кроме этого, магнитное поле бывает разной величины – посильнее или послабее. Сегодня измерить его величину может смартфон. Включаем программу, которая показывает информацию с датчиков.

Внутри смартфона датчики Холла измеряют магнитное поле вдоль трех координат X,Y, и Z. Можно поднести магнит и посмотреть, как растут показания. Отводим обратно – они уменьшаются. Или повертеть магнитом, стрелочка тоже будет крутиться. Интересно, а почему опилки выстроились вдоль линий?

Чтобы прояснить этот вопрос, возьмем магнит. Это его северный полюс, а это южный полюс. Если поднести к нему монетку, то она прилипнет. Почему? Монетка намагнитилась и прилипла к северному полюсу своим южным. Возьмем вторую монетку. Она прилипает к первой. Можно так дальше продолжать. Они к друг другу липнут. Как такое получается? Дело в том, что кроме того, что монетки взаимодействуют с самим магнитом, они еще и сами на магнитились и взаимодействуют друг с другом. Тоже самое происходит с опилками. Они просто липнут к полюсам друг друга.

Прибор для измерения электромагнитного излучения позволяет выявить негативные волны, идущие от ЛЭП (линий, передающих электричество), бытовой техники, электрооборудования. Ионизирующие и неионизирующие потоки невозможно пощупать или увидеть. Несмотря на это, они могут отрицательно влиять на здоровье человека. Между прочим, ученые всего мира продолжают дискуссии о пользе и вреде этих сигналов (ультрафиолетовое, рентгеновское излучение, радиоволны).

Электромагнитное излучение (ЭМИ): что это?

Силовые поля, которые возникают возле источников или потребителей электрического тока, это и есть электромагнитное излучение. Оно воздействует на все окружающие предметы, людей, животных. На степень подверженности этим сигналам непосредственно влияет частота и длина волн.

Воздействие на человека оказывает любое ЭМИ, начиная от обычной электрической лампочки, заканчивая гамма-лучами, отличаясь только объемом единоразового облучения. Степень воздействия и нахождение вредоносных зон можно определить при помощи прибора для измерения электромагнитного излучения. Рекомендовано проводить проверку не только на предприятиях, но и в жилых домах.

Основные причины появления излучения

Для того чтобы избежать воздействия предельных показаний излучения, необходимо принимать соответствующие меры, обеспечивающие сохранность жизни и здоровья людей. Основными источниками ЭМИ являются следующие факторы:

• Мобильная связь и радиоволны.
• Линии электропередач.
• Источники электричества.
• Рентгеновские и схожие с ними аппараты.

Провести точные измерения самостоятельно довольно непросто. Наиболее точно понять силу и тип волн позволяют высокоточные приборы для измерения электромагнитных полей и излучений (типа ПЗ-31). В продаже имеются различные домашние дозиметры и детекторы. Однако они имеют высокую долю погрешности.

Бытовой прибор для измерения электромагнитного излучения

Эти аппараты производятся преимущественно в Китае. При этом они не обладают точными данными. Если требуется квалифицированная помощь в этом аспекте, работу лучше доверить специалистам, обладающим соответствующими знаниями и приспособлениями. В таких сертифицированных лабораториях имеется ряд высокоточных устройств, дающих возможность провести качественную экспертизу с предоставлением комплексной оценки результатов.

Методы проверки подбираются для каждого конкретного случая, в зависимости от концентрации энергии, частотности волн, интенсивности полей. Все условия и нормы прописаны в СанПиНе. Полученные показания выводятся по специальной шкале. Частота электромагнитных сигналов зависит от спектральных параметров. Длина излучения может колебаться от 103 метров до нескольких миллиметров. ЭМИ измеряется в ГГц, а длина волны в мегаметрах (Мм). При проведении комплексного исследования во внимание принимают электрический и магнитный аспект.

Экспертиза

Проведение исследования ЭМИ может проводиться как в жилых помещениях, так и на производстве. Подобная процедура называется аттестацией рабочего места, выполняется с использованием точного и сертифицированного оборудования. Согласно санитарно-эпидемиологическим стандартам показания прибора для измерения электромагнитного излучения не должны превышать норму в 50-300 ГГц. В случае превышения параметров полагается доплата либо сокращение рабочего времени пропорционально увеличению дозы облучения.

Большая опасность таится не в отдельно взятой волне, а в накоплении электромагнитного фона, чему подвержены все живые организмы. Предполагают, что это может приводить к мутациям, изменениям ДНК и раковым заболеваниям.

Профессиональные модификации

Рассмотрим характеристики и возможности приспособлений для измерения ЭМИ, которые используются в экологических службах. Наиболее популярными и точными считаются модификации ПЗ-41 и ПЗ-31.

Прибор для измерения электромагнитного излучения ПЗ-31 предназначен для определения среднеквадратичных параметров интенсивности электрических и магнитных полей. Кроме того, он измеряет амплитуду и импульсы модуляции, концентрацию потока энергии, соответствие электромагнитных полей стандартам СаНПиН и ГОСТА.

Возможности устройства ПЗ-31:

• Фиксирование усредненных показаний результатов текущих параметров концентрации потока энергии и интенсивности магнитных полей за истекшие шесть минут.
• Отбор и сохранение в оперативной памяти полученной информации с возможностью вывода сведений и предельных значений в течение трех с половиной дней работы (от усредненных до предельных значений в диапазоне 1-832).
• Исследование местоположения излучения.
• Выдача звукового сигнала при достижении предельных показателей.

Особенности

Прибор для измерения электромагнитного излучения ЛЭП и других источников марки ПЗ-31 обладает следующим частотным диапазоном:

• По отношению к электрическому полю – 0,03-300 МГц при разности измерения от 2 до 600 В/м.
• В части магнитного компонента – 0,01-30 МГц (0,5-16 А/м).
• В плане концентрирования потока энергии – 300-40000 МГц (0,265-100000 мкВт/кв. см).

Основными плюсами устройства является компактность, малый вес, простота в эксплуатации, длительность работы не менее 60 часов.

Этот прибор для измерения электромагнитного излучения в квартире также подходит в качестве тестера при аттестации рабочего места. У него выше точность по выявлению неионизирующих волн. Приспособление обладает широким охватом всевозможных частот, включая длинные сигналы и микроволны. Агрегат позволяет произвести высокоточные замеры радиоактивности любого электрического оборудования.

Меры предосторожности

Абсолютно обезопасить себя от негативного воздействия ЭМИ в современном мире невозможно. Тем не менее прибор для измерения электромагнитного излучения от ЛЭП и других источников электричества позволит выявить особо опасные зоны и предпринять соответствующие меры.

• Желательно не устанавливать бытовые устройства в зоне отдыха, что даст возможность минимизировать воздействие вредного излучения.
• Стараться чаще бывать на природе, вдали от любых источников электричества.
• Регулярно принимать душ или ванну, что позволяет уменьшить статический фон организма, который вырабатывает собственное электромагнитное поле.
• Своевременно менять технику, поскольку некоторые детали после истечения гарантированного срока начинают выделять больше радиоактивных волн.

Как сделать прибор для измерения электромагнитного излучения своими руками?

Это устройство не выдает показатели, однако позволяет услышать электромагнитное поле. Для его изготовления потребуется старый кассетный плеер и клей. Мини-магнитофон необходимо разобрать и вынуть аккуратно основную плату. Главная рабочая деталь – это считывающая головка. Около нее имеется пара проводов на болтах. Крепление следует открутить, а головка останется висеть на шлейфе.

Затем плата помещается обратно в корпус, а оставшийся элемент приклеивается снаружи при помощи клея. В качестве динамика будет служить внешний аналог либо наушники. Прислонив считывающую головку к телевизору, вы услышите электромагнитное излучение. Чем новее телевизионный приемник, тем слабее звук, что говорит о пониженном количестве ЭМИ. Считывать информацию можно на расстоянии до 400 мм. Примечательно, что излучение дают любые мобильные телефоны, зарядка для них и даже телевизионный пульт.

Детектор СВЧ-волн

Схема такого самодельного прибора состоит из нескольких блоков, включающих в себя измерительную головку, питающие источники, микроамперметр, рабочую плату.

Головка для измерения – это вибратор полуволнового типа, к которому присоединяются диоды типа Д-405, дающие возможность выпрямлять ток сверхвысокой частоты. Кроме того, на нем крепится конденсатор на 1000 пФ на текстолитовой пластине.

Полуволновой вибратор представляет собой пару отрезков трубок диаметром 10 мм и длиной 70 мм. Подойдут заготовки из алюминия или другого немагнитного материала. Минимальное расстояние между краями элементов составляет не более 10 мм, чтобы была возможность размещения диода. Предельная дистанция между торцами труб не должно превышать 150 мм, что соизмеримо с половиной длины волны частоты в 1ГГц.

Чем толще будут трубки, тем меньше вибратор подвергается искажению величины, в зависимости от частоты сигнала. Для точной градации шкалы необходимо использовать калиброванный генератор нужной частоты. Разметку желательно проводить нескольких частот. Такое приспособление позволит ориентировочно измерить ЭМИ, но не является сверхточным устройством. Как альтернатива, имеется возможность приобретения комплекта деталей для создания детектора, который можно собрать самостоятельно, однако погрешность будет и у него.

В заключение

Заботясь о своем здоровье в плане влияния ЭМИ на организм, многие пользователи задумываются, как называется прибор для измерения электромагнитного излучения? Выше рассмотрены несколько профессиональных и самодельных моделей. Если вы озабочены возможностью проявления негативного поля, лучше обратиться к специалистам. Приблизительные значения можно выявит при помощи бытовых и самодельных приспособлений.

Измерение параметров электромагнитных полей в быту

Сейчас в продаже имеются различные бытовые измерители электромагнитных полей — ВЕ-метры (Electromagnetic Radiation Tester, EMF Meter). Значит ли это, что мы имеем возможность самостоятельно оценить уровень воздействия электромагнитных полей? Что, собственно, можно измерить и насколько будут достоверны полученные данные?.

Эти приборы измеряют напряженность электрического поля в В/м (вольт на метр), а также магнитную индукцию (плотность магнитного потока) в мкТл (микротесла).

Вокруг проводника, по которому протекает ток, создаются магнитное поле с напряженностью H и электрическое поле с напряженностью E. Линии магнитного поля образуют концентрические окружности вокруг проводника и лежат в плоскости, перпендикулярной оси проводника. Линии электрического поля перпендикулярны линям магнитного поля и лежат в плоскости, проходящей через ось проводника.

Как известно, электромагнитные волны представляют собой совокупность электрического и магнитного полей, изменяющихся во времени. В электромагнитной волне электрическое и магнитное поля не разделены пространственно.

Магнитное поле

В пространстве, окружающем движущиеся электрические заряды, возникает магнитное поле. Магнитная индукция B— векторная величина, показывающая, с какой силой магнитное поле действует на движущийся заряд.

Магнитная индукция B в вакууме связана с напряженностью магнитного поля H (порожденного соответствующим током) следующим соотношением:

Магнитная проницаемость (мю) воздуха практически совпадает с магнитной проницаемостью вакуума (μ/μ₀=1.00000037), поэтому для воздуха магнитная индукция B практически тождественна напряженности магнитного поля H.

Напряженность H магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), причем 1 ампер/метр задается как напряженность магнитного поля соленоида бесконечной длины с единичной плотностью витков, при протекании по данному соленоиду тока в 1 ампер. Один ампер на метр можно определить и иначе: это напряженность магнитного поля в центре круглого витка с током в 1 ампер при диаметре витка в 1 метр.

Таким образом, несмотря на то, что прибор показывает значение магнитной индукции, мы может судить и о величине напряженности магнитного поля.

Электрическое поле

Каждое электрически заряженное тело создает вокруг себя электрическое поле.

Электрическое поле характеризуется векторной величиной, называемой напряженностью поля, которая численно равна механической силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля, и имеет направление этой силы.

Простейший индикатор электромагнитного поля может собрать даже юный радиолюбитель.

Санитарные нормативы электромагнитных полей

СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» устанавливает допустимые величины электромагнитных полей. В таблице 5.74 приведены предельно допустимые уровни электромагнитных полей, в том числе, в жилых помещениях.

Наименование фактора	Наименование параметра	Нормируемые уровни
		Рабочие места	Жилые, общественные помещения
Постоянное магнитное поле (ПМП)	Напряженность магнитного поля (H), кА/м	8,0	—
	Магнитная индукция (B), мТл	10,0	—
Гипогеомагнитное поле	Коэффициент ослабления геомагнитного поля, Ко, условные единицы	2,0	—
Электростатическое поле (ЭСП)	Напряженность ЭСП (E), кВ/м	20,0	15,0
Электромагнитное поле (ЭМП) промышленной частоты	Напряженность электрического поля (E), кВ/м	5,0	0,5
	Напряженность магнитного поля (H), А/м	80,0	8,0
	Магнитная индукция (B), мкТл	100,0	10,0
ЭМП диапазона частот от 0,01 до 0,03 МГц	Напряженность электрического поля (E), В/м	500,0	—
	Напряженность магнитного поля (H), А/м	50,0	—
ЭМП диапазона частот от 0,03 до 3 МГц	Напряженность электрического поля (E), В/м	42,0	25,0
	(максимально допустимая)	(500,0)	—
	Напряженность магнитного поля (H), А/м	4,0
	(максимально допустимая)	(50,0)	—
ЭМП диапазона частот от 3 до 30 МГц	Напряженность электрического поля (E), В/м	25,0	15,0
	(максимально допустимая)	(300)	—
ЭМП диапазона частот от 30 до 50 МГц	Напряженность электрического поля (E), В/м	8	10
	(максимально допустимая)	(80,0)	—
	Напряженность магнитного поля (H), А/м	0,25	—
	(максимально допустимая)	(3,0)
ЭМП диапазона частот от 50 до 300 МГц	Напряженность электрического поля (E), В/м	8,5	3,0
	(максимально допустимая)	(80,0)	—
ЭМП диапазона частот от 300 МГц до 300 ГГц	Плотность потока энергии (ППЭ), мкВт/см2	18,0	10,0
	(максимально допустимый уровень)	(1000,0)	—

Нормативы также установлены Решением Комиссии Таможенного союза от 28.05.2010 № 299 «О применении санитарных мер в Евразийском экономическом союзе». На территории населенных мест предельно допустимая напряженность переменного электрического поля с частотой 50 Гц на высоте 2 м составляет 1000 В/м, а в жилых помещениях предельно допустимая напряженность переменного электрического поля с частотой 50 Гц на высоте от 0,5 до 2 м от пола составляет 500 В/м.

В жилых помещениях допустимая напряженность магнитного поля частотой 50 Гц (действующие значения) не должна превышать 5 мкТл. Напряженность электрического поля не должна превышать 25 В/м в диапазоне частот 30 — 300 кГц. Такие же нормативы установлены в СанПиН 2.1.8./2.2.4.1383-03.

Полевые измерения

Измеритель имеет два датчика для измерения электрических полей. На фото виден соленоид (катушка индуктивности) и фольгированная пластинка. Возбуждаемая в соленоиде ЭДС измеряется, обрабатывается процессором и на дисплей выводится значение магнитной индукции.

Общие требования к измерителям напряженности электрического и магнитного полей установлены в ГОСТе Р 51070-97. Методы оценки электромагнитных полей бытовых приборов установлены в ГОСТ Р 54148-2010 (ЕН 50366:2003) «Воздействие на человека электромагнитных полей от бытовых и аналогичных электрических приборов. Методы оценки и измерений». Измерение магнитной индукции большинства приборов измеряется на расстоянии 30 см от их поверхности

Следует учитывать, что результаты измерений, произведенные с помощью рассматриваемых бытовых приборов, достаточно условны, т.е. достоверность их будет всегда под вопросом. Вероятно поэтому, многие подобные приборы называют не измеритель, а «тестер» или «индикатор».

Так, например, подобные приборы не оценивают электромагнитные поля в диапазонах частот. Мы не узнаем частоту электромагнитного излучения.

Если провести измерения возле работающего бытового фена, то мы получим некоторые результаты.

Напряженность электрического поля вблизи работающего фена составила 337 В/м, а магнитная индукция — 38,09 мкТл. Это «кошмарные» значения! Но это значения в непосредственной близости от источника полей. Уже на расстоянии примерно полуметра, прибор показывает нули.

И так. Ясно, что работающий бытовой электроприбор является источником электромагнитных полей, но их интенсивность убывает с увеличением расстояния и примерно пропорциональна 1/r.

Надо также учитывать, что датчик поля реагирует на поляризацию (направление вектора поля). Если прибор повернуть на 90 градусов — показания изменятся.

Один из наиболее «злых» источников электромагнитных полей — источник бесперебойного питания: 226 В/м и 27 мкТл соответственно. Плоский монитор показал всего 4 В/м перед экраном. Перед передней панелью системного блока — ноль, а вот сзади возле блока питания — 1.2 мкТл. Работающие звуковые колонки компьютера показали 9В/м и 0.08 мкТл.

Это все показания в непосредственной близости от источника, с удалением датчика на рекомендованные 30 см показания резко падают вплоть до нуля. Справедливости ради надо сказать, что ноль на приборе не означает, что поля нет совсем. Правильнее считать, что напряженность поля настолько мала, что не регистрируется прибором, т.е. меньше 1 В/м.

В итоге, если верить показаниям этих не сертифицированных и не калиброванных приборов, то положение достаточно хорошее.

Проверка работы ионизаторов воздуха

Суть работы ионизатора воздуха (люстры Чижевского) сводится к созданию на кончиках иголок отрицательных зарядов. Следовательно возле этих иголок должно возникать статическое электрическое поле.

Методы измерения описаны в ГОСТ Р 8.846-2013, однако нам они не пригодятся.

Как измерить магнитное поле

Автор канала «Atom Duba» показал опыт с железными опилками, чтобы попытаться увидеть и измерить магнитное поле.
Вокруг любого магнита есть невидимое поле, которое обычно рисуют линиями, ведущими из одного полюса в другой. Как это увидеть?

Самый простой способ — взять железных опилок. Насыпаем их на стол. Берём магнит. Подносим под столом полюсом вверх. Что видим? Появились ежики из опилок. Двигаем под столом — ежики движутся вместе. На самом деле видим линии магнитного поля, выходящие из одного из полюсов.

Чтобы разглядеть с другого ракурса поле, магнит развернем набок. Попробуем магнитик поменьше и повторим эксперимент. Теперь наблюдаем магнитное поле с другого ракурса. Стрелка компаса поворачивается в ту же сторону, куда показывают железные опилки. Поэтому такими направленными линиями обозначают вектор магнитного поля. В каждой точке пространства направление свое.

Другой вариант этого эксперимента, где возьмем магнит и облепим опилками. В таком варианте эксперимента увидим поле в трехмерном пространстве. До этого видели его проекцию на плоскость, то есть 2D вариант, а сейчас в пространстве из одного полюса выходят линии по кругу в другой.

Кроме этого, магнитное поле бывает разной величины — посильнее или послабее. Сегодня измерить его величину может смартфон. Включаем программу, которая показывает информацию с датчиков.

Внутри смартфона датчики Холла измеряют магнитное поле вдоль трех координат X,Y, и Z. Можно поднести магнит и посмотреть, как растут показания. Отводим обратно — они уменьшаются. Или повертеть магнитом, стрелочка тоже будет крутиться. Интересно, а почему опилки выстроились вдоль линий?

Чтобы прояснить этот вопрос, возьмем магнит. Это его северный полюс, а это южный полюс. Если поднести к нему монетку, то она прилипнет. Почему? Монетка намагнитилась и прилипла к северному полюсу своим южным. Возьмем вторую монетку. Она прилипает к первой. Можно так дальше продолжать. Они к друг другу липнут. Как такое получается? Дело в том, что кроме того, что монетки взаимодействуют с самим магнитом, они еще и сами на магнитились и взаимодействуют друг с другом. Тоже самое происходит с опилками. Они просто липнут к полюсам друг друга.

Собираем переносной магнитометр

Магнитометр, который иногда ещё называют гауссометром, измеряет силу магнитного поля [в данном случае магнитную индукцию / прим. перев.]. Это прибор, необходимый при измерении силы постоянных магнитов и электромагнитов, а также для установления формы поля нетривиальных комбинаций из магнитов. Он достаточно чувствительный для того, чтобы определить намагниченность металлических предметов. В случае, если зонд будет работать достаточно быстро, он сможет определять изменяющиеся во времени поля от моторов и трансформаторов.

В мобильных телефонах обычно есть трёхосевой магнитометр, однако он оптимизирован для слабого магнитного поля Земли силой в 1 Гаусс = 0,1 мТл [миллитесла] и насыщается в полях с индукцией в несколько мТл. Где именно в телефоне расположен этот датчик, обычно непонятно, и расположить его внутри узкого места типа разреза магнита часто невозможно. Более того, лучше вообще не подносить смартфон к сильным магнитам.

В данной статье я опишу, как сделать простейший переносной магнитометр из распространённых комплектующих: нам потребуются линейный датчик Холла, Arduino, дисплей и кнопка. Общая стоимость прибора не выходит за пределы €5, а измерять он будет индукцию от -100 до +100 мТл с погрешностью в 0,01 мТл – гораздо лучше, чем можно было ожидать. Для получения точных абсолютных показателей его понадобится откалибровать: я опишу, как это делается при помощи длинного самодельного соленоида.

Шаг 1: датчик Холла

Эффект Холла часто применяется для измерения магнитных полей. Когда электроны проходят через проводник, помещённый в магнитное поле, их относит в сторону, в результате чего в проводнике появляется поперечная разность потенциалов. Правильно выбрав материал и геометрию полупроводника, можно получить измеряемый сигнал, который затем можно будет усилить и выдать измерение одной компоненты магнитного поля.

Я использую SS49E, поскольку он дешёвый и доступный. Что стоит отметить из его документации:

• Питание: 2.7 — 6.5 В, что прекрасно совместимо с 5 В для Arduino.
• Нулевой сигнал: 2.25-2.75 В, примерно посередине между 0 и 5 В.
• Чувствительность: 1.0-1.75 мВ/Гс, поэтому для получения точных результатов потребуется калибровка.
• Выходное напряжение: 1,0 – 4,0 В (при работе от 5 В): диапазон покрывается АЦП Arduino.
• Диапазон: минимум ± 650 Гс, обычно +/1 1000 Гс.
• Время отклика: 3 мкс, то есть можно проводить измерения с частотой в десятки кГц.
• Рабочий ток: 6-10 мА, достаточно немного для батарейки.
• Температурная ошибка: 0,1% на градус Цельсия. Вроде немного, однако отклонение на 0,1% даёт ошибку в 3 мТл.

Шаг 2: Требуемые материалы

• Линейный датчик Холла SS49E. €1 за 10 штук.
• Arduino Uno с доской для прототипирования или Arduino Nano без штырьков для портативного варианта.
• Монохромный OLED дисплей SSD1306 0.96” с интерфейсом I2C.
• Кнопка.

• Шариковая ручка или другая прочная трубка.
• 3 тонких провода чуть длиннее трубки.
• 12 см термоусадки диаметром 1,5 мм.

• Большая коробка Tic-Tac (18x46x83) или нечто похожее.
• Контакты для батарейки на 9 В.
• Выключатель.

Шаг 3: Первая версия – с использованием доски для прототипирования

Сначала всегда собирайте прототип, чтобы проверить работу всех компонентов и софта! Подключение видно на картинке: датчик Холла соединяется с контактами Arduino +5V, GND, A1 (слева направо). Дисплей соединяется с GND, +5V, A5, A4 (слева направо). Кнопка при нажатии должна замыкать землю и A0.

Код написан в Arduino IDE v. 1.8.10. Требуется установка библиотек Adafruit_SSD1306 и Adafruit_GFX.

Если всё сделано правильно, то дисплей должен выдавать значения DC и AC.

Шаг 4: Немного о коде

Если вам неинтересен код, эту часть можно пропустить.

Ключевая особенность кода состоит в том, что магнитное поле измеряется 2000 раз подряд. На это уходит 0,2 – 0,3 сек. Отслеживая сумму и квадрат суммы измерений, можно вычислять среднее и стандартное отклонения, которые выдаются как DC и AC. Усредняя по большому количеству измерений мы увеличиваем точность, теоретически на √2000 ≈ 45. Получается, что используя 10-битное АЦП, мы получаем точность 15-битного АЦП! И это имеет значение: 1 шаг АЦП – 4 мВ, то есть,

0,3 мТл. Благодаря усреднению, мы уменьшаем ошибку от 0,3 мТл до 0,01 мТл.

В качестве бонуса мы получаем стандартное отклонение, определяя таким образом изменяющееся поле. Поле, колеблющееся с частотой 50 Гц проходит порядка 10 циклов за время измерения, поэтому можно измерить величину AC.

У меня после компиляции получилась следующая статистика: Sketch uses 16852 bytes (54%) of program storage space. Maximum is 30720 bytes. Global variables use 352 bytes (17%) of dynamic memory, leaving 1696 bytes for local variables. Maximum is 2048 bytes.

Большую часть места занимают библиотеки Adafruit, однако ещё полно места для добавления функциональности.

Шаг 5: Готовим зонд

Зонд лучше всего закреплять на конце узкой трубки: так его просто будет помещать и удерживать в узких местах. Подойдёт любая трубка из немагнитного материала. Мне идеально подошла старая шариковая ручка.

Подготовьте три тонких гибких провода чуть длиннее трубки. В моём кабеле логики в цветах проводов нет (оранжевый +5 В, красный 0 В, серый – сигнал), просто так мне их проще запомнить.

Чтобы использовать зонд с прототипом, припаяйте кусочки проводов на конец кабеля и заизолируйте их термоусадкой. Позже их можно отрезать и припаять провода прямо к Arduino.

Шаг 6: Собираем переносной прибор

Батарейка на 9В, OLED-экран и Arduino Nano с комфортом умещаются внутри большой коробки Tic-Tac. Её преимущество в прозрачности – экран легко читается, даже находясь внутри. Все фиксированные компоненты (зонд, выключатель и кнопка) ставятся на крышку, чтобы всё можно было вынимать из коробки для замены батареи или обновления кода.

Я никогда не любил батарейки на 9В – у них высокая цена и малая ёмкость. Но в моём супермаркете внезапно стали продавать их перезаряжаемую версию NiMH по €1, и я обнаружил, что их легко зарядить, если подать 11 В через резистор на 100 Ом и оставить на ночь. Я заказал себе дешёвые разъёмы для батареек, но мне их так и не прислали, поэтому я разобрал старую батарейку на 9 В, чтобы сделать из неё коннектор. Плюс батарейки на 9В в её компактности, и в том, что на ней хорошо работает Arduino при подключении её к Vin. На +5 В будет регулируемое напряжение в 5 В, которое понадобится для OLED и датчика Холла.

Датчик Холла, экран и кнопка подсоединяются так же, как было на прототипе. Добавляется только кнопка выключения, между батарейкой и Arduino.

Шаг 7: Калибровка

Калибровочная константа в коде соответствует числу, прописанному в документации (1,4 мВ/Гс), однако в документации разрешён диапазон этого значения (1.0-1.75 мВ/Гс). Чтобы получать точные результаты, нужно откалибровать зонд.

Самый простой способ получить магнитное поле хорошо определённой силы – использовать соленоид. Магнитная индукция поля соленоида равняется B = μ₀ * n * I. Магнитная постоянная (или магнитная проницаемость вакуума) – это природная константа: μ₀ = 1,2566 x 10 -6 Тл/м/А. Поле однородно и зависит только от плотности намотки n и тока I, которые можно измерить с погрешностью около 1%. Формула работает для соленоида бесконечной длины, однако служит очень хорошим приближением для поля в его центре, если соотношение его длины к диаметру превышает 10.

Чтобы собрать подходящий соленоид, возьмите полую цилиндрическую трубу, длина которой в 10 раз больше диаметра, и сделайте намотку из изолированного провода. Я использовал ПВХ-трубку с внешним диаметром 23 мм и сделал 566 витков, протянувшихся на 20,2 см, что даёт нам n = 28/см = 2800 / м. Длина провода 42 м, сопротивление – 10 Ом.

Подайте питание на катушку и измерьте ток мультиметром. Используйте либо регулируемый источник тока, либо переменный резистор, чтобы управлять током. Измерьте магнитное поле для разных значений тока и сравните показания.

Перед калибровкой я получил 6,04 мТл/A, хотя по теории должно было быть 3,50 мТл/A. Поэтому я умножил константу калибровки в 18-й строчке кода на 0,58. Готово – магнитометр откалиброван!