Induzierte Elektromotorische Kraft mit Arduino

Durch diese Tätigkeit finden Sie heraus, wie die Variation eines Magnetfeldes Strom erzeugen kann, wie der Dynamo eines Fahrrades.

Um dies zu erreichen, werden wir Arduino UNO benutzen. Das ist eine Hardware Plattform, für den Aufbau von Robotik-, Elektronik- und Automatisierungsprojekten. Darauf wird eine Software (in C Sprache),  auf der eine Reihe von Sensoren gesteuert werden können, die mit der Platine selbst verbunden sind. Damit können Sie mit Ihnen interagieren. Bei diesem Projekt fungiert Arduino ausschließlich als Voltmeter,  so dass wir die Spannung messen können, die durch die Veränderung des Magnetfelds erzeugt wird. ​Zusätzlich zur Arduino-Karte, brauchen wir ein Kupferkabel, um eine Spule zu machen: wir werden also viel davon brauchen; ein Karton-Schlauch, wie aus Küchenpapierrolen, um dem wir den Kupferdraht umwickeln, einige Kabel zum Verbinden, ein Magnet, der in die Röhre gleiten muss – deshalb sollten wir nicht zu gross nehmen –  und einen Unterlage aus Holz oder Pappe.

In diesem Projekt werden wir sehen, wie der Strom, der durch den Stromkreis fließt, nicht von einer Batterie erzeugt wird, vielmehr aus der Bewegung eines Magneten. Nämlich, indem der Magnet in die Röhre fällt, das von ihm erzeugte Magnetfeld wird variieren, und wird einen induzierte elektrische Strom generieren. Durch zahlreiche Prüfungen, kann man leicht feststellen, dass die Intensität des induzierten Stroms ausschließlich von drei Großen abhängig ist:

1. Die Variation des externen Magnetfelds(je höher die Änderung des Magnetfelds, desto höher die Stärke des induzierten Stroms);
2. Die Fläche des induzierten Kreislaufs(je höher die Anzahl der Spulern, desto größer die Fläche);
3. Die Orientierung des Kreislaufs.

Viele Experimente, seit Mitte des 19. Jahrhunderts, haben zum Gesetz der Elektromagnetischen Induktion, auch bekannt als Gesetz von Faraday – Neumann – Lenz  das besagts dass der Wert der induzierten elektromotorischen Kraft ist gleich der Verhältnis zwischen der Änderung des Magnetfeldstroms (der Magnetfeldstrom durch den Kreislauf ist gleich dem Produkt  aus der Schaltfläche A für das Modul der Komponente des Magnetfelds senkrecht zum Stromkreis) und der Zeitbedarf für diese Änderung. Dagegen, ist die Richtung des induzierten Stroms stets geeignet gegen die Änderung des Durchflusses selbst. Deshalb, können wir sagen, dass die induzierte elektromotorische Kraft auschließlich hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der der Magnetfeldfluss durch den Kreislauf variiert. Das führt uns zu der Schlussfolgerung, dass für starke induzierte Strömungen,  muss der Magnetfluss in kurzer Zeit stark variieren, zum Beispiel eine schnelle Veränderung des Magnetfeld im Beich des Stromkreises, oder durch rasche Veränderung der Ausrichtung des Kreises im Bezug auf die Feldlinien. Nach dieser kurzen theorethischen Einleitung, starten wir mit dem Bau des Stromkreises. Erstens, nehmen wir den Schlauch und wicklen ihn um den Kupferdraht; mindestens 50 Umwicklungen so schmal wie möglich herstellen (es kann keine Zwischenräume zwischen den Windungen bleiben). In dieser Phase, ist es sehr wichtig, den Kupferdraht so eng wie möglich an das Rohr zu wickeln. Dabei darauf achten, dass der Faden nicht verformt und nicht abgerissen wird. Außerdem, um den verändernen Effekt des Magnetfelds deutlich zu erkennen, ist es sinvoll, mindestens 5 cm Schlauch auf beiden Seiten zu verlassen. Nach Fertigstellung der Rolle, müssen wir die Ende mit der Arduino-Karte verbinden, nach folgendem Schema.

Verbindungen zwischen Spule und Arduino-Karte: Erstes Ende der Spule —> pin A1; Zweites Ende der Spule —> pin GND. Alle Hardware Anschlüsse durchgeführt, gehen wir nun zur Karteikarte-Programmierung über. Erstens, schliessen wir die Arduino-Karte mit seinem passenden Kabel an unseren PC, wo wir vorher die Software installiert haben, um die Arduino-Karte zu programmieren und kontrollieren. Nachdem wir Arduinos IDE eröffnet haben, gehen wir zu Tools/Karte und wählen wir Arduino/Genuino Uno.  Danach, gehen wir zu Tools/Anschluss und wählen wir den Anschluss an dem unser Arduino verbunden ist. So haben wir Arduinos Arbeitsumgebung reguliert, und können wir den Koden für unser Voltmeter schreiben, den Sie hier herunterladen können.

Zuerst, müssen wir den Sketch in Arduinos IDE öffnen (Datei/öffnen und dann wählen wir die Datei Voltmeter.ino) und laden sie auf die Karte (um das zu tun,  klicken Sie auf den Pfeil oben links, neben dem Häkchen). Dann öffnen wir Arduinos Serien Plotter (Tools/Serien Plotter).

Nach diesen vorherigen Vorgängen, bereiten wir zur Veränderung des Magnetfeldes vor, um einen induzierten Strom zu erzeugen. Um das zu tun, drehen Sie die Spule senkrecht; lassen Sie unseren Magneten in die Spule fallen. So liest Arduino den Wert der induzierten Spannung, die in den Kreislauf fließt, und zeigt uns ihre Variation über die Zeit. Wir können den Magneten mehrmals fallen lassen und sehen, was passiert. Kann sein, dass die induzierte Spannung zu klein ist: daher kann der Multiplikationswert des Vouts um den Faktor zen erhöht werden (von 1000.0 zu 10000.0 zum Beispiel), um das Signal von Arduino zu verstärken. Wie Sie auf dem folgenden Bild sehen können, wird auf dem Serien Plotter eine Welle erscheinen, die  für den von Arduino gelesenen Spannungswert steht. Während der Magnet in die Spule eindringt, verändert der Magnetfeldfluß durch die Spule, und erzeugt eine Änderung des Durchflußes, die sich von null unterscheidet. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld und eine elektrische Spannung. Dagegen, nachdem der Magnet vollständig in die Spule eingedrungen ist, ist der Magnetfeldfluß konstant; ihre zeitliche Verschiebung ist somit null. In dieser Phase, beträgt der Wert des induzierten elektrischen Feldes null, sowie die Spannung, die in den Kreislauf fließt. In der Graphik, wird eine mehr oder weniger schnelle Phase dargestellt, in der die Spannung gleich null ist. Als der Magnet schließlich aus der Spule herauskommt, verändert sich wieder der magnetische Feldfluß über die Zeit. Dadurch ein induziertes elektrischen Feld und eine andere Spannung als null.