Naloga od nas zahteva, da raziščemo magnetno polje in strukturo neznanega magneta, ki smo ga prejeli.
Pred začetkom eksperimentiranja smo že vedeli, kakšno je magnetno polje okoli paličastega, podkvastega in ploščatega magneta. Vedeli smo, da magnetne silnice izvirajo iz severa in potonejo v jugu, so vedno zaključene ter se ne sekajo med seboj. To znanje je bilo temelj za postavljanje hipotez in izvedbo poskusov.
Poskuse
smo zaradi epidemije korona virusa opravljali doma, zato nismo mogli
uporabljati pripomočkov, ki bi so jih drugače lahko na fakulteti sposodili za
izvedbo poskusov. Mentorji so nam bili seveda pripravljeni pomagati tudi kar se
tega tiče, vendar nismo imeli privilegija impulzivnega eksperimenta s
profesionalnimi napravami. Za merjenje magnetnega polja smo uporabljali
aplikacijo Phyphox na telefonu.
1. Telefon z aplikacijo Phyphox
Aplikacija Phyphox uporablja senzorje na mobilni napravi za
opravljanje meritev in eksperimentov. Je precej zanesljiva, priporočili so nam
jo tudi mentorji. Vseeno pa so kot pri vsakem merjenju tudi s to aplikacijo
možne napake, bodisi zaradi naših mobilnih naprav, bodisi zaradi napak v
aplikaciji ali zaradi naših, človeških napak.
Vse meritve, ki so uključevale fizikalne količine smo
opravljali z aplikacijo phyphox, ki uporablja veliko različnih senzorjev,
povezanih s telefonom. Naša naloga je od nas zahtevala, da
spoznamo magnetno polje okoli magneta, zato smo za meritve uporabili
magnetometer.
Pri nastavitvah senzorja ni bilo (veliko) težav. Magnetometer meri gostoto magnetnega polja v odvisnosti od časa (B(t)). V našem primeru smo hoteli izmeriti magnetno polje v odvisnosti od položaja, zato smo se poskušali čez predmet premikati s stalno hitrostjo. Z enakomernim potovanjem preko magneta smo tako merili B(x).
Naekrat potekajo tri meritve v X, Y in Z smer. Telefon ima v sebi magnetometer,
ki je sposoben služiti tudi kot kompas. Y komponenta meri magnetno
polje vzporedno daljši stranici telefona, X komponenta meri magnetno polje vzporedno
na krajšo stranico telefona, Z pa meri magnetno polje ven iz telefona (glej sliko 1) . Od Z komponente je odvisna amplituda nihanja gostote magnetnega polja, pri enakomernem vlečenju preko magneta.
Slika1 Koordinatni sistem, vir: uradna spletna stran Phyphox
Magnetometer ima tudi opcijo absolutne meritve magnetnega polja, katera sešteje gostoto magnetnega polja v vseh treh smereh.
Naše meritve gostote magnetnega polja B[x] okoli magneta so bile odvisne od naslednjih spremenljivk:
- Razdalje med telefonom/senzorjem in magnetom (Z komponenta, glej sliko 1)
- Lokacije senzorja nad magnet (X/Y komponenta, odvisno od vrste telefona!, glej sliko 1)
- Čas pri našem poskusu ni pomemben, saj ko smo držali senzor pri miru nad telefonom dlje časa nismo opazili nobene spremembe jakosti magnetnega polja, če ostane magnet ta čas pri miru (
glej slika 2)
Slika2: Magnetno polje v odvisnosti od časa ko magneta ne premikamo.
Z phyphox smo merili gostoto magnetnega polja tako, da smo sprva iz delovnega prostora umaknili predmete, ki bi lahko vplivali na meritve tj. računalnike, ostale magnete, druge telefone...Te
napake so ampak so neprimerljive z gostoto magnetnega polja magneta, zato na
rezultat ne vplivajo.
Senzor je v vsakemu telefonu na drugem mestu. Zato ne moremo
vedet natančno na kateri lokaciji senzor zajema podatke. Lokacijo lahko
določimo na centimeter natančno kar pa je prevelika negotovost da bi lahko
določili odvisnost gostote magnetnega polja od položaja.
Izvajali smo dve vrsti meritev:
1.
Telefon držimo v roki in ga premikamo čez magnet. Tukaj je bil magnet
stacionaren, medtem ko smo v roki držali telefon in ga poskušali enakomerno na
isti razdalji premikati čez magnet. Magnet in telefon sta bila z daljšima
stranicama pravokotna drug na drugega.
2. Telefon pritrdimo na neko lokacijo in mimo senzorja
premikamo magnet. Telefon je bil stacionaren, magnet pa smo ročno drsali po
ravni podlagi pod njim. Magnet in telefon sta bila z daljšima stranicama
pravokotna drug na drugega.
V obeh primerih smo ocenjevali kje je v našem telefonu
senzor za gostoto magnetnega polja in poskušali senzor postaviti na sredino magneta.
Z obema vrstama poskusov smo dobili podobne rezultate, a poskuse bi lahko izboljšali.
Z obema vrstama poskusov smo dobili rezultate iz katerih smo lahko razbrali rebrasto strukturo magneta, a poskuse bi lahko izboljšali.
1. poskus je zelo nenatančen, saj se nam roka lahko trese in
težko z enakomerno hitrostjo premikamo telefon čez magnet. Tresenje roke bi
vplivalo na razdaljo med telefonom in magnetom, kar vpliva na meritve jakosti
magnetnega polja. Neenakomerno premikanje roka, pa bi vplivalo na obliko grafa,
tako da bi naša sinusoida spreminjala periodo. Poskus izboljšamo tako, da bi
lahko izdelali robotsko roko, ki bi telefon enakomerno premaknila čez magnet. Ta
izboljšava je težka. Lahko bi pa tudi magnet postavili na knjigo, tako da
senzor gleda čez stranico. S tem bi se znebili spreminjanja višine, kar bi bila
izboljšava glede na prejšnji poskus.
2.
poskus je boljši, saj se enega problema, iz prvega rešimo tj. razdalja med
telefonom in magnetom. Ampak nam ostane problem neenakomernega premikanja
magneta mimo senzorja. Tega bi se lahko rešili z uvedbo motorja. Na motor privežemo
vrv na katero bi pritrdili na magnet. Če je motor sposoben enakomernega vrtenja
bi lahko tako premikali magnet pod senzorjem.( glej sliko3)
Slika3: Telefon (rumen kvader) in senzor (rdeč kvader), sta na podporah in sta stacionarna. Motor (siv valj) enakomerno povleče vrv (svetlo modra vijuga), katera je prilepljena na magnet (črn kvader).
Video1: prikaz merjenja
2. Kos železa in pila
Z drgnenjem s pilo po kosu železa smo dobili opilke, ki smo jih uporabili za vizualni prikaz magnetnega polja.
Slika4: pila in kos železa
Ko smo prvič dobili magnet v roke smo predvidevali, da je
paličast. To smo želeli tudi potrditi z poskusom, ker pa je naše delo potekalo
od doma smo do istega rezultata prišli na več načinov. Vsak član ekipe je
naredil svoj eksperiment.
Hipoteza 1: Neznan magnet je dipol paličasti magnet
Ime eksperimenta: Paličasti magnet
Namen: Paličast
magnete lahko najdemo v dveh oblikah. V prvi ima severni in južni pol na
skrajnih koncih magneta. V drugi pa sta pola na zgornji in spodnji strani
magneta. S poskusom želimo ugotoviti, katero vrsto paličastega magneta imamo.
Potek: Magnet razrežemo na polovico in približamo ista pola novega magneta.Na skici je drugi korak tisti v kateremu prerežemo magnet. V tretjem pa ju približamo. Naredimo obe variaciji poskusa, da lahko spoznamo katero vrsto magneta imamo.
Napoved: Naš magnet ima obliko kot na sliki 5 , če ga prerežemo in približamo odrezek robu matičnega magneta, se
odrezek in matični magnet obijata vsaj v eni kombinaciji.
Naš magnet ima obliko kot na sliki 6, če ga
prerežemo in približamo odrezek ploskvi matičnega magneta, se odrezek in
matični magnet obijata vsaj v eni kombinaciji.
Slika5: Skica predpostavljene zgradbe
Slika6: Skica predpostavljene zgradbe
Izid poskusa: Ko smo razrezali magnet na dva dela in preverjali ali se
ploščici med seboj odbijata ali privlačita smo ugotovili, da se privlačita v
vseh smereh. To pomeni da magnet nima dipolne strukture.
Izboljšave: Eksperiment in rezultat sta dokaj preprosto zasnovana, a vendar je rezultat zelo dobro opazen. Pri eksperimentu ni potrebnih izboljšav.
Slika7: pri premikanju magneta v prikazanem položaju opazimo rebrasto strukturo
Slika8: prerezan začetni magnet
Pri tem poskusu smo se začeli bolje spoznavati z magnetom in eno izmed opažanj je da pride pri drsenju magnetov v eni, točno določeni smeri (vzdolž daljših stranic na sliki 5) do preskakovanja. Zaznali smo vzorec rebraste strukture. Do te ugotovitve smo prišli naključno, ko smo se spoznavali z magnetom.
Hipoteza 2: Magnet je sestavljen iz dipolov kjer se izmenjujeta severni in južni pol (slika9)
Slika9: Skica zgradbe, kjer so paličasti magneti postavljeni tako, da izmenjujejo severni in južni poli
Ime eksperimenta: Opilki
Namen: Vizualizacija magnetnega polja okoli magneta.
Napoved: Opilki
se bodo prerazporedili v ravne linije pravokotno na smer v katero smo vlekli,
ko sta kosa magneta preskakovala.
Potek: Opilke
smo naredili z piljenjem železnih predmetov. Te opilke smo potresli po listu
papirja, pod katerega smo postavili magnet. Papir smo uporabili, ker nismo
želeli da opilki ostanejo na površini magneta. Poskus smo opravili na obeh
straneh magneta.
Izid poskusa: Opilki
so se postavili v vrste tako kot smo pričakovali, na obeh straneh magneta. Izmerimo še razdalje med vrstami. To naredimo tako da preštejemo število vrst, izmerili razdaljo med prvo in zadnjo prešteto vrsto in razdaljo delimo s številom vrst. Vrste so med seboj enakomerno oddaljene za razdaljo 2,53mm, enako široke in linije so enako
izrazite. Napaka pri meritvi pa je 0,2 mm. Izid poskusa potrjuje našo hipotezo.
Izboljšave: Rezultat
tega eksperimenta je bil jasno viden, kar pomeni da je bil eksperiment zelo
dobro zasnovan. Rezultat bi lahko izboljšali z prostorsko predstavitvijo
magnetnega polja, ampak za to je potrebna dodatna oprema, ki po navadi doma ni
na voljo. Lahko bi namesto opilkov uporabili (feritno tekočino), ki bi lepše
ponazorila spreminjanje magnetnega polja.
Slika10: Razporejeni magnetni opilki
Ime eksperimenta: Magnetno polje
Namen: Izmeriti
gostoto magnetnega polja.
Napoved: magnetno
polje bo izmenjujoče, ko bomo s senzorjem drsali čez magnet pravokotno na
linije. Opazno bo sinusno nihanje.
Potek: po
obeh zgoraj opisanih postopkih izmerimo gostoto magnetnega
polja na obeh straneh.
Izid poskusa:
Magnetno polje je izmenjujoče niha sinusno( slika11 )
. Perioda na sliki
bi morala biti konstantna, ampak je zaradi neenakomerne hitrosti vlečenja ni. Vsi naši poskusi so bili narejeni pod različnimi pogoji, zato ne moremo iz rezultatov dovolj natančno oceniti periode. Ocene bi imele preveliko napako, da bi iz njih lahko sklepali na dejansko periodo.
Opazili smo da je v povprečju magnetno polje
na eni strani izrazito močnejše( Slika12).
Če je magnet sestavljen iz izmenjujočih severnih in
južnih polov, bi morale biti obe strani enako močni. To pomeni da je hipoteza 2
ovržena.
Izboljšave: Opisane
zgoraj pri postopkih.
Opomba:
Negotovosti
pri merjenju z Phyphox . Največjo negotovost predstavlja hitrost vlečenja
telefona čez magnet. Neenakomerna hitrost vpliva na periodo in obliko
sinusoide. Zaradi tresenja roke se spreminja naša meritev vrednosti gostote
magnetnega polja.
Slika11: Sinusno nihanje polja ko vlečemo s stalno hitrostjo
Slika12: Primerjava magnetnega polja na obeh straneh ploskve magneta, leva stran grafa šibkejša stran, desna stran grafa močmejša stran
Z poskusi smo lahko prišli do te točke, nadaljevati pa nismo
morali zaradi pomankanja visokotehnološke opreme. Zato smo se pri temu delu
opirali na tuje vire(več lahko preberete tukaj). Lastnost da je ena stran magneta močnejša je značilna
za podkvaste magnete.
Sprva poglejmo kakšno bi bila gostota magnetnega polja po x osi, od enega samega podkvastega magneta. X os teče po središču magneta (glej sliko13 ) . Daleč stran od magneta je gostota magnetnega polja enaka nič, ko se približujemo južnemu polu bi začela počasi naraščati, dokler ne doseže svojega maksimuma nad središčem južnega pola magneta. Gostota potem začne padati, kjer doseže nič, na sredini med obema poloma in pada naprej do minimuma, ravno nad severni polom magneta (glej sliko14 ) .
Slika13: Postavitev koordinatnega sistema
Slika14: Skica gostote magnetnega polja pri prehodu
Predpostavimo 2 možni strukturi(slika 15)
Slika15: Skica dveh možnih postavitev majhnih podkvastih magnetov v našem magnetu
Z tem znanjem lahko začnemo obravnavati gostoto magnetnega
polja po x osi prve strukture. Pogledali si bomo samo dva zaporedna magneta v
strukturi, saj če je njun graf gostote magnetnega polja po x osi podoben našim
meritvam, potem ni razlike če si ogledamo dva ali pet zaporednih magnetov.
Magnetno polje daleč stran od magnetov je ponovno nič
in ko se približujemo južnem polu se začne večati vse do maksimuma, ko je točno
nad južnim polom. Gostota pade na nič na sredini med prvim magnetom in se
zmanjšuje do minimuma nad središčem severnega pola.
Tukaj pa naletimo na
problem. Kjer se magneta dotikata ne znamo opisati gostote magnetnega polja.
Vemo pa, da mora nad južnim polom naslednjega magneta doseči maksimum in se
potem ponovno zniža do nič in minimuma na severnem polu. Gostota magnetnega
polja, kjer se dotikata magneta, se mora iz minimuma prvega magneta hitro
dvigniti na maksimum drugega. Ta preskok bi moral biti opazen na naših
meritvah, ampak pa ni, zato lahko čeprav ne znamo popolnoma opisati odvisnost
gostote magnetnega polja od x osi rečemo, da je prva struktura napačna.
Slika16: Skica grafa gostote magnetnega polja v 1. strukturi
Na enak način pogledamo se drugo strukturo. Daleč stran magnetov je gostota magnetnega polja enaka nič. Ko se bližamo južnemu polu se začne počasi dvigovati do maksimuma točno na sredini južnega pola. Ko se premikamo iz južnega v severni pol se počasi znižuje na nič in spet naraste do minimuma na sredini stikališča severnih polov, potem pa spet narašča do maksimuma, ko se premikamo proti južnemu polu. Ta oblika grafa se sklada z našimi meritvami( slika18 ) , zato naši poskusi podpirajo razlago takšne strukture.
Slika17: Skica grafa gostote magnetnega polja v drugi strukturi
Slika18: Skica magnetnih silnic v strukturi (Prirejeno po: vir)
Slika19: Graf iz aplikacije Phyphox pri drsenju čez magnet po daljši stranici
Namen projektnega dela in naš končni cilj je bil spoznavanje
in poznavanje na začetku neznanega hladilniškega magneta. Vsak od nas je prejel
en magnet za raziskovanje. Naše delo je bilo razdeljeno in čeprav se nismo
nikoli fizično sestali in smo se pogovarjali le preko spleta, smo skozi pogovor
ugotovili, da smo imeli vsi podobne predstave o magnetu in da vstopamo s
podobnim osnovnim začetnim znanjem o magnetih. Na koncu smo opredelili in
opisali strukturo danega magneta, čeprav smo med delom naleteli na ovire in
obstajajo možnosti za napake. Naše začetno znanje nam je pomagalo ovreči
hipoteze, do zaključka o strukturi magneta pa smo prišli s pomočjo spleta.
Matrica Halbach je posebna razporeditev magnetov, ki
"upognejo" magnetni tok; na eni strani postane magnetno polje do
dvakrat močnejše, na drugi pa se zmanjša - razlika v moči magnetnega polja je
bila eden izmed naših glavnih opažanj. Zaradi epidemije je meritve vsak izmed
nas opravljal sam doma. Tudi to je vplivalo na to da so rezultati tako
različni, saj ob merjenju nismo imeli enakih pogojev. Zato smo tudi dodali le
nekaj slik grafov, za katere se nam je zdelo, da najbolje prikažejo opažanja. Čeprav
se je vsak od nas po svojih najboljših močeh potrudil in meritve opravljal v
kar se da nevtralnem okolju imamo seveda različne bivalne okoliščine, ki
dovoljujejo različne odmike od motečih dejavnikov. Prav tako ima vsak drugačen
telefon, nekateri se razlikujejo tudi po operacijskih sistemih. Čeprav smo vsi
uporabljali aplikacijo Phyphox so vsi ostali dejavniki dovolj vplivali na
meritve, da niso popolnoma enake. Vse skice in slike v poročilu smo narisali
ali poslikali sami, razen slika koordinatnega sistema v aplikaciji Phyphox, ki
je pobrana iz njihove uradne spletne strani.