CORSO BASE LEZIONE 8

CORSO BASE

INDICE

  1. Avvertenze
  2. Note sul Copyright
  3. Il Magnetismo ed il Campo Magnetico
  4. Curiosità: Il Principio di Hall
  5. Progetto 27 – Rilevazione presenza di Campo Magnetico – KY003
  6. Analisi dello Sketch: Progetto 27 – Uso del LED a bordo di Arduino
  7. Progetto 28 – Rilevazione analogica di un Campo Magnetico – KY035
  8. Curiosità: Il Metal Detector
  9. Progetto 29 – Magnetic Detector con il Linear Magnetic Hall Sensor KY024
  10. Analisi dello Sketch: Progetto 29 – Magnetic Detector

Avvertenze

Relativamente agli aspetti di sicurezza, poiché i progetti sono basati su alimentazione elettrica in bassissima tensione erogata dalla porta usb del pc o da batterie di supporto o alimentatori con al massimo 9V in uscita, non ci sono particolari rischi di natura elettrica. È comunque doveroso precisare che eventuali cortocircuiti causati in fase di esercitazione potrebbero produrre danni al pc, agli arredi ed in casi estremi anche a ustioni, per tale ragione ogni qual volta si assembla un circuito, o si fanno modifiche su di esso, occorrerà farlo in assenza di alimentazione e al termine dell’esercitazione occorrerà provvedere alla disalimentazione del circuito rimuovendo sia il cavo usb di collegamento al pc che eventuali batterie dai preposti vani o connettori di alimentazione esterna. Inoltre, sempre per ragioni di sicurezza, è fortemente consigliato eseguire i progetti su tappeti isolanti e resistenti al calore acquistabili in un qualsiasi negozio di elettronica o anche sui siti web specializzati.

Al termine delle esercitazioni è opportuno lavarsi le mani, in quanto i componenti elettronici potrebbero avere residui di lavorazione che potrebbero arrecare danno se ingeriti o se a contatto con occhi, bocca, pelle, etc. Sebbene i singoli progetti siano stati testati e sicuri, chi decide di seguire quanto riportato nel presente documento, si assume la piena responsabilità di quanto potrebbe accadere nell’esecuzione delle esercitazioni previste nello stesso. Per i ragazzi più giovani e/o alle prime esperienze nel campo dell’Elettronica, si consiglia di eseguire le esercitazioni con l’aiuto ed in presenza di un adulto.

Roberto Francavilla

Il Magnetismo ed il Campo Magnetico

Questa Lezione la dedichiamo allo studio del Campo Magnetico. Questo è un argomento importante ed impegnativo, per cui mi rendo conto che potrebbe risultare un argomento difficile per i più giovani. Cercherò di spiegarlo nel modo più semplice possibile, ma se non dovessi riuscirci… non vi preoccupate ! Andate avanti lo stesso.

Innanzi tutto definiamo cos’è il magnetismo: cioè quella proprietà che alcuni corpi possiedono nell’attirare a se oggetti di natura ferrosa.

I corpi con questa proprietà sono detti calamite o magneti. La magnetite, un minerale di ferro, è un esempio di magnete naturale. Una calamita attrae corpi ferrosi in corrispondenza delle sue estremità, che sono chiamate poli magnetici. Questi due poli non sono uguali e si distinguono in polo nord (N) e polo sud (S). I poli dello stesso tipo (N-N e  S-S) si respingono e poli di tipo opposto (N-S e S-N) si attraggono.

I poli di un magnete non possono essere mai separati, se si divide un magnete esso ripristinerà i poli come erano nella dimensione originaria.

Il campo magnetico, in fisica, viene definito così: il campo magnetico è un campo vettoriale, capace di attraversare i corpi, generato nello spazio dal moto di una carica elettrica o da un campo elettrico variabile nel tempo. Cerchiamo di decifrare ciò che dice la fisica in termini più semplici.  Quindi, abbiamo dei materiali che sono normalmente magnetizzati e materiali che possono diventare delle calamite se attraversati da una corrente.

Innanzi tutto vediamo perché la fisica parla di “campo vettoriale”. Il campo magnetico è definito “vettoriale” perché le sue linee di forza, cioè le aree di influenza, hanno una direzione ben precisa. Nel caso di magnete realizzato grazie alla circolazione di corrente, il campo magnetico prodotto dipende dalla direzione in cui circola la corrente elettrica. Nel caso di magneti permanenti, invece, le linee di forza vanno dal Polo Nord al Polo Sud del magnete. In campo elettronico ed elettrotecnico, il campo magnetico generato da una corrente elettrica è quel fenomeno più utilizzato nei più svariati scopi.

L’area di influenza del campo magnetico è lo spazio in cui noi possiamo osservare il fenomeno del magnetismo. Ovviamente più siamo vicini a ciò che produce il campo magnetico, sia esso un materiale attraversato dalla corrente che un magnete permanente, è maggiore è l’effetto di tale campo.

E’ possibile fare anche un esperimento molto semplice per visualizzare le linee di forza del campo magnetico prodotto da un magnete permanente. Basta prendere un cartoncino bianco e liscio e lo si ricopre (spolverando) di limatura di ferro (la limatura di ferro è lo scarto della lavorazione del ferro, sono aghi in ferro molto piccolini, sembrano tante pagliuzze). Quando  viene posto, sotto il cartoncino, un magnete; dando delle leggere scosse al cartoncino, la limatura di ferro, magnetizzata, si dispone lungo le linee di forza del campo magnetico, componendo il disegno della proiezione sul piano delle stesse linee di forza.

Anche la Terra ha un suo Campo Magnetico e diversi fisici e studiosi pensano che sia dovuto alla grande quantità di ferro e nichel presenti nel nucleo (altre teorie invece dicono che il campo magnetico generato dalla Terra sia di natura elettrica). Comunque, sicuramente avete avuto modo di vedere una bussola il cui ago si allinea alle linee di forza del campo magnetico della Terra indicandone il Polo Nord magnetico che è leggermente diverso dal Polo Nord geografico.

Come ho detto in precedenza, in elettrotecnica ed in elettronica il fenomeno del magnetismo è molto utilizzato, infatti in questa Lezione vedremo alcuni progetti che utilizzano tale fenomeno per regolare determinati eventi. Il principio utilizzato è il cosiddetto “effetto Hall”.

Curiosità: Il Principio di Hall

Per misurare il Campo Magnetico è utilizzato il cosiddetto Principio di Edwin Hall, un fisico americano, che notò che se facciamo attraversare una lamina di metallo (o di semiconduttore) da una corrente continua tra i morsetti « + » e « – » e questa lamina la immergiamo in un campo magnetico, il flusso della corrente (o meglio degli elettroni) viene deviato e quindi si crea un accumulo di cariche verso i bordi esterni della lamina, tanto che tra i morsetti «a» e «b» si crea una differenza di potenziale (tensione di Hall) misurabile. Tale accumulo è tanto più grande, quanto più grande è il campo magnetico e di conseguenza la tensione ai capi dei morsetti «a» e «b» sarà più elevata. I segni della tensione di Hall dipende dalla polarizzazione magnetica e dalla tensione applicata alla lamina.

Questo principio ha diverse applicazioni soprattutto in meccatronica, infatti sfruttando il principio che il campo magnetico è influenzato dalla tipologia di materiale in cui esso è applicato, noi possiamo, grazie alla sonda di Hall, misurarne le variazioni. Grazie a queste variazioni noi possiamo controllare se un prodotto ferroso (ad esempio da un laminatoio) è stato realizzato correttamente (nessuna variazione di campo), oppure contare il numero di giri di un albero motore, etc.

Ad esempio nella figura sopra è illustrato un sistema di misura, senza contatto con la parte in movimento, per misura la velocità di un disco rotante o il numero di giri di un ingranaggio, anche quando queste parti in movimento sono all’interno di involucri in plastica o in metallo

Un altro esempio di applicazione della sonda di Hall è quello rappresentato nella figura sotto:

Sistema di misura della corrente senza contatto con la parte tensione. Questo metodo sfrutta il principio che una corrente elettrica produce un campo magnetico e quindi grazie alla misura del campo magnetico possiamo misurare la corrente elettrica senza creare un contatto con la parte in tensione.

Progetto 27 – Rilevazione presenza di Campo Magnetico – KY003

Per questo progetto ci occorre:

Il Modulo sensore ad effetto Hall – KY003 è costituito da un componente sensibile agli effetti del campo magnetico (il cui nome è indicibile! una serie di numeri e lettere senza senso…  ) e dalle caratteristiche indicate dal produttore, lavora bene anche ad alte temperature.

Sul modulo è presente una resistenza da 680 Ohm e un LED che si attiva in caso di presenza di campo magnetico.

Al PIN indicato con S è disponibile il segnale che andrà ad un PIN digitale di Arduino, al PIN indicato con “-“ occorre collegare il GND di Arduino ed al PIN con “+” oppure non è indicato nulla, o anche indicato con Vcc, occorre dare l’alimentazione a 5V da Arduino.

Lo schema elettrico di collegamento è:

Per prima cosa prendiamo il nostro Arduino, dei cavetti Dupont maschio-maschio e il sensore, che in Inglese è chiamato Hall Magnetic Sensor.

Colleghiamo il tutto come da schema di montaggio sotto:

Il PIN di segnale “S” viene collegato al PIN digitale 3 di Arduino, per il resto basta collegare l’alimentazione al 5V e la massa al GND di Arduino.

Apriamo l’IDE e dopo aver aperto una finestra “Nuova”, copiamoci lo sketch sotto:

Si carica lo sketch su Arduino ed a questo punto, muovendo vicino al sensore un magnete è possibile osservare che si accende e si spegne il LED al PIN13, questo in funzione ovviamente della distanza tra magnete e sensore. Quando il campo magnetico ha una intensità tale da essere rilevato dal sensore si accende il LED del PIN 13 su Arduino, anche il LED posto sul modulo si accende (ma non tutti i moduli riportano tale LED).

Video-Progetto 27 – Rilevazione presenza di Campo Magnetico – KY003

Analisi dello Sketch: Progetto 27 – Uso del LED a bordo di Arduino.

A volte per non stare a montare un LED ed una resistenza per verificare la funzionalità di un determinato circuito o modulo, è possibile utilizzare un LED che Arduino mette a disposizione degli utenti. Tale LED è collegato al PIN digitale 13 e per essere utilizzato va configurato come se ci fosse un LED esterno collegato al PIN 13.

Per cui va definito a quale PIN è collegato il LED:

int Led = 13;                //LED presente su Arduino

Nel void setup, va specificato che è un PIN in output:

pinMode(Led, OUTPUT);         //settiamo il LED come OUTPUT

Ed infine va acceso o spento con un qualsiasi LED:

digitalWrite(Led, HIGH);

Anche gran parte dei cloni di Arduino portano tale LED.

Progetto 28 – Rilevazione analogica di un Campo Magnetico – KY035

Con il modulo KY-035 Analog Hall magnetic sensor è possibile rilevare in modo continuo il campo magnetico in quanto trattasi di un modulo sensore che ha una uscita analogica.

Per questo progetto ci occorre:

Il Modulo KY035 ha la stessa piedinatura del KY003, con l’unica differenza che al PIN indicato con “S” c’è il segnale analogico e non solo l’ON/OFF del KY003.

Lo schema elettrico di collegamento è il seguente.

Prendiamo il nostro Arduino, dei cavetti Dupont maschio-maschi e il sensore.

Per questo progetto montiamo il circuito come il precedente con l’unica differenza che l’uscita del segnale viene portato ad un PIN analogico, in particolare, nel nostro caso, al PIN numero A5.

Apriamo l’IDE e scriviamo lo sketch sotto.

Anche in questo caso, una volta caricato lo sketch su Arduino, muovendo vicino al sensore un magnete è possibile osservare la variazione di intensità del campo magnetico e grazie alla funzionalità di “Plotter Seriale” dell’IDE, possiamo anche avere il tracciato del valore dello stesso campo magnetico che ha in funzione della distanza.

Per attivare il Plotter Seriale, andate su “Strumenti” e poi cliccate su “Plotter Seriale”.

Video-Progetto 28 – Rilevazione analogica di un Campo Magnetico – KY035

Curiosità: Il Metal Detector

Il principio di funzionamento di un Metal Detector è molto semplice; abbiamo detto che una corrente produce un campo magnetico e se questa corrente varia nel tempo, il campo magnetico prodotto, anch’esso, varierà nel tempo.

Nel 1834 il Fisico russo Emil Lenz scoprì che sottoponendo un materiale conduttore (come ad esempio lo sono i metalli) ad un campo magnetico variabile nel tempo, su di esso viene prodotta una corrente elettrica che a sua volta produce un campo magnetico che va a contrapporsi a quello che genera la corrente (la cosiddetta Legge di Lenz). Quindi, un metal detector, grazie ad una bobina percorsa da una corrente variabile, produce un campo magnetico variabile, di conseguenza sul metallo che magari è nel suolo, si produce un contro-campo magnetico e quindi basta rilevare tale contro-campo magnetico che si trova il metallo che noi stiamo cercando.

Più il campo magnetico è variabile nel tempo e maggiore sarà l’intensità del campo magnetico indotto nel metallo che stiamo cercando e quindi maggiore è la profondità di indagine nel terreno che possiamo effettuare. In questo modo si trovano oggetti metallici, si effettua la bonifica da ordigni bellici,…. si trovano TESORI!

Con le conoscenze acquisite in questa lezione siamo in grado di costruirci un cerca…magneti!

Progetto 29 – Magnetic Detector con il Linear Magnetic Hall Sensor KY024

Per questo progetto non utilizzeremo né il modulo sensore KY003 e neanche il KY035, ma il modulo sensore KY024, ovvero il Linear Magnetic Hall Sensor. Questo modulo si differenzia rispetto ai primi due perché ha entrambe le funzionalità, cioè ha una uscita analogica ed una digitale:

Il PIN con indicato A0 è l’uscita analogica, quello con la sigla D0, invece, è l’uscita digitale, mentre il PIN con la G sta per Ground e quello con il “+” sta per l’alimentazione (a 5 V).

Il modulo presenta anche un trimmer che può essere regolato per regolare la sensibilità del sensore e quindi il valore di soglia per l’accensione del LED. Sul modulo sono presenti due LED, uno è acceso quando il modulo è alimentato e l’altro quando c’è presenza di un campo magnetico.

 

Per questo progetto ci occorre:

Lo schema elettrico di collegamento è:

Per cui procediamo ai collegamenti come da schema sotto:

Apriamo l’IDE e scriviamo lo sketch sotto.

Il seguente sketch di Arduino leggerà i valori dalle interfacce del sensore, sia quella digitale che quella analogica. L’interfaccia digitale accenderà il LED al PIN 13 di Arduino quando viene rilevato un campo magnetico ed emetterà un suono da Buzzer.

L’interfaccia analogica parte da un valore iniziale determinato dalla tensione di ingresso (regolata dal trimmer), questo valore aumenterà o diminuirà in base all’intensità e alla polarità del campo magnetico. Per una migliore rappresentazione grafica, il valore iniziale è posto a zero.

Provate a muovere il magnetic detector in prossimità di un magnete per vederne l’effetto e tramite il trimmer regolarlo di conseguenza.

Usiamo sempre il Plotter Seriale per avere la rappresentazione grafica dei valori.

Video-Progetto 29 – Magnetic Detector con il Linear Magnetic Hall Sensor KY024

Analisi dello Sketch: Progetto 29 – Magnetic Detector

L’unico osservazione, degna di tale nome, allo sketch  riguarda l’istruzione analogRead ()  che imposterà automaticamente il PIN analogico A0 come INPUT , per cui l’istruzione pinMode(analogPIN, INPUT) può anche essere omessa, ma per motivi didattici l’ho comunque riportata, tale istruzione, onde evitare di generare confusione.

Inoltre come è possibile vedere dalla logica decisionale impostata con l’if ed else, se il valore del campo magnetico è basso (minore del livello di soglia regolato con il trimmer), metto forzatamente la variabile di lettura del segnale analogico a 0 e tengo spenti Led e Buzzer.

Ovviamente tale logica può essere modificata a piacimento.

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