Индикатор индукции магнитного поля

Министерство образования РФ
Научно-исследовательская
работа
Тема: создание диагностического устройства для
регистрации длины шага при произвольной
ходьбе.
Выполнили:
Воронин Виталий Сергеевич
11м клаcс шк. №7
Круглов Юрий Павлович
9м класс шк. №7
Научный руководитель:
Абловацкая М. М. учитель, шк.№7
Научный консультант:
кандидат физико-математических наук
доцент кафедры общей и теоретической физики
КГПУ им. В.П. Астафьева
Прокопенко В. С.
Рецензент:
кандидат физико-математических наук,
декан факультета физики и информатики
КГПУ им. В.П. Астафьева
А. Г. Черных.
Красноярск 2007 г.
Оглавление
I. Введение………………………………………………………………………………………....3
II. Рассмотрение известных методов определения длины шага……………………………...…4
III. Блок-схема измерителя длины шага…………………………………………………...………5
IV. Теоретические исследования:
1.
Явление электромагнитной индукции…………………………………………...……6
2.
Теоретический расчет распределения магнитного поля в окрестности
короткого соленоида…………………………………………………………………….6
V. Экспериментальные исследования:
1. Измерение магнитного поля с помощью школьного индикатора индукции И554.
а) Принцип действия………………………………………………………………...…….7
б) Изучение зависимости показаний прибора от расстояния…………………………..8
2. Измерение магнитного поля созданным индикатором длины шага.
а) Выбор оптимальной частоты тока для получения максимального сигнала………..9
б) Изучение зависимости показаний прибора от расстояния,
выбор оптимального относительного расположения катушек…………………….…10
в) Анализ полученных зависимостей, объяснение эффекта “нулевого” сигнала…...12
VI. Перспективы…………………………………………………………………………………..12
VII. Выводы………………………………………………………………………………………..13
Список литературы………………………………………………………………………………..14
2
I. Введение
Исследование
выполнено
по
заданию
красноярского
филиала
научно-
исследовательского института неврологии РАМН.
Актуальность
В нашем развивающемся, бурлящем мире люди получают большие психологические
нагрузки, что может привести к развитию некоторых нервных расстройств. При различных
неврологических заболеваниях наступает нарушение в структуре ходьбы человека (паркинсонизм,
различные парезы и др.). Однако поставить точный диагноз в таких случаях бывает очень трудно,
так как болезнь проявляется в малозаметных деталях, например, непостоянство длины шага.
Диагностика тяжести заболевания может быть осуществлена, в частности, путем анализа
временной и пространственной организации движений. Ясно, что необходим прибор, который
может длительное время вести контроль над изменением длины шага. В данной работе показана
одна из возможных конструкций такого прибора.
Цель настоящего исследования – создание устройства для регистрации длины шага при
произвольной ходьбе. Исследование состояния дел по проблеме показало, что существуют
дорогостоящие стационарные установки, позволяющие точно измерять длину шага, но на
ограниченном отрезке пути (до 10 м.). Необходимо резко увеличить длину пути при тестировании,
причем – в произвольном темпе и на произвольном расстоянии (до 100 м.).
Цель работы: создание диагностического прибора для регистрации длины шага при
произвольной ходьбе.
Объект изучения: переменные электромагнитные поля.
Задачи:
1.
Рассмотрение действующих приборов для регистрации длины шага в медицинских
учреждениях и выбор наиболее совершенного принципа действия.
2.
Создание блок-схемы установки для регистрации длины шага, на основе принципа
электромагнитной индукции.
3.
Построение теоретического распределения магнитного поля в окрестности короткого
соленоида.
4.
Выбор оптимальных параметров прибора по итогам экспериментальных исследований.
Построение зависимости показаний индикатора от расстояния до источника волн.
5.
Создание модели
диагностического прибора для
регистрации длины шага при
произвольной ходьбе.
3
II. Рассмотрение известных методов определения длины шага.
В настоящее время для диагностики по изменению длины шага используются стационарные
установки, представляющие собой дорожку длиной не более десяти метров. Дорожка состоит из
поперечных металлических полосок, расстояние между которыми два-три сантиметра. Пациент,
проходя по дорожке в специальной обуви, на подошве которой находятся металлические
контакты, замыкает цепь. Таким образом можно отследить длину шага. Однако такая дорожка
сложна в эксплуатации и обслуживании, часто не дает точных результатов, кроме того,
дорогостояща. Дорожки имеют в длину не более десяти метров, пациент не успевает войти в свой
обычный ритм ходьбы, что осложняет диагностику.
Проблема может быть решена, если увеличить длину дорожки. Однако это в высшей степени
нерационально. Значит необходимо использовать другой принцип измерения.
Предложение собственного метода определения длины шага.
Мы выбрали для измерения длины шага принцип электромагнитной индукции, так как
электромагнитное поле легко управляемо. Это надежный, мобильный и действующий длительно
способ. Наш прибор обеспечивает постоянное точное слежение и запись изменения длины шага.
Выбранный нами принцип работы позволил отказаться от сложного стационарного оборудования
и в то же время получить большую точность в постановке диагноза за счет практически
неограниченного времени сеанса.
Для подтверждения действенности такого подхода была собрана установка из двух
школьных трансформаторных катушек, одна из которых была подсоединена к источнику
переменного тока, а на другой регистрировался сигнал с помощью миллиамперметра (рис. 1).
Рис.1
Р
Полученная зависимость силы тока от расстояния между катушками говорит о возможности
применения данного метода для измерения длины шага.
4
Рис. 2
III. Блок-схема измерителя длины шага.
Мы представляем новый прибор для измерения длины шага, состоящий из следующих
элементов.
Рис.3
ИП – источник питания
1 – передающая катушка
2 – приемная катушка
Часть установки с передающей катушкой крепится на одну ногу, с приемной – на другую
ногу. Данные визуализируются на компьютере и обрабатываются непосредственно лечащим
врачом. Прибор должен соответствовать следующим критериям: чувствительность на расстоянии
до 80см, портативность.
5
IV. Теоретические исследования.
Явление электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция – возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в
проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном
магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называют индукционным.
Электромагнитная индукция открыта английским физиком М.Фарадеем в 1831г (и независимо
американским ученым Дж. Генри в 1832г). Согласно закону Фарадея, ЭДС индукции Ei в контуре
прямо пропорционально скорости изменения во времени магнитного потока Ф через поверхность
S, ограниченную контуром:
E i  k
dФ
;
dt
коэффициент пропорциональности k в системе единиц Гаусса равен 1/с, а в СИ k=1. Это
выражение называется законом Фарадея. Знак минус в правой части определяет направление
индукционного тока в соответствии с правилом Ленца. В постоянном магнитном поле ЭДС
индукции возникает лишь в том случае, когда магнитный поток через ограниченную контуром
поверхность изменяется во времени, т.е. контур при движении должен пересекать линии
магнитной индукции.
ЭДС индукции равна работе по перемещению единичного заряда вдоль замкнутого контура,
совершаемой силами вихревого электрического поля, которое, согласно уравнениям Максвелла,
порождается в пространстве при изменении магнитного поля со временем. Электромагнитная
индукция лежит в основе работы генераторов электрического тока, трансформаторов и т.д.
Теоретический расчет распределения магнитного поля в окрестности короткого
соленоида.
Магнитное поле, создаваемое круговым витком с током I в произвольной точке оси витка
(рис. 4) рассчитывается по формуле:
где h – расстояние до центра витка, R – радиус витка, S – площадь витка.
6
Рис. 4
Используя эту формулу, мы получили следующую графическую зависимость подставляя
следующие параметры:
I=50 мА, R=14 мм, 0 = 4 107 Гн/м.
Рис. 5
Теоретический график зависимости вектора магнитной индукции от расстояния по оси витка.
V. Экспериментальные исследования.
Измерение магнитного поля с помощью школьного индикатора индукции И554.
Для проведения эксперимента мы воспользовались школьным индикатором индукции
магнитного поля И554. Этот прибор предназначен для использования в качестве наглядно пособия
7
при демонстрации опытов по исследованию электромагнитных полей при изучении курса физики
в общеобразовательных школах.
Принцип действия.
Индикатор индукции магнитного поля И554 представляет собой замкнутый сердечник,
навитый из ленты сплава с высокой магнитной проницаемостью, на стержнях которого намотана
обмотка возбуждения, состоящая из двух соединенных последовательно обмоток по 100 витков
(провод ПЭВ-1 0.14) каждая.
Рис. 8
Обмотка возбуждения создает в сердечнике магнитный поток.
Поверх обоих стержней с обмоткой возбуждения расположена измерительная обмотка,
содержащая 1000 витков (провод ПЭВ-1 0.1).
Если через обмотку возбуждения индикатора пропустить переменный ток, то в
измерительной обмотке э.д.с. не возникает, так как суммарный магнитный поток, охватываемый
измерительной обмоткой в любой момент времени, равен нулю.
При появлении постоянного внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси
измерительной обмотки (направление которой определяется «остриями» сердечника), в последней
наводится э.д.с. удвоенной частоты, пропорциональная индукции наблюдаемого магнитного поля.
Изучение зависимости показаний прибора от расстояния.
Питание обмотки возбуждения индикатора мы осуществили переменным током частоты 2000
Гц. Измерительная обмотка индикатора подключается к зажимам переменного тока школьного
демонстрационного гальванометра. Мы подключили выводы обмотки возбуждения индикатора с
маркировкой «ЗГ» к зажимам школьного генератора ГЗЛ. Звуковой генератор был установлен на
частоту 2000 Гц. При включении генератора индикатор начинает слабо звучать, что говорит о его
работе и отсутствии обрывов. Введя индикатор в переменное магнитное поле, мы пронаблюдали
за отклонением указателя гальванометра. Наибольшее отклонение указателя гальванометра
происходило при совпадении направления испытуемого поля с направлением концов сердечника.
После обнаружения явления электромагнитной индукции мы начали поиск количественных
отношений, т.е. зависимостей силы тока на улавливающей обмотке индикатора, от расстояния его
до источника постоянного магнитного поля. После обработки экспериментальных данных был
получен следующий график:
8
Рис. 9
Выводы.
Данный прибор не обладает достаточной чувствительностью, так как для надежной
регистрации длины шага необходимо достичь верхнего предела измерений в районе одного метра.
Можно воспользоваться принципом действия этого прибора и построить собственный,
обладающий приемлемой чувствительностью. Для этого следует применять переменные
электромагнитные поля, как более легко управляемые.
Измерение магнитного поля созданным индикатором длины шага.
Выбор оптимальной частоты тока для получения максимального сигнала.
У нас появилось предположение, что, возможно, следует менять частоту тока, подающегося
на излучающую катушку для изменения интенсивности электромагнитного поля. Для выяснения
оптимальной частоты, при которой сигнал будет максимальным, мы подключили клеммы
передающей катушки к школьному звуковому генератору ГЗЛ.
Рис. 6
В ходе плавного изменения частоты и фиксации показаний осциллографа была получена
следующая зависимость:
9
Рис. 7
Из данной зависимости видно, что при частоте 2,4 кГц сила тока максимальна.
Изучение зависимости показаний прибора от расстояния, выбор оптимального
относительного расположения катушек.
Для проведения эксперимента мы собрали следующую установку: на общей оси были
закреплены две катушки, содержащие 1500 и 6000 витков провода соответственно. Одна из
катушек
укреплена
неподвижно,
а
вторая
может
свободно
перемещаться
вдоль
оси
установки.
Рис. 10
Неподвижная катушка, передающая, подключена к школьному источнику переменного тока,
напряжение на ее клеммах – 5 вольт. Подвижная катушка – приемная, ее клеммы подключены к
осциллографу.
Рис. 11
После работы с данной установкой был получен следующий график зависимости силы тока в
приемной катушке от расстояния ее до неподвижной (излучающей) катушки:
10
Рис. 12
Кроме того, мы проводили опыт, передвигая подвижную катушку поперчено оси системы.
Рис. 13
В ходе эксперимента была получена следующая зависимость.
Рис. 14
11
На полученном графике обнаруживается резкое падение сигнала. Мы объясняем это
конфигураций поля передающей катушки: в некотором взаимном расположении вектор магнитной
индукции параллелен виткам приемной катушки.
Рис. 15
Анализ полученных зависимостей, объяснение эффекта “нулевого” сигнала.
Проанализировав эти зависимости, можно сделать вывод, что следует располагать катушки
вдоль параллельных осей. Проявление эффекта нулевого сигнала можно использовать для
определения разлета шага, это также необходимо для точной диагностики заболеваний. Мы
предполагаем установить две взаимно перпендикулярные передающие катушки на одной ноге.
Таким образом, это позволит нам определять не только длину шага, но и размашистость его.
Кроме того, наша установка позволяет проанализировать временную организацию движения, зная
подающую частоту.
VI. Перспективы.
В ходе дальнейшей работы мы планируем изготовить носимый генератор на интегральной
микросхеме, работающий от элемента питания, со следующими параметрами: напряжение 5В,
сила тока 50мА, частота тока 2,4 кГц. Система “запоминания” сигнала будет состоять из
собственно приемного устройства (катушки), операционного усилителя и диктофона.
12
VII. Выводы.
1. Найден метод определения длины шага, основанный на принципе электромагнитной
индукции.
2. Показана возможность создания портативного устройства для измерения и
регистрации длины шага.
3. Проведен теоретический расчет зависимости величины вектора магнитной индукции
от расстояния.
4. В ходе эксперимента было доказано, что построенный прибор обладает достаточной
чувствительностью и позволяет проанализировать временную и пространственную
организацию движения.
5. Предстоит сделать новое устройство действительно портативным, используя
генератор и усилитель на микросхемах. Возможно также создание программного
обеспечения для обработки полученного и записанного в течение сеанса сигнала с
помощью персонального компьютера.
13
Список литературы.
1. “Нейропластичность.
Актуальные
вопросы
неврологии
и
нейрореабилитации.”
Материалы конференции г. Красноярск 29сент-3окт 2006г. Прокопенко С.В. Статья “Возможности
комплексного восстанавливающего лечения при сформировавшемся неврологическом синдроме”.
2. “Нейропластичность.
Актуальные
вопросы
неврологии
и
нейрореабилитации.”
Материалы конференции г. Красноярск 29сент-3окт 2006г. Прокопенко В.С., Прокопенко С.В.,
Живаев В.П. Статья “К изучению временой и пространственной организации ходьбы в норме и
при патологии центральной нервной системы”.
3. “Справочник по физике”, Б.М. Яворский, А.А. Детлаф.
4. Гольдштейн Л.Д. и Зернов Н.В., Электромагнитные поля и волны, «Советское радио»,
1956.
5. Зоммерфельд А., Электродинамика, ИЛ, 1958.
6. Лоренц Г. А., Теория электромагнитного поля, ОНТИ, 1933.
14