Magnetfeldsensor

Ein Magnetometer im Einsatz, August 2004

Ein Magnetometer ist eine sensorische Einrichtung zum Messen von magnetischen Flussdichten. Magnetische Flussdichten werden in der Einheit Tesla (T) gemessen, und übliche Messbereiche von Magnetometern bewegen sich in einem Größenbereich von circa 10^-15 T bis 10 T. Wegen des großen Wertebereiches kommen unterschiedliche Messverfahren unter dem Begriff "Magnetometer" zum Einsatz.

Typen

Hier eine Auflistung der gebräuchlichsten Magnetometer:

• SQUIDs messen mit einem supraleitenden Ring (Josephson-Effekt) die physikalisch kleinste messbare Einheit der magnetischen Flussdichte. Obwohl sie prinzipiell die empfindlichsten Magnetometer sind, ist ihr Einsatz durch die benötigten tiefen Temperaturen bei der Supraleitung und die damit verbundenen Installationen (z. B. Kryostaten) sehr aufwendig. Sie werden nur im Labor eingesetzt.

• Protonenmagnetometer

• Magnetometer auf Basis von Bose-Einstein-Kondensaten (BEC-Magnetometer) mit einer Empfindlichkeit von 10^-14 T sowie einer räumlichen Auflösung von 3 µm.

• Optisch gepumpte Magnetometer, wie z. B. Overhauser-Magnetometer oder Cäsium-Magnetometer.

• Förster-Sonden oder "Saturationskern-Magnetometer" (engl.: Fluxgate oder "Second-harmonic-detector")

Darüber hinaus gibt es noch weitere Sensoren für magnetische Flussdichten, die aber selten unter dem Begriff Magnetometer verwendet werden. Sie sind nicht so empfindlich und rauscharm wie die bisher genannten:

• "XMR"-Sensor; Dünnschicht-Sensoren, die unter Einfluss des magnetischen Flusses direkt ihren Widerstand ändern und daher "X-MagnetoResistiv" heißen, wie GMR-Sensor ("Giant", GMR-Effekt), AMR-Sensor ("Anisotropic" AMR-Effekt) oder CMR-Sensoren ("Collosal").

• Hall-Sensoren.
• Feldplatte.

Obwohl "XMR"-Sensoren und Hall-Sensoren nicht so empfindlich wie die oben genannten sind, finden sie durch ihren einfachen Aufbau (Halbleitertechnik) und die damit verbundene günstige Herstellung bei einfacheren Messaufgaben wie im Automobilsektor oder in der Automatisierungstechnik einen breiten Absatz.

Anwendung

Eine der klassischen Aufgaben eines Magnetometers ist es, das Erdmagnetfeld mit seinen Schwankungen zu vermessen (Geomagnetik). Treten lokale Abweichungen des Magnetfeldes an der Erdoberfläche auf, so deutet dies auf ferromagnetische Materialien im Untergrund hin. Diese Störungen können zur Detektion von so unterschiedlichen Objekten wie z. B. Erzlagerstätten, U-Booten, Altlasten (z. B. Blindgänger) oder archäologischen Strukturen dienen.

Eine hohe Bedeutung haben Magnetometer in der Raumfahrt. Sie kommen dort als Lagesensoren zum Einsatz und werden dazu verwendet, die Lage eines Satelliten zu bestimmen.

U-Boot-Jagdflugzeug P-3 Orion mit MAD-Vorrichtung am Heck

Antonow An-12 Cub mit MAD-Vorrichtung am Heck

Von Luftfahrzeugen aus eingesetzte Magnetometer sind vor allem im militärischen Bereich auch unter der Abkürzung MAD (magnetic anomaly detector) bekannt. Um eine Beeinflussung durch ferromagnetische Bauteile des Luftfahrzeuges zu minimieren, werden solche Magnetometer entweder an einem Seil hinter dem Luftfahrzeug her geschleppt oder beispielsweise in einer stachelartigen Verlängerung des Rumpfhecks untergebracht.

Erdmagnetfeld

Das Erdmagnetfeld, das nur annäherungsweise ein Dipolfeld ist, wird von außen etwa durch elektrische Felder in der hohen Atmosphäre, die durch Polarlichter sichtbar werden können, aber auch vom Inneren der Erde durch Körper mit eigenem Magnetismus beeinflusst. Eine metallhaltige Schmelze etwa nimmt die beim Abkühlen herrschende Ausrichtung des Erdmagnetfeldes an. Verändern sich später ihre Lage oder die Pole des Magnetfeldes, erzeugt das erkaltete Metall ein Störfeld. Dies kann im Großen durch einen Erzgang, aber auch im Kleinen durch einen in der Wand verborgenen Nagel geschehen.

Die Auslenkung einer Magnetnadel wird durch solche Störfelder allerdings viel zu wenig verändert, als dass man sie mit dem bloßen Auge erkennen könnte. Man benötigt daher für mechanische Magnetometer - neben einer nahezu reibungsfrei gelagerten Magnetnadel - eine starke Ableseoptik. Neben der rein mechanischen Messung kann der Hall-Effekt zur elektrischen Magnetfeldmessung verwendet werden. Ein moderneres Verfahren ist die Messung mit einem Protonen-Präzessions-Magnetometer, das auf subatomaren Wechselwirkungen basiert.

Geschichte

Carl Friedrich Gauß

Den ersten Magnetometer entwickelte 1832 der deutsche Physiker und Mathematiker Carl Friedrich Gauß, der die Beschreibung des Meßgerätes am 18. Dezember 1833 in einem Vortrag über das Erdmagnetfeld "Intensitas vis magneticae terrestris ad mesuram absolutam revocata" (Die Stärke des Erdmagnetismus auf absolute Messungen reduziert) vor der königlichen Societät vorstellte, das in Folge auch gedruckt wurde. Im Jahr 1837 entwickelte Gauß seine Erfindung, den Unifilarmagnetometer, mit dem Messungen zeitaufwendig waren, gemeinsam mit Wilhelm Weber zum wesentliche genaueren und rasch messenden Bifilarmagnetometer [1] weiter.

Vor den beiden Entwicklungen von Gauß war eine absolute Messung der Stärke von Magnetfeldern nicht möglich. Alexander von Humboldt hatte folgende Methode mit Geräten des Franzosen Gambey zur Stärkebestimmung benutzt: Eine Magnetnadel oder ein Magnetstab wird an einem Faden so aufgehängt, dass sich Nadel oder Stab horizontal frei drehen können. Die Nadel oder der Stab werden sich entsprechend dem örtlich wirksamen Erdmagnetfeld ausrichten. Wenn die Nadel nun durch einen Stoß außerhalb dieser Linie gebracht wird, schwingt diese gemäß der Stärke des einwirkenden Magnetfeldes zur Ausgangsposition zurück, wegen ihres Drehmoments aber darüber hinaus und dann wieder durch die Kraft des Magnetfeldes zurück, etc. Die Dauer dieser Pendelbewegung um die ursprüngliche Ausrichtung, die Schwingungsperiode, erlaubt bei bekanntem Drehmoment die Berechnung der Stärke der einwirkenden Kraft, also des Magnetfeldes. Eine exakte Messung erfordert aber eine gleichbleibende Stärke des Magneten selbst, die aber mit der Zeit und dabei vor allem mit der Temperatur wechseln kann. So war es nicht möglich, die Messungen zu eichen. Gauß löste das Problem, in dem er dieser Versuchsanordnung einen zweiten Magneten hinzufügte, wobei die Einwirkung des ersten auf den zweiten frei aufgehängten Magneten mit dem Erdmagnetfeld konkurriert. Indem die zwei Magneten in unterschiedliche Positionen zueinander gebracht werden und jedes Mal gemessen wird, kann durch Vergleich die jeweils aktuelle Stärke der Messmagneten herausgerechnet und die Magnetstärke des Erdmagnetfeldes objektiv bestimmt werden. Die für den Vergleich günstigen Positionen werden als Gauß'sche Lagen bezeichnet.

Die genaue Bestimmung der unterschiedlichen Winkel erreichte Gauß, indem er kleine Spiegel auf den Magneten anbrachte. Die Winkel wurden vom reflektierten Bild einer genau geeichten Skala auf dem Spiegel mittels eines Prismenfernglases mit Fadenkreuz exakt abgelesen.

Literatur

• Pavel Ripka (Hrsg.): Magnetic sensors and magnetometers. Artech House, Boston 2001, ISBN 1-58053-057-5

Weblinks

• Gauß als Erfinder des Magnetometers: Auf der Seite den Link unten rechts anklicken. [2]
• Vortrag des Hofrathes Gauß in Göttingen, das Bedürfnis eines besonderen Locals für magnetische Beobachtungen betreffend [3]
• Zierliche Construction für die magnetische Ablenkung [4] (von hier aus kommt man zu weiteren Artikeln mit Rechenregeln)