Fadenmagnetometer zum Selbstbau

Ein Magnetometer ist ein Messinstrument zum Messen oder Aufzeichnen eines magnetischen Feldes.


Nachfolgend wird der Aufbau eines einfachen Magnetometers beschrieben, mit dem sich kurzzeitige Veränderungen des Erdmagnetfeldes mit erstaunlicher Auflösung registrieren lassen. Die Funktion basiert auf einen an einem Faden drehbar aufgehängten Magneten.

Das Magnetometer lässt sich sehr leicht und kostengünstig aufbauen. Die Beschreibung geht nur auf die notwendigen Grundbestandteile und Funktionsprinzipien ein und lässt somit dem interessierten Bastler kreative Freiheiten das Magnetometer an seine Gegebenheiten anzupassen und weiterzuentwickeln.

Auf die Angabe von Maßen oder Details wird im Wesentlichen verzichtet, da dafür keine Notwendigkeit besteht. Aufbau und Betrieb sind unkritisch.

Ein Magnetometer der beschriebenen Art wurde als "Reisemagnetometer" in ein Gehäuse mit den Maßen 160x120x60 mm eingebaut und konnte seine Leistungsfähigkeit während einer Reise nach Lappland im November 2012 eindrucksvoll unter Beweis stellen.                    Ergebnisse

Aber auch bei Messungen in mitteleuropäischen Breiten sind ohne Weiteres signifikante Aufzeichnungen möglich, die mit den Messkurven geeichter Magnetometer sehr gut übereinstimmen.

Mit Kompensation der X-Komponente des Erdmagnetfelds (Betriebsart mit Helmholtzspulenpaar) sind ohne Schwierigkeiten Änderungen im Bereich von 1 nT (!) in der Y-Komponente registrierbar.

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Als Aufhängung erprobt ist die Verwendung eines dünnen Nähfadens. Jede Art von Faden, der nicht zur "Steifigkeit" neigt, ist geeignet. Die Länge des Fadens spielt keine Rolle.

Aus konstruktionstechnischer Sicht günstiger ist die Verwendung zweier gleichartiger Magneten. Zwischen den beiden Magneten kann man eine dünne Schicht eines steifen Materials anbringen. Diese Trennschicht ist zum einen dafür vorgesehen als Halterung für den anzubringenden Spiegel zu dienen und zum anderen eignet sie sich um die Fadenaufhängung zu realisieren. Durch den symmetrischen Aufbau sind alle Komponenten im "Gleichgewicht".

Die Trennschicht darf nicht magnetischer Natur sein. Dünne Kunststoffplättchen haben sich in der Anwendung als geeignet erwiesen. Man kann sie sich beispielsweise aus Plastikverpackungen oder Böden von Joghurtbechern ausschneiden.

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Grundsätzlich gibt es viele Möglichkeiten, wie man Spiegel und Laser anordnet. Für das "Reisemagnetometer" hat es sich als vorteilhaft erwiesen den Laser nicht außerhalb der gesamten Vorrichtung anzuordnen, sondern fest in dem verwendeten Gehäuse zu integrieren. Auf langwierige Aufbauten und Justagearbeiten vor Ort kann dann verzichtet werden. Dazu war es allerdings notwendig die Spiegelebene ca. 45 Grad gegenüber den Magnetachsen zu verdrehen. Erreicht wurde dies dadurch, dass die Kunststoffschicht (Spiegelhalterung) partiell erhitzt und dabei verdreht wurde.

Als Laserlichtquelle eignet sich ein günstiger Laserpointer. Gegebenenfalls und mit etwas Bastelgeschick kann man, um Platz zu sparen, das Gehäuse des Pointers entfernen und statt der Batterien ein Versorgungskabel nach außen legen.

Wenn man übrigens nicht nur auf einer Seite der Trägerschicht einen Spiegel anbringt sondern auf beiden gegenüberliegenden Seiten, bleibt die Vorrichtung weiterhin im Gleichgewicht und man kann das Magnetometer sowohl in Nordrichtung als auch in Südrichtung betreiben.

In dieser Bauphase ist das Magnetometer bereits einsatzfähig. Den Experimentierdrang sollte man an dieser Stelle jedoch nicht ruhen lassen. Denn durch weitere Maßnahmen wie das Anbringen einer Schwingungsdämpfung (Wirbelstrombremse), den Einbau in ein Gehäuse und evtl. noch das Integrieren eines Helmholtzspulenpaares lässt sich erst die wahre Leistungsfähigkeit des Magnetometers ausschöpfen.

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Eine kleine Scheibe aus Kupfer wird in wenigen Millimetern Abstand hinter dem Magneten angebracht. Bei Auslenkung des Magneten (Drehung) werden in der Scheibe Wirbelströme erzeugt, die die Bewegung des Magneten dämpfen. Auf die Empfindlichkeit des Magnetometers hat die Dämpfung keine Auswirkungen. Ohne Dämpfung kommt der Magnet jedoch bei einer Auslenkung unter Umständen erst nach mehreren Minuten Drehbewegung wieder zur Ruhe.

Die Wirbelstrombremse ist ein eleganter Kunstgriff, der einen unkomplizierten und effektiven Einsatz des Fadenmagnetometers erst möglich macht.

Je nach Entfernung vom Magneten ist die dämpfende Wirkung stärker oder schwächer. Wenige Millimeter Abstand haben sich als ideal erwiesen. Am besten konstruiert man die Vorrichtung so, dass sich der Abstand einstellen lässt. Dies könnte zum Beispiel dadurch realisiert werden, dass man die Scheibe an der Spitze einer Kunststoffschraube (keinen ferromagnetischen Werkstoff verwenden) montiert und von der dahinterliegenden Gehäuserückwand mehr oder weniger tief einschrauben kann.

Eine Kupferscheibe von ca. 30 mm Durchmesser hat in der Praxis einwandfrei funktioniert. Grundsätzlich könnten auch andere leitfähige Werkstoffe mit diamagnetischen Eigenschaften verwendet werden. Keine Unterschiede wurden beim testweisen Einsatz einer gleich großen Aluminiumscheibe festgestellt, obwohl Aluminium nicht diamagnetisch sondern (schwach) paramagnetisch ist.

Kupfermünzen eignen sich nicht zur Wirbelstromdämpfung, da sie nicht aus reinem Kupfer sondern entweder aus Legierungen bestehen oder einen Stahlkern besitzen. Man stellt dies recht schnell fest, da sie vom Magneten angezogen werden, was bei reinem Kupfer nicht der Fall ist.

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Ein Helmholtzspulenpaar besteht aus zwei gleich großen Spulen mit gleichen Windungszahlen. Der Radius der Spulen ist gleich Ihrem Abstand.
Die Spulen werden elektrisch in Reihe geschaltet (Windungssinn beachten) und durch einen Konstantstrom durchflossen.Im Mittelpunkt der Anordnung entsteht ein nahezu homogenes Magnetfeld längs der Spulenachsen. Weiterhin lässt sich die Stärke des erzeugten Magnetfelds einfach berechnen. Sie hängt ab vom Radius (= Abstand) der Spulen, der Windungszahl und der Stromstärke des erzeugenden Stroms.

Die Dimensionierung der Spulen und des Stroms muss für das Magnetometer so ausgelegt sein, dass ein Magnetfeld bis zur erwartenden Stärke der X- Komponente erzeugt werden kann.
Beim Wickeln der Spulen aus Kupferlackdraht empfiehlt sich die Verwendung einer "Schablone" wie etwa einer Kartonrolle. Ein Blick in die Recyclingbox tut wahre Schätze auf.
Wer mit seinem Magnetometer verreist, sollte bei der Dimensionierung des Konstantstroms berücksichtigen, dass an unterschiedlichen geografischen Orten unterschiedliche Feldstärken (und somit unterschiedlich starke X-Komponenten) zu erwarten sind. Während die X-Komponente in Mitteleuropa in der Größenordnung von 20.000 nT liegt beträgt sie in Lappland nur ca. 10.000 nT.

Dimensionierung Helmholtzspulenpaar

Aufbau und Dimensionierung einer Stromquelle

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Wenn das Helmholtzspulenpaar mit einem Kontstantstrom versorgt wird (Polarität beachten), wird am Ort des Sensormagneten ein Magnetfeld erzeugt (S), das der X-Komponente entgegengerichtet ist. Die wirksame X- Komponente wird um den Wert von S reduziert.

Ein gleich großer Betrag von Y (wie bei Normalbetrieb) verursacht nun eine deutlich größere Drehung des Magneten. Entsprechend verhält es sich mit Änderungen der Y-Komponente.
Im Normalbetrieb haben Änderungen der X-Komponente kaum Einfluss auf den Drehwinkel des Magneten. Das liegt daran, dass die X-Komponente sehr viel größer ist als die Änderungen in Y. Man kann also sagen, dass das Fadenmagnetometer die Y-Änderungen im Erdmagnetfeld widerspiegelt.
Im Kompensationsbetrieb werden bei starker Kompensation zunehmend auch Störungen (Änderungen) der X-Komponente relevant und im Drehwinkel erfasst.

Die bisherige Beschreibung geht von einer Süd-Nord-Ausrichtung des Magnetometers und der Kompensation der X-Komponente des Erdmagnetfelds aus. Unter Umständen kann es sinnvoller sein das Magnetometer (Helmholtzspulenpaar) in Richtung der H-Komponente aufzubauen und diese zu kompensieren bzw. zu reduzieren. Je nach Aufbau muss man seine Ergebnisse etwas anders interpretieren.

Diese gezeigte Ausführung war ursprünglich nur zu Versuchszwecken gedacht und stellt ein Provisorium dar. Da der Aufbau jedoch überraschend gut funktioniert hat und der Betrieb problemlos und einfach möglich war, wurde die Version bislang nicht weiter verändert.

Das Gehäuse hat die Maße 160x120mm und ist 60mm tief.
Die gesamte Frontseite wird mit einer Plexiglasscheibe abgedeckt.
Aus Platzgründen ist der Laserpointer in der oberen linken Ecke montiert. Der Strahl wird über einen zusätzlichen, fest montierten Spiegel auf den beweglichen Spiegel am Magneten gelenkt.
Die Spannungsversorgung des Lasers und die Anschlüsse des Spulenpaares werden nach außen geführt. Die Aufhängung des Magneten kann durch eine Schraube in der Höhe justiert werden. Der Magnet sollte sich möglichst exakt in der Mitte des Spulenpaares befinden.Die Kupferscheibe hinter dem Magneten ist an der Gehäuserückwand befestigt. Ihr Abstand kann zwischen Gehäuserückwand und Magnet beliebig eingestellt werden.
Die Windungen der Spulen wurden auf den Rand eines Joghurtbechers (Durchmesser ca. 12 cm) aufgewickelt.

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