EinMagnetometer (umgangssprachlich auch alsTeslameter oderGaußmeter bezeichnet) ist einesensorische Einrichtung zur Messungmagnetischer Flussdichten. Magnetische Flussdichten werden in der EinheitTesla (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.
Hier eine Auflistung der gebräuchlichsten Magnetometer:
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 oben genannten:
Obwohl XMR- und Hall-Sensoren nicht besonders empfindlich sind, finden sie wegen ihres einfachen Aufbaus (Halbleitertechnik) und der damit verbundenen kostenarmen Herstellung bei einfacheren Aufgaben massenweise Verwendung. Dazu gehörenKompasse,Näherungsschalter,Festplatten,Stromsensoren.
Eine der klassischen Aufgaben eines Magnetometers ist es, dasErdmagnetfeld mit seinen Schwankungen zu vermessen (Geomagnetik). Treten lokale Abweichungen des Magnetfeldes an der Erdoberfläche auf, so deutet dies aufferromagnetische Materialien im Untergrund hin. Diese Störungen können zur Detektion von so unterschiedlichen Objekten wie z. B.Erzlagerstätten,U-Booten, Altlasten (z. B.Blindgänger) oderarchäologischen Strukturen[2] dienen.
Eine hohe Bedeutung haben Magnetometer in derRaumfahrt. Sie kommen dort alsLagesensoren zum Einsatz und werden dazu verwendet, die Lage eines Satelliten zu bestimmen.
VonLuftfahrzeugen aus eingesetzte Magnetometer sind vor allem immilitärischen 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.
InSmartphones,Navigationsgeräten undVR Headsets werden Magnetometer eingesetzt, um einenMagnetkompass zu realisieren bzw. die Signale der Beschleunigungssensoren zur Lagebestimmung zu referenzieren.[3]
DasErdmagnetfeld, das nur annäherungsweise einDipolfeld ist, wird von außen etwa durch elektrische Felder in der hohen Atmosphäre, die durchPolarlichter 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 derHall-Effekt zur elektrischen Magnetfeldmessung verwendet werden. Ein moderneres Verfahren ist die Messung mit einemProtonen-Präzessions-Magnetometer, das auf subatomaren Wechselwirkungen basiert.
Das erste Magnetometer entwickelte 1832 der deutsche Physiker und MathematikerCarl Friedrich Gauß, der die Beschreibung des Messgerätes am 18. Dezember 1833 in einem Vortrag über das ErdmagnetfeldIntensitas vis magneticae terrestris ad mesuram absolutam revocata (Die Stärke des Erdmagnetismus auf absolute Messungen reduziert) vor der königlichen Societät vorstellte, der in Folge auch gedruckt wurde. Im Jahr 1837 entwickelte Gauß seine Erfindung, das Unifilarmagnetometer (eine an einem Torsionsfaden aufgehängte Magnetnadel), mit dem Messungen zeitaufwendig waren, gemeinsam mitWilhelm Eduard Weber zum temperaturstabileren und rasch messenden Bifilarmagnetometer (ein an zwei Fäden aufgehängter Magnetstab)[4] 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 Drehimpulses aber darüber hinaus und dann wieder durch die Kraft des Magnetfeldes zurück etc. Die Dauer dieserPendelbewegung um die ursprüngliche Ausrichtung, die Schwingungsperiode, erlaubt bei bekanntemTorsions-Trägheitsmoment 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, indem 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 einen kleinen Spiegel auf dem Magneten anbrachte. Er beobachtete nun mit Hilfe eines kleinen Fernrohrs mit Fadenkreuz das Spiegelbild einer ca. 6 m von Aufbau entfernten Skala.Man kann nun den aktuellen Drehwinkel des Spiegels einfach ausrechnen, indem man die Position des Fadenkreuzes auf der Skala beobachtet.Eine im Auftrag vonWilhelm Weber angefertigte Replik dieses Experiments befindet sich sowohl in dem noch erhaltenen eisenfreien Holzhaus, das sich Gauß für seine magnetischen Untersuchungen im Garten der Göttinger Sternwarte bauen ließ, als auch in der historischen Sammlung der Fakultät für Physik der Universität Göttingen.
