Wie funktioniert ein Magnetometer?

Wenn Sie die Stärke oder Richtung eines Magnetfelds bestimmen möchten, ist ein Magnetometer das Werkzeug der Wahl. Sie reichen von einfachen Geräten – Sie können sie ganz einfach in Ihrer Küche herstellen – bis hin zu komplexen, und die fortgeschritteneren Geräte sind regelmäßige Passagiere bei Weltraummissionen. Das erste Magnetometer wurde von Carl Friedrich Gauß entwickelt, der oft als "der Fürst der Mathematik" bezeichnet wird und 1833 eine Veröffentlichung veröffentlichte Er beschrieb ein neues Gerät, das er "Magnometer" nannte. Sein Design ist dem unten beschriebenen einfachen Magnetometer sehr ähnlich, das Sie in Ihrem Küche.

Da sie sehr empfindlich sind, können Magnetometer verwendet werden, um archäologische Stätten, Eisenvorkommen, Schiffswracks und andere Dinge zu finden, die eine magnetische Signatur haben. Ein Netzwerk von Magnetometern rund um die Erde überwacht ständig winzige Auswirkungen des Sonnenwinds auf das Erdmagnetfeld und veröffentlicht die Daten zum K-Index (siehe Ressourcen). Es gibt zwei grundlegende Arten von Magnetometern. Skalarmagnetometer messen die Stärke eines Magnetfelds, während Vektormagnetometer die Kompassrichtung messen.

Es gibt ein einfaches Vektor-Magnetometer, das Sie selbst herstellen können. Ein Stabmagnet, der an einem Faden hängt, zeigt immer nach Norden; Wenn Sie ein Ende markieren, können Sie kleine Variationen erkennen, wenn sich das Magnetfeld ändert. Durch Hinzufügen eines Spiegels und Lichts können Sie ziemlich genaue Messungen durchführen und die Auswirkungen magnetischer Stürme erkennen (eine vollständige Anleitung finden Sie unter dem Suntrek-Link in Ressourcen).

Kompliziertere Magnetometer, wie sie beispielsweise in Raumfahrzeugen verwendet werden, verwenden eine Vielzahl von Methoden, um die Magnetfeldstärke und -detektion zu erfassen. Die gängigsten Magnetometer werden als Solid-State-Hall-Effekt-Sensoren bezeichnet. Diese Sensoren nutzen Eigenschaften des elektrischen Stroms, die durch das Vorhandensein eines Magnetfelds beeinflusst werden, das nicht parallel zur Stromrichtung verläuft. Wenn ein Magnetfeld vorhanden ist, sammeln sich die Elektronen (oder ihr Gegenüber, Elektronenlöcher oder beides) im Strom auf einer Seite des leitfähigen Materials. Wenn es fehlt, verlaufen die Elektronen oder Löcher im Wesentlichen geradlinig. Die Art und Weise, wie ein Magnetfeld die Bewegung der Elektronen oder Löcher beeinflusst, kann gemessen und zur Bestimmung der Richtung eines Magnetfelds verwendet werden. Hall-Effekt-Sensoren erzeugen außerdem eine Spannung, die proportional zur Stärke des Magnetfelds ist, was sie sowohl zu Vektor- als auch zu Skalarmagnetometern macht.

Magnetometer begegnen uns in unserem täglichen Leben oft, obwohl Sie es vielleicht nicht wissen, in Form von Metalldetektoren. Handgehaltene Metalldetektoren, die von Schatzsuchern und Bastlern verwendet werden, nutzen den Hall-Effekt, um metallische Gegenstände zu lokalisieren. Mithilfe eines Phänomens, das als Phasenverschiebung bekannt ist, können Detektoren zwischen Metallen unterscheiden, indem sie den Widerstand oder die Induktivität (Leitfähigkeit) des Objekts messen.