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Magnetomēter

[94] Magnetomēter (griech., hierzu Tafel »Magnetometer und Magnetograph I und II«), ursprünglich die Bezeichnung für ein von Gauß 1836 erfundenes Instrument zur genauen Bestimmung der Richtung der horizontalen Magnetnadel (daher auch Deklinatorium). Es besteht im wesentlichen aus einem an einem seinen Faden aufgehängten Magnetstab m (Textfig. 1, von oben gesehen), an dem sich ein kleiner Spiegel o befindet, dessen Ebene rechtwinklig zur magnetischen Achse des Magnetstabes steht.

Fig. 1. Aufstellung des Magnetometers.

Dem Spiegel gegenüber und in einer Entfernung von 1,5–4,5 m ist ein Theodolit a aufgestellt, dessen Fernrohrachse etwas schräg von oben herab gegen die Mitte des Spiegels gerichtet ist. Am Stativ des Theodolits befindet sich eine 1 m lange horizontale Millimeterskala s s. Derjenige Punkt der Skala, der mit der optischen Achse des Fernrohrs in einer Vertikalebene liegt, wird durch einen von der Mitte des Objektivs herabhängenden seinen Draht bezeichnet. Durch das Fernrohr sieht man das Bild eines Teils der Skala im Spiegel. Der ganze Apparat muß so stehen, daß die Vertikalebene der optischen Fernrohrachse und die vertikale Drehungsachse des Magnetstabes mit dem vorläufig annähernd genau bestimmten magnetischen Meridian zusammenfallen. Solange nun die Magnetachse o d mit der Vertikalebene a o des Fernrohrs zusammenfällt, erscheint das Bild des vor der Mitte der Skala hängenden Fadens in der Achse des Fernrohrs; weicht der Magnetstab aber aus dieser Ebene ab, so erscheinen andre Teilstriche (c) am vertikalen Faden des Fadenkreuzes im Fernrohr, und man kann mithin die Lage des wirklichen magnetischen Meridians mit der größten Genauigkeit bestimmen, da ein geübtes Auge noch sehr gut Zehntel eines Millimeters schätzen kann. Man erhält so den Winkel a o d, den der magnetische Meridian mit der Vertikalebene des Fernrohrs macht; ermittelt man nun den Winkel, den die Vertikalebene des Fernrohrs mit dem durch den Mittel punkt des Theodolits gelegten astronomischen Meridian S N macht, so findet man den genauen Wert der magnetischen Deklination.

Fig. 2. Magnetometer (zugleich Spiegelgalvanometer).

Der Magnet oszilliert in langsamen Schwingungen um seine Gleichgewichtslage, welch letztere nun dadurch gefunden wird, daß man die Grenzen bestimmt, innerhalb welcher der Stab schwingt, und aus diesen das Mittel nimmt. Diese Oszillationen kann man dadurch erheblich vermindern und unter Umständen völlig zum Verschwinden bringen, daß man den Magnetstab von einem möglichst nahe anliegenden, massiv kupfernen Gehäuse umgibt. Vermöge seiner Bewegung induziert der Magnet in diesem Gehäuse elektrische Ströme, die auf[94] die Schwingungen hemmend zurückwirken und den Magnet sehr bald in seiner Gleichgewichtslage zur Ruhe bringen. Die Textfigur 2 stellt ein von Leyser in Leipzig ausgeführtes transportables M. dar. Die Drahtwindungen, mit denen das Gehäuse umwickelt ist, ermöglichen es, das Instrument zugleich als Spiegelgalvanometer zu benutzen. Eine bequemere Kombination der beiden Instrumente, des Magnetometers sowie des dazugehörigen Fernrohrs mit Skala, hat zuerst Lamont in München angegeben. Das so entstandene Instrument, der magnetische Theodolit, ist später mehrfach verbessert worden. Tafel II, Fig. 3, zeigt eine von Wild vorgeschlagene, von Edelmann-München ausgeführte Form, mit der sich außerordentlich exakte Messungen sowohl der Deklination als auch der Horizontalintensität ausführen lassen. Die Messung der Deklination erfolgt damit in ganz ähnlicher Weise wie oben angegeben: der Magnet m, der an seiner vordern Fläche einen senkrecht zu derselben stehenden kleinen Spiegel trägt, hängt an einem im Torsionskopf T befestigten, durch die Suspensionsröhre S frei heruntergehenden, möglichst seinen Faden in der Kapsel R. Mit Hilfe des Fernrohrs F, in dem sich bei P ein beleuchtbares Fadenkreuz befindet, visiert man auf m und bringt die Bilder des vertikalen Fadens zur Deckung. Letzteres geschieht durch Drehen des ganzen obern Teiles des Instruments über dem Teilkreise t. Dadurch bringt man also die optische Achse des Fernrohrs und die Achse des Magnets m in genau dieselbe Richtung, d. h. die optische Achse befindet sich jetzt in der Ebene des magnetischen Meridians. Liest man nun mit den Mikroskopen M M die Stellung auf dem Teilkreise t ab und führt darauf das Fernrohr in den vorher schon bestimmten astronomischen Meridian, so gibt die Differenz der Kreisablesungen die gesuchte Deklination.

Bei Bestimmung der Horizontalintensität wird zunächst Magnet m von einem zweiten Magnet m¹, dem sogen. Ablenkungsmagnet, aus seiner Ruhelage abgelenkt. Der letztere befindet sich in einer genau abgemessenen Entfernung von m auf Ablenkungsschienen, die senkrecht zu dem abgelenkten Magnet stehen. Durch diese Ablenkungen, die auf dem Teilkreise t abzulesen sind, erhält man die Größe der Quotienten: magnetisches Moment des Ablenkungsstabes dividiert durch Horizontalintensität, also M/H. Darauf bringt man den Ablenkungsmagnet in ein besonderes Gehäuse, den sogen. Schwingungskasten, und bestimmt mit Hilfe einer Uhr seine Schwingungsdauer, d. h. die Zeit, die der Magnet braucht, um bei seinen Schwingungen von der einen extremen Lage in die andre zu gelangen. Hierdurch erhält man das Produkt: magnetisches Moment des Ablenkungsstabes mal Horizontalintensität, also M. H. Durch Division von M. H durch M/H ergibt sich zunächst H² und daraus das gesuchte H.

Zur Bestimmung des dritten erdmagnetischen Elementes, der Inklination, bedient man sich nicht des magnetischen Theodoliten, sondern gewöhnlich des Nadelinklinatoriums (s. Erdmagnetismus, S. 16). Eine früher häufiger angewandte indirekte Methode, die Inklination zu bestimmen, besteht darin, daß man den durch den Erdmagnetismus in weichem Eisen erregten Magnetismus bestimmt. Hält man nämlich einen weichen Eisenstab zuerst horizontal in der Richtung der Deklinationsnadel und dann vertikal, so wird er zwar in beiden Fällen durch den Einfluß der Erde magnetisch; aber im ersten Fall wirkt nur die horizontale, im zweiten nur die vertikale Komponente erregend auf ihn ein. Bringt man in beiden Stellungen neben dem einen seiner Pole eine Bussole an, so wird die Nadel derselben abgelenkt und zwar im ersten Fall durch den Einfluß der horizontalen, im zweiten durch den der vertikalen Komponente. Aus der Größe dieser Ablenkungen läßt sich die relative Größe der beiden Komponenten der Erdkraft und aus deren Verhältnis die Inklination ermitteln. Diese Methode wird zurzeit kaum noch angewandt, dafür jedoch eine andre, ebenfalls indirekte Methode: die Messung der Inklination mit Hilfe des sogen. Erdinduktors. Ein Instrument dieser Art zeigt Tafel II, Fig. 2, und zwar ein solches, das dem von Wilhelm Weber in Göttingen konstruierten Originalapparat sehr nahe kommt. Die mit isoliertem Kupferdraht umwickelte Spule R kann mit Hilfe des Handgriffes A sowohl um eine vertikale wie auch um eine horizontale Achse gedreht werden, letzteres, nachdem man die Spule umgelegt hat, so daß a auf b ruht. Die bei diesen Drehungen durch die horizontale und vertikale Komponente des Erdmagnetismus induzierten Stromstöße werden durch die Drähte α und β zu einem Galvanometer geleitet und hier beobachtet, das Verhältnis der Ausschläge gibt die Tangente des Inklinationswinkels.

Eine etwas abgeänderte Form dieses Erdinduktors findet sich auf Tafel II, Fig. 1. Die Theorie desselben besteht darin, daß gar keine Induktionsströme entstehen, wenn sich die Drehungsachse der Induktionsrolle genau in der Richtung der magnetischen Inklination befindet. Man dreht die Horizontalachse X (und damit die ganze Induktionsspule) durch den Trieb B mit der Zahnstange Z und die Feinschraube S so lange, bis sich beim Rotieren des Induktors J um die Achse a kein Ausschlag im Galvanometer mehr zeigt. Das letztere ist durch die beiden Drähte α und β mit dem Instrument verbunden und wird wie gewöhnlich mit Fernrohr und Skala beobachtet. Die Neigung der Induktorachse a zur Horizontalen kann dann durch die Mikroskope M M auf dem Vertikalteilkreise t abgelesen werden und gibt unmittelbar die magnetische Inklination an.

Diejenigen M., die nicht zur absoluten Messung der erdmagnetischen Elemente dienen, sondern nur zur Beobachtung, bez. Auszeichnung der Schwankungen derselben, pflegt man Variometer zu nennen, und zwar unterscheidet man gewöhnlich Deklinations-, Horizontalintensitäts-, Vertikalintensitätsvariometer. Unter Deklinationsvariometer versteht man das oben zuerst beschriebene Instrument, also einen horizontal schwebenden, mit Spiegel versehenen Magnetstab, der an einem einzelnen freien Faden aufgehängt ist. Man nennt es daher auch wohl Unifilarvariometer. Das Horizontalintensitätsvariometer unterscheidet sich von dem vorhergehenden nur dadurch, daß der Magnetstab an zwei parallel nebeneinander herlaufenden Fäden befestigt ist. Diesen beiden Fäden kann man eine derartige Torsion geben, daß der an ihnen hängende Magnet gezwungen wird, quer zu der gewöhnlichen Richtung stehen zu bleiben, also im ostwestlicher Lage. Da die Torsion nun stets gleich bleibt, so wird bald die Torsion, bald der Erdmagnetismus überwiegen und den Stab nach der einen oder andern Seite hin bewegen, aus welcher Oszillation sich die jedesmalige Horizontalintensität des Erdmagnetismus ergibt. Wegen der hier in Anwendung gekommenen Bifilaraufhängung nennt man das Instrument auch kurzweg Bifilarvariometer.[95]

Als drittes Variometer gebraucht man gewöhnlich dasjenige für Vertikalintensität, das Vertikalvariometer. Aus den Angaben dieses Instruments und denjenigen des Bifilarvariometers berechnet man dann die Variationen der Inklination. Das am meisten gebrauchte Vertikalvariometer ist die sogen. Lloydsche Wage, auf deren Theorie hier jedoch nicht weiter eingegangen werden kann. Auf Tafel I sieht man die Ausstellung solcher Variometer (Fig. 1), die hier zum Teil durch darüber gestellte Kasten noch vor Staub, Luftzug etc. besonders geschützt sind. Ihre Angaben werden mit Hilfe eines hierfür eigens eingerichteten Registrierapparats (Fig. 2) photographisch ausgezeichnet. Will man die Schwankungen der Variometer direkt beobachten, so wird an Stelle des Registrierapparats Fernrohr und Skala gestellt, wie anfangs beschrieben ist.

Das M. (Deviationsmagnetometer) von Neumayer, ein kleiner magnetischer Theodolit, wird von Forschungsreisenden zur relativen Bestimmung der horizontalen und vertikalen Intensität des Erdmagnetismus, besonders aber auch zur Bestimmung der magnetischen Verhältnisse eiserner Schiffe benutzt. Es gestattet die Bestimmung der magnetischen Deklination (Mißweisung) und der magnetischen Inklination mit der für die Schiffahrt genügenden Genauigkeit. Sehr geeignet ist das M., auf eisernen Schiffen den besten Aufstellungsort für den Peilkompaß zu finden und durch Vergleichsbeobachtungen am eisenfreien Orte am Lande zu prüfen. Zu dem M. gehören: ein Horizontalkreis mit Gradeinteilung auf einem Dreischraubenfuß, der auf besonderm Stativ mit einer Dosenlibelle horizontiert wird. Auf einer um den Mittelpunkt der Gradteilung drehbaren Alhidade wird, je nach Bedarf, das Deklinationskästchen oder das Inklinationskästchen befestigt. Im Deklinationskästchen, das mit Glasdeckel geschlossen wird, ruht auf einer Pinne die horizontal liegende Deviationsnadel, eine an beiden Enden spitze, flache Magnetnadel, deren genaue Einstellung mit einem Nullstrich im Kästchen man mit Hilfe eines ebenfalls an der Alhidade angebrachten Nonius mit Klemmschraube und Mikrometerschraube bewirken kann. Senkrecht zu den Nullpunkten des Deviationskästchens kann man auf dem Deckel des Kästchens eine Ablenkungsschiene mit zwei Magneten befestigen; sobald dies geschehen, dreht man das Kästchen so weit, bis die abgelenkte Nadel wieder zwischen den Nullpunkten steht. Man liest dann den Ablenkungswinkel ab und dreht die Ablenkungsschiene um 180°, um den Ausschlag der Nadel auf der andern Seite in gleicher Weise wie vorher zu beobachten. Mit Hilfe dieser Sinusablenkung an zwei Orten erhält man die relativen Werte der magnetischen Horizontalkomponente an diesen Orten. Wenn man dann noch die freie Nadel mit Hilfe eines Magnets in Schwingung versetzt, und solche Schwingungsbeobachtungen ebenfalls an denselben beiden Orten ausführt, kann man mit genügender Genauigkeit den absoluten Wert der Horizontalkomponente des Erdmagnetismus für beide Orte aus den magnetischen Gleichungen berechnen: H/H = T²/T² = sin φ/sin ψ, wobei H die Horizontalkomponente an dem Ort ist, wo die Nadel die Schwingungsdauer T und den Ablenkungswinkel ψ hat, und H die Horizontalkomponente des Ortes mit der Schwingungsdauer T und dem Ablenkungswinkel φ ist.

Um die Mißweisung der Nadel zu bestimmen, beobachtet man die Einstellung der freien Deklinationsnadel an den Nullpunkten des Kästchens, liest die Einstellung auf der Teilung des untern Horizontalkreises ab und entfernt das Kästchen. Auf der Alhidade wird dann ein Fernrohr befestigt, mit dem man (wenn nötig, unter Zuhilfenahme eines ebenfalls auf der Alhidade, gegenüber dem Fernrohr um eine wagerechte Achse drehbaren Spiegels) die Sonne oder einen Stern beobachtet und aus der Zeit und der bekannten Breite des Ortes den Azimut des Gestirns berechnet, wodurch der astronomische Nordpunkt auf der Gradteilung des Instruments bestimmt wird. Der Unterschied zwischen diesem und der Stellung der Nadel gibt die magnetische Deklination (oder Mißweisung). Man kann den untern Teil des Magnetometers auch als Peilscheibe zum Peilen (s. d.) von Landmarken, z. B. von fernstehenden Kirchtürmen etc., deren astronomische oder magnetische Richtung bekannt ist oder aus einer guten Karte bestimmt werden kann, benutzen. In solcher Weise kann das M. auch bei Deviationsbestimmungen von Schiffen benutzt werden, vom Land aus das Schiff zu peilen, während gleichzeitig vom Schiff aus der Beobachter am Lande gepeilt wird. Der Vergleich der Kompaßpeilung an Bord mit der magnetischen Peilung vom Land aus ergibt sofort die Deviation für den betreffenden Schiffskurs.

Unsre Tafel »Nautische Instrumente II« zeigt ein Neumayersches Deviationsmagnetometer, und zwar Fig. 1 das Inklinatorium, Fig. 2 das Deklinatorium. Von Neumayer ist auch ein größeres Deklinatorium (Marinedeklinatorium) erfunden, das an Bord in kardanischer Aufhängung auch bei leicht bewegtem Schiff benutzt werden kann, im übrigen ganz ähnlich wie das M. mit Deklinationskästchen eingerichtet ist. Das Deviationsmagnetometer kann nur bei stilliegendem Schiff an Bord benutzt werden. Für den Gebrauch am Lande hat man auch für die Deklinationsnadel eine Seidenfadenaufhängung mittels eines auf den Deckel des Kästchens aussetzbaren hohlen Messingrohrs eingerichtet.

Das Inklinatorium des Magnetometers besteht aus einem runden Gehäuse mit Glasdeckel, das innen eine senkrecht stehende Kreisteilung sowie das Lager für die in der Vertikalebene des magnetischen Meridians schwingende Inklinationsnadel hat. An dem Gehäuse kann die Ablenkungsschiene wagerecht befestigt werden, um mittels Tangentenablenkung die Vertikalintensität zu bestimmen. Auch Schwingungsbeobachtungen werden zu diesem Zweck in entsprechender Weise wie mit dem Deklinatorium gemacht. Die Bestimmung der magnetischen Inklination erfolgt durch Ablesen der Stellung der Inklinationsnadel an dem Teilkreis im Gehäuse, nachdem man das Gehäuse genau in der Richtung des vorher bestimmten magnetischen Meridians eingestellt hat. Besonders geeignet zur Bestimmung der magnetischen Elemente auf Reisen ist der nach Neumayers Angabe von Hechelmann angefertigte Reisemagnetometer, der auch für absolute Bestimmungen mit Schwingungen und Ablenkungen große Genauigkeit erzielt. Vgl. Neumayer, Anleitung zu wissenschaftlichen Beobachtungen auf Reisen (3. Aufl., Hannov. 1905, 2 Bde.).