Was ist ein Magnetometer?

Die einfache Definition

Ein Magnetometer ist ein Instrument, das die Stärke und Richtung von Magnetfeldern misst. Stellen Sie es sich wie ein Thermometer vor, nur dass es statt Temperatur Magnetismus misst.

Magnetfelder sind unsichtbare Kräfte, die Magnete, elektrische Ströme und sogar unseren gesamten Planeten umgeben. Ein Magnetometer macht diese unsichtbaren Felder sichtbar und messbar — es verwandelt etwas, das man weder sehen noch fühlen kann, in eine präzise Zahl.

Das Wort setzt sich zusammen aus „Magneto" (in Bezug auf Magnete) und „Meter" (ein Messgerät). Einfach genug — doch die Technologie dahinter reicht von antiken Kompassen bis hin zu quantenmechanischen Sensoren, die Felder messen können, die eine Milliarde Mal schwächer sind als das Erdmagnetfeld.

Was messen Magnetometer eigentlich?

Um zu verstehen, was ein Magnetometer tut, müssen Sie zunächst wissen, was ein Magnetfeld ist. Jeder Magnet — vom Kühlschrankmagneten bis zur Erde selbst — erzeugt ein unsichtbares Feld um sich herum. Dieses Feld hat zwei Eigenschaften:

• Stärke (Betrag) — Wie intensiv das Feld ist, gemessen in Einheiten wie Tesla oder Gauß
• Richtung — In welche Richtung die Feldlinien im dreidimensionalen Raum zeigen

Manche Magnetometer messen nur die Gesamtstärke (diese werden Skalarmagnetometer genannt). Andere messen sowohl Stärke als auch Richtung entlang bestimmter Achsen (diese sind Vektormagnetometer). Das Magnetometer in Ihrem Smartphone ist ein Vektortyp — es misst das Feld entlang drei senkrechter Achsen (X, Y, Z).

Magnetfeldlinien um einen Stabmagneten. Die Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten vom Nordpol (N) zum Südpol (S).

Das Magnetometer in Ihrer Tasche

Das überrascht die meisten Menschen: Ihr Smartphone enthält bereits ein Magnetometer. Jedes moderne Smartphone besitzt einen winzigen Chip, einen sogenannten 3-Achsen-Hall-Effekt-Sensor (oder manchmal einen magnetoresistiven Sensor), der das Magnetfeld in drei senkrechten Richtungen misst.

Das Magnetometer Ihres Smartphones lässt die Kompass-App funktionieren. Es erkennt das Magnetfeld der Erde, um die Nordrichtung zu bestimmen. Doch mit der richtigen App wird derselbe Sensor zu einem leistungsfähigen wissenschaftlichen Instrument, das Folgendes kann:

• Metallgegenstände hinter Wänden erkennen (Ständerwerk, Rohre, Bewehrungsstahl)
• Magnetfeldstärke in Mikrotesla messen
• Magnetfelddaten über die Zeit aufzeichnen
• Quellen elektromagnetischer Störungen identifizieren
• Physikexperimente und Feldmessungen durchführen

Der Sensor selbst ist unglaublich klein — etwa so groß wie ein Reiskorn — und verbraucht fast keinen Strom. Er funktioniert, indem er winzige Spannungen misst, die entstehen, wenn ein Magnetfeld ein Halbleitermaterial durchdringt (dies ist der Hall-Effekt, den wir im nächsten Kapitel ausführlich behandeln).

Wie empfindlich ist ein Smartphone-Magnetometer?

Ein typisches Smartphone-Magnetometer kann Felder von etwa 1 Mikrotesla (µT) bis zu mehreren tausend Mikrotesla erfassen. Das Erdmagnetfeld beträgt je nach Standort etwa 25-65 µT, sodass Smartphone-Sensoren gut für dessen Messung geeignet sind.

Zum Vergleich: Ein kleiner Kühlschrankmagnet erzeugt an seiner Oberfläche etwa 5.000 µT (5 Millitesla), und ein MRT-Gerät erzeugt Felder von 1,5 bis 3 Millionen µT (1,5-3 Tesla). Ein Smartphone kann zwar ein MRT-Feld nicht direkt messen (der Sensor würde übersteuern), aber für alltägliche Magnetfeldmessungen ist es bestens geeignet.

Kurzer Überblick über Magnetometertypen

Nicht alle Magnetometer funktionieren gleich. Es gibt eine ganze Familie von Sensoren, die jeweils für unterschiedliche Empfindlichkeitsbereiche und Anwendungen entwickelt wurden. Hier eine kurze Vorschau (ausführlich behandeln wir jeden Typ in Kapitel 4):

Wer nutzt Magnetometer?

Magnetometer finden sich an mehr Stellen, als man vermuten würde:

• Geologen — Kartieren unterirdische Gesteinsformationen und Mineralvorkommen durch Erkennung magnetischer Anomalien
• Archäologen — Finden verborgene Strukturen, Brennöfen und Artefakte, ohne graben zu müssen
• Navigationssysteme — Jeder Flugzeug-, Schiffs- und Smartphone-Kompass basiert auf Magnetfeldmessung
• Weltraumagenturen — Kartieren planetare Magnetfelder und überwachen den Sonnenwind
• Ärzte — Die Magnetenzephalographie (MEG) nutzt hochempfindliche Magnetometer zur Messung der Gehirnaktivität
• Heimwerker — Finden Ständerwerk, Rohre und Leitungen hinter Wänden mit dem Smartphone
• Militär — Erkennen U-Boote, Minen und Fahrzeuge anhand ihrer magnetischen Signaturen
• Physiker — Untersuchen magnetische Eigenschaften von Materialien und fundamentale physikalische Konstanten

All diese Anwendungen behandeln wir ausführlich in Kapitel 6: Anwendungen.

Wichtige Begriffe

Bevor Sie tiefer in die folgenden Kapitel eintauchen, hier die wichtigsten Begriffe, die Ihnen begegnen werden:

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