Magnetometer / Magnetfelddetektor

Die Bezeichnung Magnetometer wird unter anderem für Geräte benutzt, mit denen ferromagnetische Materialien oder stromführende Leitungen aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften geortet werden. Diese Magnetometer geben dem Nutzer oft nur optische und oder akustische Signale. Die Intensität dieser Signale wird stärker, wenn das Gerät näher an das magnetisch wirkende Material gebracht wird. Hochsensible Magnetometer dieser Art können nicht nur verdeckte Installationsleitungen in relativ geringer Entfernung von der Oberfläche finden, sondern beispielsweise auch Blindgänger, archäologische Lagerstätten oder erzhaltiges Gestein metertief im Boden. In den folgenden Erläuterungen wird der Begriff Magnetometer aber ausschließlich für Geräte verwendet, die entweder die magnetische Feldstärke in Ampere pro Meter oder die magnetische Flussdichte (magnetische Induktion) in Tesla oder Gauss anzeigen.
Natürliche Magnetfelder gibt es unabhängig von menschlicher Tätigkeit zum einen durch das Magnetfeld der Erde und zum anderen durch natürlich vorkommendes magnetisches Gestein wie Magnetit, Ferrit, Pyrrhotit und Columbit. Dieser magnetischen Strahlung sind wir, ganz unabhängig von der Beeinflussung durch die moderne Technik, ständig ausgesetzt. Anders als einige Tiere, die in der Lage sind, das Magnetfeld der Erde zur Orientierung zu nutzen, benötigen wir Hilfsmittel, um Magnetfelder wahrzunehmen und zu bewerten. In jedem Magnetfeld wirken Kräfte auf Elektronen und auf magnetische Materialien. Die Stärke dieser Wirkung kann mit einem Magnetometer erfasst werden. Bei der Messung ist zu berücksichtigen, dass Magnetfelder sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Quelle und von eventuellen Ablenkungen nicht gleichmäßig im Raum ausbreiten. Die räumliche Verteilung des Magnetfelds und die Richtung der Kräfte kann durch Feldlinien anschaulich dargestellt werden. Je enger die Feldlinien beieinanderliegen, desto höher ist der Betrag der magnetischen Flussdichte und die Wirkung.

Viele Magnetometer können mit einem einzelnen Sensor nur einen begrenzten Bereich der magnetischen Strahlung erfassen. Insbesondere ist zu beachten, dass nieder- und hochfrequente Magnetfelder sich in ihren Eigenschaften stark unterscheiden und deshalb meist mit verschiedenen Sensoren erfasst werden. In die Bewertung der Messergebnisse sollte einbezogen werden, dass sich verschiedene Magnetfelder überlagern können. Durch die gegenseitige Beeinflussung kann die Wirkung stellenweise verzerrt, abgeschwächt oder verstärkt werden.

Stationäre Magnetfelder, die auch Gleichfelder genannt werden, sind charakterisiert durch die gleichbleibende Stärke und die feste Ausrichtung mit Nord- und Südpol. Das Erdmagnetfeld hat mit 25 Mikrotesla am Äquator bis zu 70 Mikrotesla an den Polen eine vergleichsweise geringe Stärke, wird aber seit Jahrhunderten für die Navigation mit dem Kompass genutzt. In Berlin beträgt die Stärke des Erdmagnetfelds 49 Mikrotesla, in Karlsruhe 47 Mikrotesla.,
Künstliche magnetische Gleichfelder entstehen dort, wo Gleichstrom fließt und an magnetisierten Metallteilen. Technische Magnete aus ferromagnetischen Material werden auch als Dauer- oder Permanentmagnet bezeichnet. Diese Dauermagnete gibt es in unterschiedlichen Stärken und verschiedenen Formen, wie z. B. Würfel, Quader, Scheiben und Ringmagnete. Wichtig für die technische Anwendung ist die Magnetisierungsrichtung. Die Stärke und die Ausrichtung dieser Magneten kann mit einem Magnetometer überprüft werden. Dauermagnete werden zum Beispiel zum Transportieren oder Aussortieren ferromagnetischer Teile, als Bauelemente in Elektromotoren und Lautsprechern, als Zählmarkierung in Drehzahlmessern und als Schließelement eingesetzt. In all diesen Funktionen muss der Magnet die gewünschte Feldstärke erreichen. Aber nicht nur für die Kontrolle von Permanentmagneten, sondern auch für die Wareneingangskontrolle bei von Material, das nur mit geringem Magnetisierungsgrad angeliefert werden darf, sind Magnetometer einsetzbar.

Gemäß dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit sind niederfrequente Magnetfelder Wechselfelder, die mit 1 Hertz bis 9.000 Hertz schwingen. In anderen Veröffentlichungen wird der Niederfrequenzbereich auch mit 0,1 Hertz bis 1 Kilohertz angegeben. Der Bereich von 1 bis 10 Kilohertz wird dort Zwischenfrequenzbereich genannt. Zu den niederfrequenten Feldern gehören zum Beispiel die durch Elektroenergieversorgungsleitungen (50 Hertz) und durch Bahnelektrifizierungsleitungen (16,7 Hertz) entstehenden. Mit einem Magnetometer für niederfrequente Felder wird die magnetische Flussdichte gemessen. Zur korrekten Messung muss der Sensor in Richtung der Feldlinien positioniert werden. Bei Abweichungen von der Richtung werden niedrigere Messwerte angezeigt. Ist die Richtung der Feldlinien nicht bekannt, kann das Magnetometer an der Messposition solange entlang der verschiedenen Achsen gedreht werden, bis der höchste Messwert angezeigt wird. Dadurch ist auch die Richtung der Feldlinien bestimmbar.
Starke Magnetfelder können zum Beispiel in der Umgebung von Elektromotoren, Transformatoren (Wechselrichter, Netzteile) und elektrischen Heizgeräten, aber auch bei Induktionsherden entstehen. Mit zunehmendem Abstand zur Quelle nimmt die Stärke ab. Mit dem Magnetometer kann man prüfen, in welchem Abstand zur Strahlenquelle die vorgeschriebenen oder empfohlenen Richtwerte überschritten werden.

Hochfrequente Magnetfelder entstehen bei der Abstrahlung von Radio- und Mikrowellen von denen wir in unserer technisierten Welt ständig umgeben sind. Bei hochfrequenten Feldern wechseln die sich beeinflussenden elektrischen und magnetischen Felder ständig ihre Richtung (100.000 mal und öfter pro Sekunde). Da sie dadurch eng aneinander gekoppelt sind, spricht man von elektromagnetischen Feldern. Die Strahlungsbelastung durch Funkanwendungen, Rundfunk und Fernsehen, Mobilfunk, WLAN, Bluetooth und andere drahtlose Netze kann mit einem Magnetometer dessen Sensor auf hochfrequente Strahlung ausgelegt ist, gemessen werden. Die von den Basisstationen und Sendern ausgehende elektromagnetische Strahlung liegt im Regelfall am menschlichen Körper deutlich unter der von körpernahen Endgeräten wie Mobiltelefonen und Laptops.

Es gibt Magnetometer, die für jede der drei Raumachsen die Feldstärke mit Betrag und Richtung separat messen und daraus die resultierende Feldstärke ermitteln können. Viele Magnetometer können pro Messung nur eine Richtung erfassen. Bei diesen Geräten muss, wenn die Ausrichtung des Feldes nicht bekannt ist, der Magnetsensor zur Ermittlung der maximalen Feldstärke in die verschiedenen Raumrichtungen gedreht werden.
Für einige Anwendungen eignen sich Magnetometer mit Stabsensoren besonders gut. Bei der Auswahl ist darauf zu achten, ob die Feldstärke axial oder transversal zum Stab gemessen wird. Generell gilt, dass bei einachsiger Messung der höchste Wert gemessen wird, wenn der Sensor in Richtung der Feldlinien und im Bereich ihrer größten Dichte platziert ist. Bei axialem Sensor soll der Messstab also parallel zu den Feldlinien und bei transversaler Messung in rechtem Winkel dazu platziert werden.

Einige Magnetometer verfügen über mehrere Sensoren, mit denen entweder unterschiedliche Stärken eines Frequenzbereiches oder verschiedene Frequenzbereiche abgedeckt werden können. Stationäre und niederfrequente Magnetfelder können häufig mit dem gleichen Sensor erfasst werden. Hochfrequente Felder werden generell mit anderen Sensoren als niederfrequente erfasst, so dass ein Magnetometer für hoch- und niederfrequente Felder meist über mehrere Sensoren verfügt.

Insbesondere Magnetometer die über eine Dauermessfunktion verfügen sind häufig mit einer seriellen Schnittstelle zur Übertragung der Messdaten auf den PC ausgestattet. Ist die direkte Übertragung der Messdaten nicht möglich, kann bei vielen Geräten der interne Speicher genutzt und später ausgelesen werden.