Univ. Prof. Dr. H. KrennInstitut für ExperimentalphysikUniv. Graz
Aufbau und Anwendung eines Flux-Gate-Magnetometers
für die Schule
1
Pädagogisches Institut des Bundes in der SteiermarkAbteilung für Lehrer an allgemeinbildenden höheren Schulen 20. Nov. 2002
Mag. rer. nat. Wolfgang Grabmer
Diese Bilderserie
wurde aus einer Physik-Lehramtsdiplomarbeit
„Methoden der schmalbandigen Verstärkung für denAufbau eines empfindlichen Magnetometers im Schulversuch“
verfaßt von Mag. rer. nat. Wolfgang GRABMER, Johannes Kepler Universität Linz, 1996
entnommen.
Artikel erschienen in PLUS LUCIS für die Praxis 2, 21-22 (1997).
Detektorprinzip:
Kernsättigungs-Magnetometer („Förstersonde“)Engl.: Flux-Gate-Magnetometer
Ferromagnetischer Kern mit Hysterese
Vormagnetisierung
Unbekanntes Magnetfeld
Hx
PhasenempfindlicherGleichrichterPhasenempfindlicher Gleichrichter:
Zeit
Gleichspannungsanzeige
2
Magnetische Hysterese des Sondenkernmaterials
(Co,Fe)70(Mo,Si,B)30 - Folie einer amorphen magnetischen Metall-Legierung
(Verwendung in Ringbandkernen)
-40 -20 0 +20 +40
Magnetische Feldstärke (mA/cm)
0
0,24
-0,24
0,6
-0,6Ind
ukt
ions
fluß
dich
te (
Te
sla
)
3
Amorphe magnetische Legierungen
Werden durch rasches Abkühlen aus der Schmelze erzeugt, um kristallines Erstarren zu vermeiden.
Herstellung von Folien für Ringbandkerne
Vormagnetisierung des Sondenkernmaterials 4
-40 -20 +20 +40
Magnetische Feldstärke (mA/cm)
0
0,24
-0,24
0,6
-0,6Indu
ktio
nsflu
ßd
ich
te (
Tes
la)
Zeit
12
1
23
3
4
4
5
5
6
6
Ze
it
7
DreieckförmigerWechselstrom
1 kHz
Sondenkern
7
Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes 5DreieckförmigerWechselstrom
1 kHz
Sondenkern
Hx
-40 -20 0 +20 +40
Magnetische Feldstärke (mA/cm)
0
0,24
-0,24
0,6
-0,6Indu
ktio
nsflu
ßd
ich
te (
Tes
la)
Zei
t
Zeit
Hx
Induktion im Sondenkern
Vormagnetisierungsstrom (1 kHz)
Induktion für positives und negatives Magnetfeld 6DreieckförmigerWechselstrom
1 kHz
Sondenkern
+Hx-Hx
-40 0 +20 +40
Magnetische Feldstärke (mA/cm)
0
0,24
-0,24
0,6
-0,6Indu
ktio
nsflu
ßd
ich
te (
Tes
la)
-Hx+Hx Vormagnetisierungsstrom
(1 kHz)
Zeit
Induktion im Sondenkern
Induktionsspannung an der Sensorspule 7DreieckförmigerWechselstrom
1 kHz
+Hx-Hx
U
Induktionsspannung
In
du
kti
on
sflu
ß In
du
kti
on
ssp
an
nu
ng
U
U = -N·d
dt
Hx = 0
Phasenempfindliche Gleichrichtung
(schematisch)
8
a) Verschwindendes Magnetfeld (Hx = 0)
U
aus aus aus ausein ein ein Chopper
Signal-Mittelwert = Null
U
b) Positives Magnetfeld Hx > 0 c) Negatives Magnetfeld Hx < 0
Uaus aus ausein ein aus aus ausein ein ein aus
Signalspannung < 0 Signalspannung > 0
Phasenempfindliche Gleichrichtung
(elektronische Realisierung)
9
+
-
a) Chopper “ein”
b) Chopper “aus” -
+
Diodenbrückedurchlässig
UU
Diodenbrückegesperrt
UU = 0
Teiler 2:1(Toggle-Flip-Flop)
1 kHz
2 kHz
2 kHz
AstabilerMultivibrator
Vormagnetisierungs-Stromquelle (Integrator)
1 kHz Dreiecksstrom
VormagnetisierungsspuleSensor-spule
Externes Magnetfeld Hx
GleichspannungsanzeigeMittelwertbildnerPhasenempfindlicherGleichrichter
10Elektronisches Schaltbild des Magnetometers
Elektronisches Schaltbild des Schul-Magnetometers
Bauteile-Stückliste
Platinen-Layout
11Empfindlichkeit und Meßbereichdes Magnetometers
Die Skala technischer und biologischerMagnetfelder
12
Erd
mag
net
feld
Sch
ulv
ersu
chs-
Mag
net
om
eter
Messung des Inklinationswinkels desErdmagnetfeldes mit dem Stabsensor
13
Stabsensor
Inkli
natio
nswink
el
14Beschreiben und Lesen von Magnetkarten
N S
Beschreiben
Lesen