univ. prof. dr. h. krenn institut für experimentalphysik univ. graz aufbau und anwendung eines...

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