Diese App findet versteckte Stromleitungen

  • 19. February 2016

Die App Teslameter 11th misst Magnetfelder und eignet sich für den Alltag ebenso wie für den Physikunterricht.

Die modernen Smartphones und Tablet-PCs verfügen über Magnetfeldsensoren, die neben ihrer ursprünglichen Funktion für die Navigation auch physikalische Experimente ermöglichen. So lassen sich bereits mit einfachen Aufbauten zeitlich konstante Felder, beispielsweise von Permanentmagneten oder gleichstromführenden Leitern untersuchen. Mit einigen Einschränkungen ist auch die Analyse niederfrequenter Wechselfelder möglich. Die Mobilität des Sensors ermöglicht den quantitativen Zugang zum dreidimensionalen Magnetfeld.

Zunächst muss die Position des Magnetfeldstärkesensors im Gerät bestimmt werden. Hierzu kann ein ferromagnetischer Gegenstand wie ein Eisennagel durch einen Permanentmagneten magnetisiert werden. Anschließend wird der Nagel rasterartig über das Smartphone oder den Tablet-PC geführt, während die Magnetfeldmessung läuft. Wird die maximale magnetische Flussdichte angezeigt, befindet sich der Nagel genau über dem Sensor, wo sich die Position nun beispielsweise mit Klebeband markieren lässt.

Mit Hilfe des Magnetfeldstärkesensors kann im Alltag qualitativ untersucht werden, wo sich stromführende Leitungen befinden: Durch den Stromfluss in der Leitung entsteht ein Magnetfeld, das sich mit dem iPad messen lässt. Hierfür müssen jedoch zwei Voraussetzungen erfüllt sein: Der Stromfluss in der Leitung muss hoch genug sein (das angeschlossene Elektrogerät muss also eine hohe Leistung haben), und es dürfen keine ferromagnetischen Materialien in der Wand vorhanden sein, die das Magnetfeld beeinflussen.

Wir verwendeten einen Wasserkocher mit einer Leistung von 2400 W. Sowohl um dessen Stromkabel als auch um das Kabel in der Wand lässt sich ein Magnetfeld feststellen: Bei ausgeschaltetem Wasserkocher misst das Gerät innerhalb der ersten zwei Sekunden eine Überlagerung des Erdmagnetfelds mit Störfeldern aus der Umgebung. Nach Einschalten des Wasserkochers wird ein zusätzliches Magnetfeld detektiert, dessen magnetische Flussdichte mit einer Periode von etwa 0,6 s oszilliert und nach Ausschalten des Geräts wieder verschwindet. Die oszillierende Magnetfeldstärke resultiert aus dem anliegenden Wechselstrom. Die gemessene Frequenz (1,6 Hz) entspricht dabei nicht der Wechselstromfrequenz (50 Hz), weil das iPad mit einer zu kleinen Abtastrate von 10 Hz arbeitet. Nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem lassen sich nur Frequenzen messen, die maximal halb so groß sind wie die Messfrequenz. Eine Messung zeitabhängiger Magnetfelder mit dem iPad ist also nur bis zu 5 Hz sinnvoll. Trotzdem kann anhand des Ausschlags mit dem iPad festgestellt werden, wo unter dem Putz die stromführende Leitung verläuft.

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Abb. Der Messbildschirm der App und das Einstellungsmenü.

Der Messbildschirm der App zeigt oben links den Betrag der magnetischen Flussdichte B wahlweise in Mikrotesla (µT)oder Milligauß (mG) an (Abbildung). Außer als numerischer Wert wird der Betrag der magnetischen Flussdichte auch im Stil einer analogen Anzeige und in einem Flussdichte-Zeit-Diagramm dargestellt. Unten links sind außerdem die Beträge der Komponenten der Flussdichte in Richtung der x-, y- und z-Achsen angegeben.

Über den großen Knopf in der unteren rechten Ecke des Bildschirms startet und stoppt man die Messung. Beim Antippen des Diagramms öffnet sich ein Untermenü. Hier stehen der Export der gesamten Messreihe über Email, das Löschen aller Werte oder das Schließen des Menüs zur Auswahl. Der Export der Messdaten funktioniert ausschließlich über einen eingerichteten Email-Account als gezippte csv-Datei. Ausgegeben werden neben Datum und Zeit die jeweiligen Messwerte der Komponenten in x-, y- und z-Richtung, der gesamte Betrag der magnetischen Flussdichte und die zugehörige Einheit.

Das Zahnrad in der oberen rechten Ecke ermöglicht weitere Einstellungen mit übersichtlichen Optionen: Neben der Einheit (Mikrotesla oder Milligauß, einstellbar bei „Unit Display“) kann unter „Update Frequency“ die Messfrequenz zwischen 2 und 10 Hz eingestellt werden. Unter „Sound FX“ lassen sich Töne bei Tastendruck im Messbildschirm ein- oder ausschalten. Zusätzlich sind unter „Alert Threshold“ ein Alarm für magnetische Flussdichten jenseits eines bestimmten Grenzwerts einstellbar. Die Sprechblasen im Messbildschirm mit kurzen Hilfestellungen zu den Funktionen der App, die in der Abbildung zu sehen sind, lassen sich unter „Help“ ein- oder ausblenden.

Pascal Klein, Katrin Hochberg, Jochen Kuhn, TU Kaiserslautern; Thomas Wilhelm, Uni Frankfurt

Mehr über die Handhabung der App finden Sie in der jüngsten Ausgabe von Physik in unserer Zeit, wo der Originalbeitrag erschienen ist, zum freien Download.

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