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Mit den bisher bekannten und in Verwendung stehenden erdmagnetischen"Feldwaagen"wird auf Grund von Beobachtungen an einzelnen Geländepunkten eine magnetische Intensitätskomponente gemessen und auf zeitraubendem Rechnungswege und durch Abgleichung auf eine fixe Messstation die tatsächlich herrschende Intensitätskomponente bestimmt. Aus zwei solcher Intensitätskomponenten, deren Entfernung bekannt ist, kann man daher rechnerisch das zwischen diesen beiden Stationspunkten herrschende"Gefälle", also den magnetischen Gradienten, bestimmen.
Zur Ermittlung der Störungsquelle sind bei den bekannten magnetischen Feldwaagen verschiedene Korrekturen und Reduktionen an den beobachteten Intensitätswerten anzubringen. a) Die Korrektur des zeitlichen Instrumentenganges (von der Zeit abhängige Nullpunktsverlagerungen des Instrumentes). b) Die Temperaturkorrektur bei nicht temperaturkompensierten Instrumenten. c) Die Reduktion auf die gleiche Tageszeit infolge der täglichen Variationen des magnetischen Erdfeldes. d) Die geographische Breiten-und Längenreduktion infolge des magnetischen Normalfeldes der Erde.
Zur erstgenannten Gangkorrektur müssen zwischen den Messungen an neuen Punkten ständig Wiederholungsmessungen an alten, bereits vermessenen Punkten eingeschaltet werden. Der auf diese Weise rechnerisch ermittelte Gang wird von den beobachteten Werten abgezogen. In gleicher Weise wird die Änderung des magnetischen Momentes mit der Temperatur durch Aufzeichnung derselben und Berechnung berücksichtigt oder es muss eine eigene Einrichtung zur automatischen Temperaturkompensation an dem Messsystem des Instrumentes angebracht werden.
Die täglichen Variationen werden durch ortsfeste Zeitvariometer laufend photographisch registriert oder müssen durch einen zweiten Beobachter an einem zweiten Lokalvariometer ermittelt und aufgezeichnet werden. Man kann auch die Variationen nachträglich von einem Observatorium beziehen, hat aber dann den Nachteil in Kauf zu nehmen, dass man von grösseren Störungen, den magnetischen Ge- wittern, erst nachträglich erfährt. Da Messungen während eines magnetischen Gewitters unbrauch- bar sind und solche oft mehrere Tage anhalten, so stellt sich häufig später heraus, dass die
Messungen von Wochen vollkommen wertlos sind.
Zur Anbringung der geographischen Reduktion wird die Lage der Messpunkte einer genauen
Landkarte (Messtischblatt 1 : 25.000) entnommen oder falls keine solche vorliegt, müssen die Punkte geodätisch eingemessen werden, was in unerschlossenen Gegenden, wie in den Tropen, immer der Fall und sehr zeitraubend ist.
Die vorgenannten Korrekturen und Reduktionen können keineswegs im Felde durchgeführt werden, sondern erfordern langwierige Rechenoperationen am Schreibtisch. Aus den auf diese Weise ermittelten Störungswerten der magnetischen Vertikal- (bzw. Horizontal-) Intensität wird die Lage und Ausdehung der Störungskörper durch Auftragung der Störungswerte auf die Landkarte bestimmt.
Der grösste Nachteil der geschilderten, bisher üblichen Messmethode ist die Unmöglichkeit, während der Messung selbst Anhaltspunkte zu gewinnen, in welche Richtung die Messungen zweckmässig fortzusetzen sind, um die Störungszonen richtig zu erfassen, weil nur bei besonders stark abweichenden Anomalien, diese ohne die zahlreichen Korrekturen erkannt werden können.
Dieser schwere Nachteil wird durch das im folgenden erfindungsgemäss beschriebene Instrument vermieden, weil mit demselben nicht wie bisher die Intensitätswerte selbst, sondern deren Gradient gemessen wird. Ausser der oben genannten Korrektur des Instrumentenganges fallen die anderen Korrekturen teils ganz weg, teils sind sie so einfach, dass sie im Felde angebracht werden können.
Das Messsystem ist temperaturunempfindlich, da es aus zwei gleichen, um eine Achse symmetrisch gelagerten, gleich grossen Magneten besteht. Die temperaturbedingte Änderung des magnetischen Momentes der beiden Magnete hebt sich gegenseitig auf und kann sich nicht störend bemerkbar machen.
Der Gradient ist, im Gegensatz zu den Intensitäten, nicht den Variationen unterworfen, da diese an allen Orten zu gleicher Zeit mit der
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mentes, das sinngemäss als"erdmagnetische
Gradientenwaage"bezeichnet werden kann, ist das in Fig. 1 abgebildete, besonders angeordnete Magnetsystem, das den Gegenstand der Erfindung bildet.
Dieses Magnetsystem besteht (Fig. 1) aus zwei gleichen Magneten M, M, die mit ihren beiden gleichnamigen Polen gegeneinander gelagert und durch ein nichtmagnetisches Verbindungsstück starr verbunden sind. Das Magnetsystem sitzt im entarretierten Zustand bei vertikalen Schwingungen auf einer geschliffenen Quarzschneide auf, bzw. ist bei horizontalen Schwingungen an einem dünnen Torsionsfaden aufgehängt, der in bekannter Weise an einem verstellbaren Torsionskopf angebracht ist, etwa wie dies bei der Eötvös'schen Drehwaage zur Messung des Schwere-
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die Möglichkeit, in gewissen Grenzen der Vertikal- bzw. Horizontalebene zu schwingen und je nach
Grösse der in die Achsenrichtung des Magnetsystems fallenden Komponente des an diesem Ort herrschenden magnetischen Gradienten eine Ruhestellung einzunehmen.
Durch Drehung des ganzen Systems ermittelt man die Richtung des grössten Dreh-bzw. Ausschlagwinkels und erhält dadurch unmittelbar die Richtung des Gradienten.
Durch Beobachtung dieses Drehwinkels (Ausschlagwinkels) gegenüber der Waagrechten (Lotrechten) erhält man den Betrag des Gradienten, welcher dem Winkel direkt proportional ist, wie im folgenden gezeigt wird. Die Richtigkeit dieser Überlegungen ergibt sich aus nachstehenden Rechnungen, die durch die Fig. 2 und 3 erläutert sind.
Zur Theorie der Gradientenwaage werden nachfolgende Betrachtungen angeführt, die sich auf Fig. 3 beziehen.
Den Auflagerpunkt (Drehpunkt des Magnetsystems) bezeichnen wir mit 0 und nehmen ihn zum Ausgangspunkt des Koordinatensystems, Zo sei die Vertikalintensität im Punkte 0, ferner sei
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der Gradient von Z in der Richtung der Waage. Ferner wollen wir noch folgende Festsetzungen treffen : Es seien , g, die Koordinaten der Magnetpole, gezählt auf der Achse des Waagebalkens, also auf dem beweglichen System, Z1... Z4 seien die an den Magnetpolen jii, angreifenden Vertikalkomponenten des Feldes.
Wir erhalten folgende Bilanz der gesamten, am beweglichen System angreifenden Drehmomente, deren Summe im Falle des Gleichgewichtes Null ergeben muss :
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Es bedeutet dabei m die Masse des Magnetsystems, g die Beschleunigung der Schwerkraft, s den Abstand des Schwerpunktes vom Drehpunkt des gesamten Systems, y ist der Winkel zwischen dem Schwerpunktsarm und der Achse des Magnetsystems, r der Ausweichungswinkel der Achse des Magnetsystems aus seiner Ruhelage (horizontal).
Nach Ordnung der obigen Bilanzgleichung nach Gliedern, die Zo bzw. G enthalten, ergibt sich :
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Führt man nun noch ein :
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wobei 11 und 12 die Längen (Poldistanzen) der beiden Magnete bedeuten und berücksichtigt, dass 11 2 zist, so findet sich schliesslich :
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Dies ist die Grundgleichung der Gradientenwaage, die also einen dreigliedrigen Ausdruck von der allgemeinen Form
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darstellt. Dabei hat das erste Glied ungefähr die Grösse Null, wenn die beiden Magnete annähernd gleich und auch ihre Abstände ; 2 bzw g von der Drehachse des Systems gleich sind.
Einer Änderung des Gradienten um den Betrag A G entspricht eine Änderung des Ausschlagwinkels ss um A ss. Der Zusammenhang ergibt sich durch Differentiation von (6) unter Berücksichtigung des Umstandes, dass ss ein kleiner Winkel ist, somit cos ssl und sin P--p gesetzt werden darf. Wir erhalten also die Endgleichung
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Dabei bedeutet :
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Materialkonstante, welche von der Länge und der Torsionskraft des Aufhängefadens abhängig ist.
Der Empfindlichkeitsgrad für den Idealfall, dass beide Magnete des Magnetsystems absolut gleich sind, ist durch die Bedingung (Formel 7) gegeben ; praktisch werden wohl ohne umständ-
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samtlänge des Magnetsystems mit 25 cm angenommen wird. Die Gradientenwaage ist also auf jeden Fall in Störgebieten verwendbar. Bei feinster mechanischer Konstruktion und längerem Magnetsystem (verfeinerter Drehschneide, Auf- hängevorrichtung usw. ) kann jedoch auch eine höhere Empfindlichkeit erreicht werden.
Fehler infolge mechanischer Unvollkommenheiten des Magnetsystems lassen sich durch Ablesen in mehreren Lagen und Mittelbildung voll beseitigen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur direkten Beobachtung und Messung des Gradienten der erdmagnetischen Vertikal-bzw. Horizontalkomponente, seiner Grösse und Richtung nach, gekennzeichnet durch ein aus zwei gleichen Einzelmagneten bestehendes Magnetsystem, bei dem die durch ein unmagnetisches Mittelstück mit den gleichnamigen Polen gegeneinander verbundenen Magnete in der geometrischen Mitte des Systems um eine Drehschneide oder irgendein anderes Auflager drehbar gelagert sind und den Ausschlagwinkel des Systems gegenüber einer festen Bezugsrichtung mit Hilfe zusätzlicher Vorrichtungen beobachten und messen lassen.
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