Einleitung

Die magnetische Feldwaage (1) ist eines der grundlegenden Messinstrumente der angewandten Geophysik. Sie hat sich seit über 50 Jahren als Geländeinstrument auch unter extremen Bedingungen bewährt. Ihre Bedeutung rührt daher, dass sie Robustheit mit hoher Messempfindlichkeit verbindet.
(1) Das Wort "Feld" in Feldwaage bezieht sich nach Meinung des Autors auf das Feld als Messort und nicht auf das Magnetfeld.

Die magnetische Feldwaage dient vor allem zur Messung der örtlichen Anomalien der Vertikal-Komponente des Erdmagnetfeldes. Manche Feldwaagen erlauben allerdings auch die Messung der Anomalien der Horizontal-Komponente. Sie besteht im Prinzip aus einem um eine horizontale Achse beweglichen Permanentmagneten (entweder schneiden- oder spitzengelagert oder durch horizontal gespannte Fäden gehalten).

Ihr Vorgänger im weiteren Sinne ist der magnetische Kompass, der den einfachsten und ältesten Typ eines Magnetometers darstellt. Der Leser möge mir verzeihen, wenn ich einen kleinen Exkurs in die Frühzeit der geomagnetischen Exploration, in der der Kompass das einzige Gerät zur Erkennung des Erdmagnetfeldes war, voranstelle. Mir erscheint gerade diese "Vorzeit" äusserst interessant zu sein, in der man erst allmählich erkannte, dass das Erdmagnetfeld (man kannte den Feldbegriff zu dieser Zeit natürlich noch nicht) nicht homogen war, sondern örtliche Abweichungen aufwies; eine Tatsache, welche die spätere Entwicklung der Feldwaagen nach sich zog.

1. Die Zeit von Christoph Kolumbus bis Harald Lloyd

Der magnetische Kompass war in Europa bereits im Mittelalter bekannt (Hansteen, 1819, S. 1ff; Auerbach, 1921, S. 220f.; Balmer, 1956, S. 50ff.) (2). Er bestand meistens aus einem oben zugespitzten Stift, auf dem eine runde Papierscheibe im Gleichgewicht lag. Auf der Unterseite der PapierScheibe war ein Drähtchen befestigt, und dieses Drähtchen wurde mit einem "Magnetstein" magnetisiert. Man nahm dabei an, dass die Kompassnadel stets genau nach Norden zeigte, wobei der Grund dafür die Anziehung durch den Polarstern oder durch riesige Magnetberge im Norden Europas sein sollte.
(2) Das Literaturverzeichnis zu diesem Kapitel ist nach Abschnitten getrennt angeordnet.

Kolumbus hat vermutlich als erster die örtliche Abweichung der Kompassnadel von geographisch Nord beobachtet (Gilbert, 1958, S. 252, Fussnote; Chapman u. Bartels, 1951, S. 904ff.; Balmer, 1956, S. 82). Bei seiner ersten Amerikafahrt schreibt er am 13. September 1492 in das Schiffstagebuch, dass etwa 50 Seemeilen westlich der Azoreninsel Corvo die Kompassnadel, deren Richtung bis dahin etwas nordöstlich gewesen war, nach Nordwesten abwich, und auf seiner zweiten Reise benutzte er diese örtliche Abweichung zur Lagebestimmung seines Schiffes. Daraus wird klar, dass er den ortsabhängigen Charakter der Abweichung richtig erkannt hatte. Zur Messung peilte er einfach über seinen Kompass hinweg den Polarstern an.

Auf dem Festland Mitteleuropas ahnte noch lange niemand, dass die Magnetnadel gar nicht in die wahre Nord-Süd-Richtung wies. Man hielt es durchaus für zulässig, die Magnetnadel unmittelbar an einer Sonnenuhr anzubringen und diese überall danach zu richten. Zentrum für die Herstellung derartiger Geräte war zu dieser Zeit Nürnberg. Selbst dem hervorragenden französischen Gelehrten Petrus Peregrinus (um 1260) war die Erscheinung der Abweichung der Magnetnadel entgangen. Auch als man die "Missweisung" schliesslich erkannte, glaubte man noch lange, sie sei bestimmten Magnetsteinen, mit denen man zuvor die Magnetnadel bestrichen hatte, zu eigen. Obwohl auch Rheticus (1514 - 1574, er war als Dozent für Arithmetik an der Hochschule Wittenberg, später als Professor in Leipzig tätig) diese Meinung vertrat, beschrieb er nichtsdestoweniger ein besonderes Gerät, das sich gut zur Beobachtung der örtlichen Abweichung verwenden liess: Man kitte ein quadratisches Messingplättchen von 15 cm Seitenlänge auf Holz, ziehe um den Mittelpunkt einen Kreis, teile ihn ein, errichte im Mittelpunkt ein senkrechts Messingstiftchen und setze ein 12 cm langes "Zünglein" darauf. Aus gleichen Schattenlängen vor- und nachmittags ermittle man die Mittagslinie, richte das Gerät danach, bestreiche nun das Zünglein mit dem Magnetstein und prüfe seinen Ausschlag. Damit kein Luftzug störe, wird es mit einem Gehäuse überdeckt, das aus einem Holzring mit runder Glasscheibe besteht (aus Balmer, 1956, S. 278ff.).

In Mitteleuropa ist es Georg Hartmann, der 1544 als erster schreibt, dass die Abweichung der Magnetnadel von Ort zu Ort verschieden ist, ohne dass er die Beobachtung von Kolumbus erwähnt (Balmer, 1956, S. 287; Hellmann, 1899). Georg Hartmann (1489 - 1564) war als Pfarrer in Nürnberg tätig, muss aber ausserdem ein ausgezeichneter Instrumentenbauer gewesen sein. Besonders liebte er die Sonnenuhren, und dabei wurde er wohl zu seinen Versuchen mit Magnetnadeln und Magnetsteinen angeregt. Aus seinem Briefwechsel mit Herzog Albrecht von Preussen, einem Liebhaber der Naturwissenschaften, geht hervor, dass er nicht nur die örtliche Verschiedenheit der Deklination, sondern auch das Phänomen der Inklination erkannte. So schreibt er in seinem Brief vom 4. März 1544:

"Ich finde am Magneten nicht nur, dass er sich von der Nordrichtung abwendet _... sondern auch, dass er abwärts zieht. Dies erkennt man so. Ich mache ein fingerlanges Zünglein, das schön waagrecht _... auf einem spitzigen Stifte steht, so dass es sich nirgends zur Erde neigt, sondern auf beiden Seiten im Gleichgewicht steht. Wenn ich nun aber eine der Seiten - gleichgültig welche, mit dem Magneten bestreiche, so bleibt das Zünglein nicht mehr waagrecht stehen, sondern sinkt auf einer Seite um 9 Grad oder mehr oder weniger abwärts." (Aus Balmer, 1956, S. 287ff.).

Dass der gemessene Betrag für die Inklination zu gering war, liegt natürlich an der Messmethode. Hartmann war noch nicht auf den Gedanken gekommen, eine waagrecht gelagerte Achse für das "Zünglein" zu nehmen.

Hartmanns Brief blieb aber verborgen und hatte keine Folgen. Die Inklination wurde erst über 30 Jahre später in England wieder entdeckt, und zwar von dem Seemann und Instrumentenbauer Robert Norman. Er beschreibt dies in seiner 1581 veröffentlichten Schrift "The newe Attractiue". Norman schuf die erste Neigungsnadel, indem er durch die durchbohrte Mitte einer Nadel eine feine Achse steckte, die er waagrecht lagerte. Die zunächst unmagnetische Nadel musste völlig frei in jeder Lage spielen, dann berührte er sie mit dem Magnetstein und richtete sie parallel zum magnetischen Meridian aus. Er fand als Neigung für London 71 Grad 50 Minuten (Gilbert, 1958, S. 15). Der englische Arzt William Gilbert (1544 - 1603) war dann der erste, der diese Erscheinung richtig deutete, indem er die Erde als Ganzes als Magnet auffasste. Er veranlasste dann auch, dass wenig später die Breitenabhängigkeit der Inklination von den englischen Seefahrern Hudson und Baffin auf ihren Nordlandfahrten gemessen wurde (Hansteen, 1819, S. 8f.).

Obwohl keines der bis jetzt beschriebenen Geräte eine Magnetwaage oder einen direkten Vorläufer der Magnetwaage darstellt, bilden sie doch den eigentlichen Untergrund für die nun folgenden Entwicklungen, die zur Konstruktion der ersten brauchbaren Magnetwaage, der Magnetwaage von Harald Lloyd geführt haben.

Seit dem siebzehnten Jahrhundert wird in Skandinavien der sog. schwedische Berg- oder Grubenkompass zur Prospektion von Eisenlagerstätten verwendet. Erfinder dieses Gerätes ist wahrscheinlich der Bergrat Daniel Tilas (gest. 1672). Es ist als ältestes Instrument zur Prospektion von Eisenlagerstätten dem von Hartmann verwendeten Gerät sehr ähnlich (Reich, 1926; Haalck, 1927, S. 68f.). Der Grubenkompass besteht aus einer Kompassnadel, welche in einer etwa 5 cm hohen Messingbüchse auf einer Spitze so balanciert, dass sie sowohl in horizontaler wie auch in vertikaler Richtung schwingen kann. Ursprünglich war dieses Gerät ohne Gradeinteilung; mit Gradeinteilung wurde es später in Nord-Amerika verwendet. Nicht viel empfindlicher als ein schwedischer Grubenkompass, aber wohl ein direkter Vorläufer der magnetischen Feldwaage war die in Nord-Amerika oft gebrauchte "Dip Needle", auch Tiberg-Inklinator genannt. Sie stellt eine Inklinationsnadel dar, deren Schwerpunkt so ausbalanciert ist, dass sie im ungestörten Feld horizontal steht (Swanson, 1936). Prinzipiell gesehen ist es vom Tiberg-Inklinator zur Magnetwaage von Lloyd nur ein kleiner Schritt. Die Lloydsche Magnetwaage aber bildet den Ausgangspunkt für alle modernen Entwicklungen der magnetischen Feldwaage.

Die ersten umfassenden Veröffentlichungen über Messungen von Anomalien des Erdmagnetfeldes finden wir bei Alexander von Humboldt (1797). Er hatte 1796 bei einer "geognostischen Tour" in der Oberpfalz im Nordosten Bayerns erkannt, dass starke lokale magnetische Störfelder in der Umgebung von Serpentinitkörpern zu beobachten sind. Sein Messinstrument war ein Kompass.

2. Die Zeit von Harald Lloyd bis Adolf Schmidt

Obschon nicht als Feldinstrument geeignet, ist die Lloydsche Magnetwaage die direkte Vorläuferin aller in diesem Jahrhundert entwickelten Feldwaagen. Harald Lloyd hatte seine Magnetwaage für das Observatorium in Dublin konstruiert (um 1840) und beschreibt sie in seinem "Treatise on Magnetism" (Lloyd, 1874, siehe auch Graetz, 1915, S. 195). Sie ist konstruiert zur Messung der zeitlichen Variationen der Vertikalkomponente des erdmagnetischen Feldes und besteht aus einem Waagebalken aus Stahl, etwa 10 cm lang, der mittels horizontaler Schneiden auf zwei Lagern ruht. Schneiden und Lager sind aus Achat. Die Schneiden durchsetzen den Balken dicht oberhalb seines Schwerpunktes. Mit Hilfe von verschiebbaren Zusatzgewichten wird der Waagebalken so ausbalanciert, dass das durch das Schwerefeld bewirkte Drehmoment gleich dem durch das Magnetfeld bewirkten Drehmoment ist. Das Instrument wird so orientiert, dass die Längsachse des Waagemagneten senkrecht zum magnetischen Meridian ausgerichtet ist. Damit wird ein Einfluss der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes ausgeschaltet. Variationen der Vertikalkomponente dagegen verändern die Lage des Waagebalkens, wobei die Neigung mit Hilfe eines Fernrohres gemessen wird. Die Schwierigkeiten beim Gebrauch dieses Gerätes ergaben sich teils aus Reibungseffekten der Achatschneiden auf den Lagern und aus ungleichmässigem Aufsetzen, teils aus geringfügigen Massenverlagerungen, bedingt durch die beweglichen Gewichtchen zur Justierung des Waagebalkens. Ferner war ein starker Temperatureinfluss vorhanden, der einerseits der mechanischen Ausdehnung des Waagebalkens, andererseits der Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung des Magneten zuzuschreiben war. Dies veranlasste Watson (1904) in einer seiner Arbeiten über Vertikalwaagen zu dem Kommentar:

"... many vertical-force magnetographs might almost be used more efficiently as thermographs than as Instruments for recording changes in the vertical component."

Nichtsdestoweniger scheint dieses Instrument doch das erste brauchbare Observatoriums-Gerät zur Registrierung der zeitlichen Variationen der Vertikalkomponente gewesen zu sein. Als Feldgerät war es jedoch in der damaligen Form nicht geeignet.

Watson (1901) beschreibt als erster eine Version der Lloydschen Waage mit TemperaturKompensation. Das Magnetsystem besteht hier aus 8 Stahlstäben, 10 cm lang und 0,2 cm Durchmesser, die von einem Rahmen aus Aluminium gehalten werden. Parallel zu den Stahlmagneten ist am Magnetsystem ein Zinkstift mit zwei zusätzlich verschiebbaren Messinggewichten befestigt, welcher durch Verschrauben in seiner Lage bezüglich der Achat-Achse des Systems verändert werden kann. Die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Stahlmagneten und Zinkstift kann dann zur Temperaturkompensation verwendet werden. Fünf Kupferplatten dienen zur Dämpfung. Ausserdem erlaubt ein Hebelsystem, dass der Waagebalken nach Arretierung genau an derselben Stelle wieder auf den Lagern aufliegt. Watson schreibt, dass die damit erzielte Temperaturkompensation ermöglicht, bei 15° Temperaturänderung den Fehler unter 5 g [gamma] zu halten. Auch dieses Gerät ist noch kein Feldgerät im eigentlichen Sinn, obschon es zur Messung an verschiedenen Stationen benutzt wurde, und zwar zur Bestimmung der Störfelder, verursacht durch eine elektrische Eisenbahn. Watson schreibt:

"... the experiments being made with the view to the framing of regulations for the protection of the English observatories."

Eine andere Form der Lloydschen Waage beschreibt im gleichen Jahr Eschenhagen (1901). Hier wird die Waage als Nullinstrument verwendet: Eschenhagen kompensiert den durch die Vertikal-Komponente verursachten Ausschlag des Waagebalkens durch einen passend angebrachten Rücklenkungsmagneten. Damit erreicht er auch eine gewisse Temperaturkompensation. Er schreibt:

"... es zeigte sich, dass die Temperatur auf den Rücklenkungsmagneten im entgegengesetzten Sinne wirkt, als auf den Waagemagnet, da eine Erwärmung die Rücklenkung abschwächt, den Waagemagneten aber zum Steigen bringt. Es ist infolgedessen begründete Aussicht vorhanden, durch geeignete Wahl des Materials und der Dimension der Magnete eine Waage zu konstruieren, auf welche die Temperatur geringen Einfluss ausübt ...".

Das BMZ (Balance Magnetique Zero) von LA COUR (1927) stellt eine Weiterentwicklung dieser Waage von Eschenhagen dar.

Alle diese Geräte waren für den Betrieb in Observatorien konstruiert. Bei der Fortentwicklung zu Feldgeräten erkennen wir, dass zwei verschiedene Wege eingeschlagen wurden: Bei dem einen wurde die Schneide als Lagerung für das Magnetsystem beibehalten, bei dem anderen wurzle es durch eine Aufhängung mit horizontal gespannten Fäden oder Bändern ersetzt. Wir wollen zunächst den Weg der Waagen mit Schneidenlagerung verfolgen.

3. Entwicklung der Feldwaage mit Schneidenlagerung

Es ist Adolf Schmidt zu verdanken, dass wir eine für Feldmessungen geeignete Schneidenwaage von grosser Genauigkeit zur Verfügung haben. Im Jahre 1907 liess er von der Firma O. Töpfer in Potsdam nach seinen Plänen das erste Versuchsinstrument bauen. Bei diesem Instrument war darauf Wert gelegt worden, dass es möglichst leicht und stabil war, dass Zusatzgewichte am Waagebalken möglichst eingeschränkt wurden und dass die Schneidenlagerung verbessert wurde.

Beim ersten Instrument wurde das Magnetsystem (er nennt es Nadel I), bestehend aus zwei Lamellen mit verbindendem Mittelstück, auf dessen obere Fläche der Spiegel aufpoliert war, als Ganzes aus einem Stahlstück herausgearbeitet. Als Material für Schneiden und Lager verwendete er nicht wie üblich Achat, sondern Quarz. Schmidt (1915) schreibt, dass er auf Grund seiner laufenden Observatoriumserfahrung schon früher Zweifel an der Zweckmässigkeit von Achat als Schneidenmaterial hatte, und zwar wegen seiner hygroskopischen Eigenschaften. Die Lager sind zylindrisch geformt mit horizontaler, zur Schneide senkrechter Achse. Den Hauptteil des Instruments bildet eine zylindrische Kammer, deren Boden das Magnetlager und deren Decke einen Hohlkonus mit Fernrohr zur Beobachtung der Auslenkung des Waagebalkens trägt. Dazu kommen eine doppelte Arretierung und Kupferdämpfer. Die grobe Arretierung gestattet es, den würfelförmigen, zur Gewichtsverminderung mehrfach durchbohrten Mittelteil des Waagemagneten zwischen zwei Klemmbacken fest zu fassen. Nach Lösung der Grobarretierung ruht der Magnet mit den Prismen der Schneiden auf einer Gabel für Feinarretierung, die dann für die Beobachtung herabgelassen wird. In die Kupferdämpfer ragen die Gefässe zweier Thermometer. Das Gerät wird zur Messung auf ein Stativ gesetzt und so orientiert, dass der Magnet senkrecht zum magnetischen Meridian ausgerichtet ist. Ein zusätzlicher Stabmagnet kann zur Erweiterung des Messbereichs am Stativ befestigt werden. Das Gerät besitzt noch keine TemperaturKompensation. Es musste deshalb die Temperatur mit abgelesen werden.

Obwohl Schmidt berichtet, dass dieses erste Gerät "zu einem recht befriedigenden Ergebnis" führte, verursachte die Herstellung der Nadel aus einem Werkstück so grosse Schwierigkeiten, dass bei dem zweiten Waagebalken (Nadel II) die magnetischen Stahllamellen mit einem Messingstück durch Verschraubung verbunden wurden und ein Glasspiegel auf das Mittelstück geklebt wurde. Nadel II hatte eine rund viermal geringere Empfindlichkeit als Nadel I, verhielt sich jedoch sonst ebenso gut. Im übrigen wurde das Instrument nicht verändert. Die Sicherheit der einzelnen Einstellung gibt Ad. Schmidt für diese ersten Instrumente mit ñ 10 g an. Die Temperaturvariation der Nadel I war ziemlich gross, nämlich + 17 g pro Grad, während Nadel II nur + 5,3 g pro Grad zeigte. Wahrscheinlich war bei Nadel II eine zufällige partielle Temperaturkompensation dadurch erreicht worden, dass sie aus verschiedenen Metallen zusammengesetzt war. Als Messzeit für die eigentliche Beobachtung gibt Schmidt etwa 15 Minuten an, ebensoviel für Aus- und Einpacken, Aufstellen und Wiederzusammenlegen. Das Gewicht war noch relativ gross: 3,5 kg das Magnetometer selbst, Verpackung und Stativ 6,5 kg. Bei der Messung muss das Gerät so justiert werden, dass die Längsrichtung des Magneten senkrecht zum magnetischen Meridian am Messort gerichtet ist, um den Einfluss der Horizontalkomponente auszuschalten. Wie wir weiter unten sehen werden, braucht diese Forderung bei den Fadenwaagen, die nach der Nullmethode arbeiten, d.h. bei denen eine Auslenkung des Magneten aus der Horizontalen wieder kompensiert wird, nicht streng erfüllt zu werden.

Die guten Messergebnisse, die bei diesen ersten Instrumenten erzielt wurden, bedingten in den Kreisen der Praxis eine steigende Nachfrage nach derartigen Geräten, so dass mit der serienweisen Herstellung des Gerätes begonnen wurde. Die Herstellung des Instruments war dabei auf die Askania-Werke AG (vormals Firma Carl Bamberg) übergegangen (um 1920).

      Abb.1                                                                                                                                                                                                                 Abb.2
Eine Beschreibung des nun von Askania hergestellten und etwas abgeänderten Geräts finden wir bei Heiland u. Duckert (1924). Prinzipiell hatte sich an der Feldwaage nichts geändert. An Stelle des zylinderförmigen Magnetometerkörpers hat das Gerät nun die Form eines Kästchens (s. Abb. 1). Das Magnetsystem besteht weiterhin aus zwei Lamellen aus Wolframstahl, die von einem Mittelstück aus Duraluminium zusammengehalten werden (Abb. 2}. Ebenso wird Quarz als Material für Schneiden und Lager beibehalten. Eine entscheidende Verbesserung scheint jedoch die neue Arretiervorrichtung gewesen zu sein: Ein gebogener Arm mit drei Spitzen, die in drei Kerbschrauben auf der Unterseite des Waagenkörpers eingreifen. Dadurch wird zwangläufig immer auf dieselbe Stelle des Lagers aufgesetzt. Ausserdem verringerte sich das Gesamtgewicht. Jedoch besteht weiterhin ein starker Temperaturgang. So finden wir z.B. für ein 1931 geliefertes Gerät als Temperaturkoeffizienten einen Wert von - 3,6 g pro Grad.

Ambronn (1926) beschreibt eine von ihm entwickelte Vertikal-Feldwaage, die der von Schmidt sehr ähnlich ist. Auch dieses Gerät besitzt noch keine Temperaturkompensation. Das Gerät ist mit einem Kupfermantel umgeben, der für Temperaturausgleich im Innern sorgt.

Ein "Universales Lokalvariometer" zur Messung aller drei Komponenten des Erdmagnetfeldes wird von Ostermeier (1926) beschrieben. Es besteht aus einer Schneidenwaage zur Messung der Vertikalkomponente, in die zusätzlich ein Bussolentheodolit eingebaut ist. Einige Jahre später beschreibt Ostermeier (1933) eine weitere Version der Schneidenwaage. Auch dieses Gerät ist der Schmidtschen Feldwaage sehr ähnlich. Als Messgenauigkeit gibt Ostermeier ñ 4 g an. Er verwendete eine Temperaturkompensation, die im Prinzip die gleiche ist wie die von Watson bereits 1901 verwendete: Es sind langgestreckte Metallkörper an den Magnetlamellen befestigt, die sich parallel zu diesen erstrecken, ohne sie (abgesehen von der Verbindungsstelle) zu berühren. Bei geeigneter Dimensionierung dieser Zusatzkörper wird durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Stahlmagneten und Zusatzkörper eine Temperaturvariation kompensiert. Im Unterschied zu Schmidt verwendet Ostermeier Rubin als Schneidenmaterial. Die Auflagefläche der Lager ist wie bei Schmidt gewölbt, so dass die Schneiden nur an zwei Punkten aufsetzen.

Zu erwähnen bliebe weiterhin noch die "Universalwaage" von Hermann Haalck (1927). Dies ist eine Schneidenwaage, deren auf Achatschneiden balancierendes Magnetsystem aus je zwei gekreuzten, vertikal bzw. horizontal gerichteten Magnetlamellen besteht. Mit dieser Anordnung lässt sich bei geeigneter Orientierung des Magnetsystems sowohl die Vertikal- wie auch die Horizontalkomponente messen. Abgesehen von der gekreuzten Anordnung ist das Magnetsystem dem der Schmidtschen Feldwaage sehr ähnlich.

Die Geräte von Ambronn, Ostermeier und H. Haalck konnten sich jedoch gegenüber der Askania-Feldwaage nach Schmidt nicht durchsetzen.

Weiterhin zu erwähnen sind noch die Schneidenwaagen der Firmen Hilger and Watts Ltd. und Ruska Instr. Corp., die mehr oder weniger Kopien der Schmidtschen Feldwaage sind.

Anfang der dreissiger Jahre entwickelten die Askania-Werke eine Temperaturkompensation für die Schneidenwaage (Koulomzine u. Boesch, 1932; Koulomzine u. Bondaletoff, 1934; Kohl, 1934): An beiden Seiten des Verbindungskörpers der zwei Magnetlamellen wurde je eine Zusatzspindel befestigt, die eine aus Aluminium, die andere aus Invar. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung sorgt dann bei geeigneter Einstellung von Messingschrauben, die auf den Spindeln sitzen, für die Temperaturkompensation. Auch die äussere Form des Instruments wurde verändert. Das Gehäuse, welches das Magnetsystem beherbergt, bekam nun die Form einer kreisrunden Dose mit horizontaler Achse. Als Material für die Schneide wurde Quarz beibehalten. Dieses Gerät trägt die Bezeichnung GF6. Die Beobachtungszeit (Auf- und Abbau und Ablesen) hat sich nun auf weniger als 10 Minuten verringert, verglichen mit 30 Minuten bei den ersten Geräten von Adolf Schmidt. Die Messgenauigkeit war etwa ñ 5 g.

Mit der Einführung der Temperaturkompensation ist die Entwicklung der Schneidenwaage im Prinzip abgeschlossen. Wir wenden uns nun, wieder ausgehend von der Lloydschen Waage, dem zweiten Entwicklungsweg zu, der zur Konstruktion der Faden-Feldwaagen führte.

4. Die Entwicklung der Faden-Feldwaagen

Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Verwendung der Lloydschen Waage waren die Unregelmässigkeiten in der Auflage der Schneiden. Diese Unregelmässigkeiten resultierten aus Ungenauigkeiten und von Staubkörnchen in der Auflage. Dazu kam noch, dass die Achat-Lager hygroskopisch waren. Diese Unregelmässigkeiten liessen sich nur überwinden, wenn das magnetische Moment des Waagemagnets hinreichend gross war, d.h. der Magnet selbst ziemlich gross und schwer war. Damit war es jedoch nicht möglich, kurzperiodische Veränderungen des erdmagnetischen Feldes zu messen. Eschenhagen (1901) hatte wohl als erster auf diese Schwierigkeit hingewiesen.

Aus dieser Problematik heraus hatte Watson (1904) eine Form der Lloydschen Waage entwickelt, welche an Stelle der Schneidenlagerung eine Aufhängung des Magnetsystems an horizontal gespannten Quarzfäden verwendet. Dieses Gerät wurde jedoch nicht als Feldgerät, sondern für den Observatoriumsbetrieb konstruiert. Das Magnetsystem bestand aus zwei Stahlstäben, 8 cm lang, 1 mm Durchmesser, welche mit Hilfe eines Platinbügels zusammengehalten wurden. Darauf war ein Spiegel befestigt. Die Quarzfäden der Aufhängung waren über eine Quarzfeder in Spannung gehalten. Der Schwerpunkt des Magnetsystems und die Torsion der Quarzfäden waren so aufeinander abgestimmt, dass die Achse des Magneten horizontal steht. Mit Hilfe der Torsion der Aufhängungsfäden konnte Watson eine einfache Temperaturkompensation erzielen. Er beschreibt das Prinzip folgendermassen:

"... If now the temperature rises two effects will be produced. In the first place, the magnetic moment of the magnet will decrease, and hence the couple acting on the magnet, due to the vertical component of the earth's magnetic field, will decrease. The result will be that the north end of the magnet will rise. Secondly, owing to the fact that the torsional rigidity of fused silica increases with rise of temperature. the couple due to the torsion of the fibre will increase. On this account also the north end of the magnet will rise. Next let us adjust the balance of the magnet so that the centre of gravity lies on the same siele of the axis of the fibre äs the south pole, the displacement being such that to make the magnet lie with its axis horizontal, the fibre has to be twisted in the anti-clock-wise direction. In this case, when the temperature rises the north end of the magnet will tend to rise owing to the decrease in magnetic moment, but will tend to fall owing to the increase in the stiffness of the fibre. Thus, by suitably adjusting the horizontal displacement of the centre of gravity of the magnet, that is the initial torsion of the fibre, we can so arrange matters that the decrease in the couple due to the one effect is exactly equal to the increase due to the other; and so changes of temperature do not affect the position of the magnet..."

Nachdem sich dieses Instrument im Observatoriumsbetrieb bewährt hatte, wurde es mit geringfügigen Änderungen von der Cambridge Instrument Co. nachgebaut und an verschiedene geomagnetische Observatorien geliefert. Dieses Gerät von Watson war der Vorläufer für alle folgenden Feldwaagen.

G.H. Angenheister hatte für die Island-Expedition im Frühjahr 1910 zur Messung der Vertikal-Komponente des erdmagnetischen Feldes eine Torsionswaage konstruiert, die der von Watson sehr ähnlich ist (Angenheister, 1912). Obwohl dieses Gerät robust sein musste, ist es auch noch keine Feldwaage im eigentlichen Sinn, sondern für stationäre Beobachtungen gedacht. Im Unterschied zu Watson verwendete Angenheister einen Stahldraht, gespannt durch eine Messingfederung zur Aufhängung des Systems. Das Magnetsystem bestand aus einem Stahl-Magneten, 7 cm lang, 1/2 cm breit und 0,1 cm dick, der mit einem Spiegel versehen war. Die Temperaturkompensation funktioniert nach demselben Prinzip wie bei Watson. Genauigkeit der Ablesung etwa ñ 10 g.

Diese Waage wurde von Angenheister (1926) weiterentwickelt, wobei er für die Aufhängung Wolframeinkristallfäden verwendete, um die mechanische Nachwirkung, die bei den sonst üblichen Torsionsfäden störend wirkte, möglichst herabzusetzen. Der Nachteil von Einkristallfäden jedoch ist, dass die Tragkraft gering ist. Um sie zu erhöhen, musste Angenheister besonders dicke Fäden verwenden, wodurch die Empfindlichkeit des Gerätes sinkt. Um diese wieder zu heben, war der Schwerpunkt so gelagert, dass das mechanische und magnetische Drehmoment gleichgerichtet waren. Durch ein entgegengesetzt gerichtetes Torsionsmoment wurde die Waage dann im Gleichgewicht gehalten. Durch Regulationsschräubchen am Magneten liess sich die Schwerpunktlage geeignet wählen. Mit Hilfe dieser Anordnung ist auch wieder eine Temperaturkompensation, wie oben beschrieben, möglich. Als Material für die Magneten verwendete Angenheister Kobaltstahl. Er schreibt, dass diese Waage sowohl als Zeitvariometer in Observatorien, wie auch als Lokalvariometer für den Feldgebrauch verwendet werden kann.

Das von Koenigsberger (1925) beschriebene "Vertikalvariometer für Feldmessungen" unterscheidet sich etwas von den von Watson und Angenheister konstruierten Instrumenten. Hier wird die horizontale Fadenaufhängung nur als Schneidenersatz verwendet, derart, dass die Torsion der Fäden gegenüber den mechanischen und magnetischen Drehmomenten sehr klein ist. Die Wahl dieses Konstruktionsprinzips zeigt deutlich die Hauptschwierigkeit beim Bau von Fadenwaagen in jener Zeit, nämlich die zeitliche Veränderlichkeit der Torsionskraftder Aufhängungsfäden. Koenigsberger hatte keine Temperaturkompensation eingebaut, so dass eine genaue Bestimmung des Temperaturkoeffizienten nötig war. Als Messgenauigkeit gibt Koenigsberger ñ 2 g an.

Eine andere Vertikalwaage, in der in ähnlicher Weise die horizontale Fadenaufhängung nur als Ersatz für die Schneidenlagerung verwendet wurde, ist in der Dissertation von Andreesen (1905) beschrieben. Bei diesem Gerät ist der Magnet luftdicht in einem Hohlzylinder eingelagert. Der Hohlzylinder ist an Kokonfäden aufgehängt und in Glycerin eingebettet. Die Resultierende aus Auftriebs- und Schwerpunktskraft ändert sich mit der Temperatur der Flüssigkeit und wird von Andreesen zur Temperaturkompensation des Magneten verwendet. Soweit dem Autor bekannt, wurde mit diesem Instrument nur im Keller des Kieler Observatoriums gemessen.

Die bisher beschriebenen Torsionswaagen sind Einzelinstrumente. Auch sie konnten sich gegenüber den Askania-Schneiden-Waagen nicht durchsetzen. Diese Situation änderte sich jedoch mit der Konstruktion der Torsionswaagen von Fanselau und von Fritz Haalck.

Es erscheint interessant festzustellen, dass Fanselau vermerkt, dass bei seinem Dienstantritt am Observatorium in Potsdam im Jahre 1927 sich Adolf Schmidt mit dem Gedanken trug, eine Vertikalwaage zu bauen. Fanselau hatte diese Idee aufgegriffen, und nach jahrelangen Vorarbeiten entwickelte er eine neue Vertikal-Fadenwaage, die er 1948 beschreibt (Fanselau, 1948). Sein Instrument arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die Fadenwaagen von Watson und Angenheister. In Abweichung von diesen Konstruktionen verwendet er jedoch nicht einen runden Draht zur Aufhängung des Magneten, sondern ein dünnes Band. Der Vorteil des Bandes ist ein zweifacher: Einmal ist die Torsionskraft des Bandes der eines Fadens von gleicher Tragfähigkeit gegenüber merklich kleiner, ein Faktor, der zur Erhöhung der Empfindlichkeit führt; ausserdem lässt sich ein Band sicherer klemmen, wodurch die rein mechanische Stabilität des Gerätes erhöht wird. Das Magnetsystem besteht aus einem Doppellamellenmagneten, ähnlich der Askania-Schneidenwaage nach Schmidt. Die Länge der Lamellen ist hier jedoch nur 6 cm. Am Magnetsystem ist einseitig eine Aluminiumspindel zur Temperaturkompensation befestigt. Das eine Ende des Aufhängebandes ist fest, das andere ist drehbar eingespannt. Mit Hilfe der Torsion kann der Messbereich erweitert werden. Eine Torsion von 1 Grad kompensiert eine Änderung der Vertikalkomponente von 600 y- Die Messgenauigkeit bei dem 1948 beschriebenen Gerät lag nach Angabe von Fanselau bei ñ 2 g.

Bei diesem ersten Gerät von Fanselau, das ähnlich wie die Schneidenwaage von Adolf Schmidt arbeitet, ist auch eine genaue Ausrichtung der magnetischen Achse des Instruments senkrecht zum magnetischen Meridian notwendig.

Nach Plänen von Fanselau wurde dieses Gerät weiterentwickelt, wobei an Stelle des Lamellenmagneten ein Rundmagnet von 5 cm Länge gesetzt wurde. Schliesslich wurde es vom VEB Geophysikalischer Gerätebau Brieselang in Serie angefertigt. Dieses Gerät, das sich bei zahlreichen geomagnetischen Vermessungsarbeiten bewährt hatte, wurde auch als kombinierte magnetische Feldwaage gebaut, wobei Horizontal- und Vertikalintensität mit ein und demselben Gerät gemessen werden können. Dazu ist eine Vorrichtung eingebaut, die es erlaubt, die Waage um 90 Grad um die Längsrichtung des Bandes zu kippen. Neu bei dieser Version ist, dass nach der Nullmethode abgelesen wird: Die Neigung des Magneten wird durch Torsion des Bandes kompensiert, wobei der Verdrehungswinkel ein Mass für die Feldstärke ist. Eine genaue Ausrichtung senkrecht zum magnetischen Meridian ist nicht mehr notwendig.

In einer dazu parallel laufenden Entwicklung hatte F. Haalck, jüngerer Bruder von H. Haalck, bei der Firma Askania ein "Universal-Torsionsmagnetometer zur Bestimmung von D, H und Z" konstruiert (Haalck, 1953). Im Gegensatz zu Fanselau hatte Haalck einen Weg eingeschlagen, der schon von Watson (1901) vorgeschlagen worden war: Verwendung eines Magnetsystems mit möglichst kleiner Masse. Der Grund dafür ist folgender: Bei Aufhängung des Magneten an zwei horizontal gespannten Fäden ist die Zugbelastung schon bei relativ kleiner Masse des Magnetsystems gross. Deshalb ist es für die Betriebssicherheit des Gerätes vorteilhaft, die Masse des Magnetsystems so klein wie möglich zu halten. Das ganze Magnetsystem wiegt zusammen mit Spiegel und Justiereinrichtung weniger als 1 g (verglichen mit etwa 100 g bei der Askania-Schneidenwaage). Zur Aufhängung wurden runde Drähte verwendet (Durchmesser etwa 50 g). Die Messung wird nach der Nullmethode durchgeführt, indem eine Auslenkung des Magneten aus der Horizontalen durch Torsion ausgeglichen wird. Damit entfällt ein genaues Einnorden des Instruments, was den Messvorgang beträchtlich verkürzt. Der Torsionswinkel ist das Mass für die Feldstärke am Messort; d.h. der Torsionsfaden füngiert als Messnormale. Dieses Gerät von Haalck besass noch keine Temperaturkompensation. Die Messung von Z und H mit demselben Gerät ist möglich durch Drehung um 90 Grad um die Längsrichtung des Fadens, ähnlich wie bei der Universalwaage nach Fanselau.

Die Entwicklung der Torsions-Fadenwaage wurde von Haalck weiterverfolgt, und als Ergebnis brachten die Askania-Werke einige Jahre später das "Torsions-Magnetometer Gfz" auf den Markt (Haalck, 1956). Dieses Gerät war zur Messung ausschliesslich der Vertikal-Komponente konstruiert worden. Das Prinzip ist jedoch das gleiche wie bei dem vorhergehenden Universal-Torsionsmagnetometer: Es wird ein möglichst leichtes Magnetsystem verwendet (Gewicht etwa 100 mg) und nach der Nullmethode gemessen (der Magnet wird durch Torsion in die Horizontale gebracht, wobei der Verdrehungswinkel das Mass für die Feldstärke darstellt). Dieses Gerät besitzt eine Temperatur-Kompensation (Werner, 1953), was dadurch erreicht wird, dass der Aufhängefaden aus zwei Stücken unterschiedlichen Materials zusammengesetzt ist. Durch geeignete Verdrehung der beiden Enden des Fadens kann dann eine Temperaturkompensation erreicht werden.

Diese Geräte von F. Haalck sind keine Waagen mehr im eigentlichen Sinn, da wegen des geringen Gewichts und der Kleinheit der Magnete das mechanische Drehmoment, bedingt durch das Angreifen der Schwerkraft, sehr klein ist gegenüber dem magnetischen Drehmoment und der Torsion des Fadens.

Das Torsionsmagnetometer Gfz hatte bald nach seinem Erscheinen weite Verbreitung gefunden und die Schneidenwaage nach Schmidt weitgehend abgelöst. Der Grund dafür ist die relative Unempfindlichkeit des Gerätes gegenüber mechanischen Beanspruchungen, geringes Gewicht (das ganze Gerät einschliesslich Stativ wiegt etwa 3 kg), leichte Handhabung und vor allem die kürzere Messzeit. Aufstellen und Ablesen dauert weniger als eine Minute, eine Zeitspanne, die dreissigmal kürzer ist verglichen mit dem ersten brauchbaren Feldgerät von Adolf Schmidt (Hahn, 1958).

Abschliessend kann man die Frage stellen, wieso denn die Torsionswaage nicht früher zu einem brauchbaren Feldgerät entwickelt worden war; warum wurde zuerst die vergleichsweise delikate und schwieriger zu handhabende Schneidenwaage auf den Markt gebracht? An Versuchen, Torsions-Feldwaagen zu entwickeln, hat es offensichtlich nicht gefehlt. Der entscheidende Hintergrund, sie als Feldgerät einsetzen zu können, scheint die zeitliche Inkonstanz der früher zur Verfügung stehenden Aufhängungsfäden gewesen zu sein.

Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. G. Angenheister, der in grosszügiger Weise Quellenmaterial zur Verfügung stellte und durch wertvolle Diskussionen sehr zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat. Weiterhin bin iah Herrn Dr. J. Fohl sehr zu Dank verpflichtet für sein stetes Interesse an der Arbeit und für kritische Durchsicht des Manuskripts. Den Herren Prof. Dr. O. Förtsch, Dr. A. Korschunow, Dipl. Geophys. Chr. Sahweitzer, Prof. Dr. B. Soffet und Dr. K. Wienert danke ich für wertvolle Hinweise. Frl. S. Obenaus danke ich für ihre Hilfe beim Schreiben und kritischen Durchsehen des Manuskripts.

Literatur (geordnet nach Kapiteln)
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