Die Untersuchungen der täglichen Veränderungen des Erdmagnetfeldes durch Coulomb und Cassini
Nachbau eines Deklinationskompasses, Nachvollzug und physikalische Diskussion der Messungen
- Art: Staatsexamensarbeit
- Autor: Daniel Osewold
- Abgabedatum: Januar 2002
- Umfang: 138 Seiten
- Dateigröße: 3,7 MB
- Note: 1,0
- Institution / Hochschule: Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg Deutschland
- ISBN (eBook): 978-3-8324-9731-6
-
ISBN (Paperback) :
978-3-8324-9731-6 P - ISBN (CD) :978-3-8324-9731-6 CD
- Sprache: Deutsch
- Prämierung:
- Arbeit zitieren: Osewold, Daniel Januar 2002: Die Untersuchungen der täglichen Veränderungen des Erdmagnetfeldes durch Coulomb und Cassini, Hamburg: Diplomica Verlag
- Schlagworte: Magnet, Apparatur, Messgerät, Replikation, Physik
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Staatsexamensarbeit von Daniel Osewold
Problemstellung:
In der vorliegenden Examensarbeit befasse ich mich mit den Untersuchungen von Coulomb und Cassini zur täglichen Veränderung des Erdmagnetfelds. Hierzu habe ich einen Deklinationskompass nachgebaut und mit diesem die Messungen aus dem Jahr 1782 nachvollzogen.
Diese „boussole“ beschreibt Coulomb in „Description d'une boussole, dont l'aiguille est suspendue par un fil de soie“ (Coulomb (1788). Diese Arbeit stellt die Grundlage für den Nachbau dar. Wie aus dem Wort „boussole“ bereits ersichtlich, handelt es sich hierbei um die Veränderung der Deklination. Unter der Deklination wird im Allgemeinen die Missweisung des Kompass von der geographischen Nord-Süd-Richtung verstanden. Das erdmagnetische Feld ist ein Vektorfeld mit drei Komponenten X (nach Norden), Y (nach Osten) und Z (nach unten).
Aus den aufgenommenen Intensitäten der jeweiligen Richtungen werden heute die Totalintensität und die Horizontalintensität bestimmt. Aus diesen Größen lässt sich auch die Deklination berechnen. Bei der vorliegenden Examensarbeit wird die Deklination hingegen direkt durch Ablesen der „boussole“ an mehreren verschiedenen Zeitpunkten bestimmt, beziehungsweise aufgenommen.
Die dieser Examensarbeit zugrunde liegenden Originalmessungen entstanden im Frühjahr 1782. Zu dieser Zeit herrschte in Frankreich eine politische Aufbruchstimmung, die in der französischen Revolution 1789 gipfelte. Auf diese politischen Ereignisse kann ich im Rahmen der Examensarbeit nicht näher eingehen, da dies den Rahmen einer Examensarbeit sprengen würde.
Im Folgenden werden zunächst die Hauptdarsteller der Originalmessungen aus dem Jahre 1782 - Coulomb und Cassini - vorgestellt. Anschließend wird ein kurzer Einblick in die Geschichte des Magnetismus und des Erdmagnetismus gegeben. In diesem Abschnitt habe ich den Schwerpunkt auf die Darstellung von Arbeiten gesetzt, die Coulomb beeinflusst haben könnten.
Hieran schließt sich ein theoretischer Teil. In einem ersten Abschnitt dieses theoretischen Teils wird die Theorie vorgestellt, auf die Coulomb sich in „Description d'une boussole, dont l'aiguille est suspendue par un fil de soie“ bezieht, und in einem zweiten Abschnitt wird eine aktuelle Theorie beschrieben. Diese aktuelle Theorie beinhaltet die Theorie der Magnetostatik, sowie eine Darstellung über die Entstehung des Erdmagnetfelds.
Im Anschluss daran widme ich mich der Replikation von Cassinis Messungen mit der boussole nach Coulomb. Den Schluss dieser Examensarbeit bildet ein persönliches Fazit. Zu Beginn eines jeden Kapitels habe ich eine kurze Einführung gegeben, damit der Leser einen Einblick von dem darauffolgenden bekommt.
Inhaltsverzeichnis:
| I. | EINLEITUNG | 4 |
| II. | DIE PROTAGONISTEN | 6 |
| II.1 | Die Biografien der Protagonisten | 6 |
| II.1.1 | Charles Augustin Coulomb | 6 |
| II.1.2 | Jean-Dominique Cassini de Thury | 11 |
| II.2 | Zusammenarbeit der beiden Protagonisten | 17 |
| II.2.1 | Wie kam es zu dieser Zusammenarbeit? | 18 |
| II.2.2 | Die Zusammenarbeit | 19 |
| II.2.3 | Das Verhältnis der beiden Protagonisten zueinander | 21 |
| III. | EINE GESCHICHTE DES MAGNETISMUS UND DES ERDMAGNETISMUS | 23 |
| III.1 | Geschichte des Magnetismus und des Erdmagnetismus vor C. A. Coulomb | 23 |
| III.1.1 | Im klassischen Altertum | 23 |
| III.1.2 | Von 500 bis 1500 n. Chr. | 25 |
| III.1.3 | Nach Kolumbus Entdeckung | 28 |
| III.1.4 | Aepinus, Musschenbroek und Nollet | 31 |
| III.2 | Geschichte des Magnetismus und des Erdmagnetismus nach C. A. Coulomb | 33 |
| III.2.1 | Mit Oersted in eine neue Dimension | 33 |
| IV. | DER THEORETISCHE TEIL | 36 |
| IV.1 | Theorie - Coulomb | 37 |
| IV.1.1 | Die Theorie des Magnetismus nach C. A. Coulomb | 37 |
| IV.1.1.1 | Grundlegende Definitionen und Prinzipien | 37 |
| IV.1.1.2 | Formalien, die die wirkenden Kräfte auf die Magnetnadel in der horizontalen Ebene beschreiben | 38 |
| IV.1.1.3 | Das Coulombsche Gesetz für Magnetpole | 46 |
| IV.1.2 | Coulomb und der Erdmagnetismus | 46 |
| IV.2 | Theorie - aktuell | 47 |
| IV.2.1 | Eine allgemeine Theorie der Magnetostatik | 47 |
| IV.2.1.1 | Beobachtungen und Grunderscheinungen | 47 |
| IV.2.1.2 | Grundlegendes Denkmodell und Definitionen | 48 |
| IV.2.1.3 | Folgerungen | 50 |
| IV.2.1.4 | Maßeinheiten | 52 |
| IV.2.2 | Die Elektrodynamik | 53 |
| IV.2.2.1 | Die Maxwell'schen Gleichungen | 53 |
| IV.2.3 | Das Erdmagnetfeld | 55 |
| IV.2.3.1 | Der „Aufbau“ der Erde | 55 |
| IV.2.3.2 | Die Quellen des Erdmagnetfelds | 55 |
| IV.2.3.3 | Die tagesperiodischen Variationen des Erdmagnetfelds | 58 |
| V. | REPLIKATIONSMETHODE | 61 |
| V.1 | Die Apparatur | 62 |
| V.1.1 | Die Entscheidung | 62 |
| V.1.1.1 | Evolution eines Messgeräts | 62 |
| V.1.1.2 | Begründung für den Nachbau der boussole der dritten Generation | 68 |
| V.1.2 | Das Original | 71 |
| V.1.2.1 | Das Messgerät | 71 |
| V.1.2.2 | Apparative Ergänzungen | 74 |
| V.1.3 | Der Nachbau | 74 |
| V.1.3.1 | Das Messgerät | 74 |
| V.1.3.2 | Apparative Ergänzungen | 80 |
| V.2 | Die Messungen | 83 |
| V.2.1 | Cassinis Messungen aus dem Jahre 1782 | 83 |
| V.2.1.1 | Vorbemerkung | 83 |
| V.2.1.2 | Messreihe vom 18. März 1782 bis zum 3. April 1782 und vom 30. April bis zum 11. Mai 1782 | 84 |
| V.2.1.3 | Messreihe vom 15. Mai 1782 bis zum 26. Mai 1782 | 85 |
| V.2.1.4 | Weitere Messreihen aus dem Jahre 1782 | 86 |
| V.2.2 | Nachvollzug von Cassinis Messungen | 87 |
| V.2.2.1 | Vorarbeiten | 87 |
| V.2.2.2 | Ort der Messungen und erste Erfahrungen | 89 |
| V.2.2.3 | Das Messverfahren | 91 |
| V.2.2.4 | Messungen in Meppen/Rühle | 92 |
| V.2.2.5 | Messungen mit elektrostatischen Ladungen | 98 |
| V.2.2.6 | Messungen im Laborbetrieb | 99 |
| V.2.3 | Erklärung, Vergleich der Messungen und der Versuch einer physikalischen Diskussion der Beobachtungen | 101 |
| V.2.4 | Fehlerbetrachtung | 105 |
| V.2.4.1 | Systematische Fehler | 105 |
| V.2.4.2 | Zufällige Fehler | 108 |
| V.3 | Resümee | 109 |
| V.3.1 | Fazit | 109 |
| V.3.2 | Reflexion | 111 |
| VI. | FAZIT | 116 |
| VII. | ABBILDUNGSVERZEICHNIS | 118 |
| VIII. | LITERATURVERZEICHNIS | 120 |
| IX. | ANHANG | 126 |
| IX.1 | Messreihe vom 26. Oktober 2001 bis zum 31. Oktober 2001 | 126 |
| IX.1.1 | Messungen am 28. Oktober 2001 | 127 |
| IX.1.2 | Messungen am 29. Oktober 2001 | 128 |
| IX.1.3 | Messungen am 30. Oktober 2001 | 129 |
| IX.1.4 | Messungen am 31. Oktober 2001 | 130 |
| IX.2 | Messreihe vom 9. November 2001 bis zum 12. November 2001 | 131 |
| IX.2.1 | Messungen am 9. November 2001 | 132 |
| IX.2.2 | Messungen am 10. November 2001 | 133 |
| IX.2.3 | Messungen am 12. November 2001 | 134 |
| IX.3 | Erklärungen | 135 |
Der Windschutz wurde in zwei Teilen konstruiert, damit man ihn einfach „... rétablir, la démonter & remonter,...“ (Coulomb (1788), S. 564) konnte. Ein Teil war der untere Kasten, ein ’Karton’, der die Magnetnadel vor Windeinflüssen schützen sollte und der andere Teil war ein ’Schornstein’, der die Aufhängung schützte. Der ’Karton’ war an der einen Seite offen, damit man ihn über die Magnetnadel schieben konnte. An der anderen Seite hatte er im Deckel eine Glasplatte, damit die Magnetnadel beobachtet werden konnte. Er hatte insgesamt eine Länge von 22 pouce [59,554 cm], eine Breite von 5,5 pouce [14,8885 cm] und eine Höhe von 4 pouce [10,828 cm]. Der zweite Teil, der ’Schornstein’, hatte eine quadratische Grundfläche die eine Seitenlänge von 3,5 pouce [9,4745 cm] besaß. Die Höhe war 18-20 pouce [48,726–54,14 cm]. Er wurde auf dem ’Karton’ mit Hilfe von vier Schrauben befestigt. V.1.2.2.b Der Tisch [...]
Zur Beobachtung der Veränderungen der Magnetnadel beschreibt Coulomb nun ein Mikroskop mit einem Messtisch, mit dem das Silberplättchen am Ende der Magnetnadel beobachten werden sollte. Der Messtisch wird in Abbildung U1, Fig. 1 durch lmnpq dargestellt. Durch lp wird die ’Sohle’ des Messtischs und durch lm und pn werden die Seitenteile beschrieben. mn ist das chassis. In der chassis sei der curseur s, in dessen Mitte das Mikroskop gehalten wird. Die eben beschriebenen Teile des Messtischs sind alle aus Kupfer. Das chassis ist im Detail in der Fig. 4 zu erkennen (Abbildung U1). Die Seite ab des chassis wurde auf jeder Seite von der Nullstellung ausgehend in acht gleich große Teile geteilt. Die ersten zwei bis drei Einteilungen waren Gradeinteilungen, da „... l’arc, le sinus & la tangente se confondent dans les premiers degrés.“ (Coulomb (1788), S. 562). Zusätzlich wurde jeder dieser Grade in vier Teile zerlegt, die jeweils 15‘ entsprachen. Der curseur war ebenfalls eingeteilt. Die Seiten sind 0d und 0q jeweils 3,5° Grad lang und in 15 Teile unterteilt, so dass ein Nonius entsteht, mit dem minutengenau gemessen werden konnte. Der curseur wurde in der chassis mit Hilfe einer Schraube eg in Rillen auf den Innenseiten der chassis bewegt. Um nun das Silberplättchen an der Magnetnadel, wie eingangs erwähnt, beobachten zu können, beschreibt Coulomb ein Mikroskop. Dieses Mikroskop rt (in Abbildung U1, Fig. 1) hatte zwei Linsen und im Brennpunkt ein Fadenkreuz aus zwei Seidenfäden „très-fins“ (Coulomb (1788), S. 563). Der Brennpunkt des Mikroskops hatte einen Abstand von 12 pouce [32,484 cm] zur Aufhängung. [...]
lassen sich dann Fäden von den Kokons abziehen. Für die Aufhängung benötigte man mehrere Seidenfäden im Bündel, da die Kraft des einzelnen Fadens sehr variiert. Coulomb war zu der Zeit bekannt, dass ein Seidenfaden eine Masse von bis zu 80 grain [4,248 g] tragen konnte, allgemein ging man jedoch damals davon aus, dass jeder Seidenfaden lediglich eine Masse von ca. 50 grain [2,655 g] im Bündel halten könnte. Dementsprechend braucht man mehrere Fäden. Diese Bündel konnten mit kochendem Wasser zu einem Faden zusammengefügt werden. Coulomb erwähnt eine weitere Möglichkeit des Zusammenfügens, nämlich mit einem „eau gommé“ (Coulomb (1788), S. 563). Diese Vorgehensweise hätte den Nachteil gehabt, dass der Seidenfaden härter und damit möglicherweise starrer werden würde als bei der ersten Methode. V.1.2.1.e Der Messtisch und das Mikroskop [...]
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Link zur Arbeit:
http://www.diplom.de/ean/9783832497316
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Osewold, Daniel Januar 2002: Die Untersuchungen der täglichen Veränderungen des Erdmagnetfeldes durch Coulomb und Cassini, Hamburg: Diplomica Verlag
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Magnet, Apparatur, Messgerät, Replikation, Physik



