Stromstärken mit dem Handy messen
Mit dem Magnetfeldsensor im Smartphone und einer App kann man elektrische Stromstärken messen.
Der Magnetfeldsensor im Smartphone ist in der Regel in drei Achsen ausgeführt und sensibel genug, um das Erdmagnetfeld für Navigationszwecke ausreichend genau zu ermitteln. Dieses beträgt in Mitteleuropa etwa 20 µT in der horizontalen und 44 µT in der vertikalen Richtung. Diese Sensoren sind daher vor allem für Größen im Bereich unter 50 µT ausgelegt. Sie können aber je nach Smartphone sogar Feldstärken bis deutlich über 1000 µT erfassen. Statt des naheliegenden Hall-Effekts wird dafür meist das quantenmechanische Phänomen des Riesenmagnetowiderstands (GMR-Effekt) genutzt, bei dem Änderungen des magnetischen Feldes in einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Sensorelements resultieren.
Der Magnetfeldsensor kann neben der magnetischen Flussdichte auch Gleichstromstärken messen, was indirekt über die magnetische Wirkung von Gleichströmen erfolgt. Hierfür kann man beispielsweise eine Spule wickeln und über dem Magnetfeldsensor platzieren. Damit wird über das gemessene Magnetfeld auf die Stromstärke in der Spule geschlossen.
Um die Praktikabilität und Reproduzierbarkeit im Experiment zu erhöhen, kann man eine einfache Halterung aus dem 3D-Drucker verwenden. Die Spule und das Kabel werden damit an den Smartphones fixiert, was die Positionierung erleichtert (Abbildung 1). Ein Spulenclip aus dem 3D-Drucker ist mit einfachen Komponenten herstellbar: Kupferlackdraht (Durchmesser beispielsweise 0,75 mm), Stab zum Wickeln der Spule mit etwa 12 mm Durchmesser (Tipp: Stativstange) sowie Kabelbinder und Laborkabel oder Abgreifklemmen. Die Druckdateien und eine Schritt-Für-Schritt-Anleitung für den Clip sowie alternativ eine Bezugsmöglichkeit für fertige Clips finden Sie hier.
Der Clip wird auf das Smartphone gesteckt und die Spule über dem Magnetfeldsensor platziert. Mit geeigneten Apps wie Phyphox kann nun das Magnetfeld senkrecht zum Display bestimmt werden und aus seiner Größe auf die Stromstärke in der Spule oder die Permeabilitätszahl des Kernmaterials geschlossen werden. Markierungen auf dem Clip erleichtern die erneute Positionierung beispielsweise nach einer Änderung des Aufbaus.
Mit Phyphox können unter anderem die Rohdaten des Magnetfeldsensors ausgelesen werden. Die App erlaubt es aber auch, eigene Experimente zu erstellen, in denen die Daten der Sensoren nach eigenen Wünschen umgerechnet und dargestellt werden.
Wie man dieses Handymessgerät kalibriert und für Messungen nutzen kann, erfahren Sie in dem Artikel, der in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen ist. Sie finden ihn hier bis zum 8.5.2020 zum freien Download (anschließend nur mit Online-Abo).
Christoph Holz, Alexander Pusch, Uni Münster, Thomas Wilhelm, Uni Frankfurt, Jochen Kuhn, TU Kaiserslautern
