Magnetismus – der unsichtbare Feind der präzisen Gewichtsbestimmung
Magnetismus und Elektrizität sind als Naturphänome seit der Antike bekannt. Im Jahr 1820 entdeckte der dänische Physiker Hans Christian Oersted, dass eine Kompassnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen Drahts abgelenkt wird. Er schloss daraus, dass ein stromführender Leiter von einem magnetischen Feld umgeben ist, das die Kompassnadel stört. Dieser Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus ist heute Gegenstand einer komplexen physikalischen Lehre, die in den Maxwell-Gleichungen zusammengefasst ist.
Mit der Industrialisierung nahm auch die Nutzung von Magnetismus und magnetischen Materialien zu, insbesondere durch die Entwicklung des Elektromotors. Ein Leben ohne den Einsatz magnetischer Effekte und Materialien ist heute kaum noch vorstellbar. So werden digitale Daten auf magnetischen Medien wie Computerfestplatten gespeichert, und Elektromotoren stellen eine immer lohnenswertere Alternative zum Verbrennungsmotor dar. Bei der Gewichtsbestimmung sind magnetische Einflüsse jedoch nicht gern gesehen.
Wie wirken sich magnetische Kräfte auf die Gewichtsbestimmung aus?
Trotz des positiven Nutzens von Magnetismus, ist das Phänomen bei der Gewichtsbestimmung eher hinderlich. Magnetische Materialien oder magnetisierbare Taragefäße und Proben können beim Abwiegen das Ergebnis verfälschen und die Reproduzierbarkeit beeinträchtigen. So sind beim Abwiegen von eisen-, stahl-, kobalt- oder nickelhaltigen Proben oder Behältern folgende Effekte zu beobachten:
- Der Gewichtswert ist zwar stabil, jedoch nicht reproduzierbar.
- Je nach Position der Probe auf der Waagschale werden unterschiedliche Werte angezeigt.
Für diese Effekte kann es zwei Gründe geben:
- Ist das zu wiegende Material magnetisiert (wie der Rührstab eines Magnetrührers), wird die Gewichtskraft der Probe von der Anziehungskraft ihres Magnetfelds auf die magnetisierbaren Teile von Wägeraum oder Wägezelle überlagert.
- Ist die Wägezelle nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation konstruiert, wird in diesem System ein starker Magnet eingesetzt. Trotz sorgfältiger Abschirmung ist die Waage von einem geringen magnetischen Restfeld umgeben, das bei Wechselwirkung mit Probe oder Behälter das Messergebnis beeinflussen kann.
Die magnetischen Kräfte und ihr Einfluss auf das Messergebnis richten sich stark nach der Ausrichtung der Probe im Störfeld. Die magnetische Krafteinwirkung bleibt über die Zeit stabil und wird oft nur nach wiederholten Messungen erkannt, da sich das Ergebnis meist nur bei veränderter Position und Ausrichtung der Probe in der Waagschale unterscheidet. Der Faktor sorgt daher für eine latente Verfälschung der Messergebnisse.
Was lässt sich gegen eine magnetische Beeinflussung der Messergebnisse tun?
Eine einfache und effektive Lösung gegen eine magnetische Beeinflussung der Messwerte ist eine Vergrößerung des Abstands zwischen Material und Wägezelle. Da sich die magnetische Kraft umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zum zu wiegenden Material verhält, zeigt dies eine gute Wirkung. Oft reicht dazu bereits ein zusätzliches Stück Glas, Holz, nichtmagnetisches Metall oder Kunststoff zwischen Probe und Wägezelle aus.
Wo dies aufgrund von sperrigem Material nicht möglich ist, bietet das Unterflurwägeprinzip eine geeignete Alternative. In diesem Fall wird der Abstand zwischen Material und Waagschale dadurch erhöht, dass das Material mit Hilfe einer speziellen Unterwägeeinrichtung unter der Waagschale platziert wird.
Wo ein größerer Abstand aufgrund der räumlichen Gegebenheiten nicht möglich ist, kann ebenfalls eine Abschirmung aus weichmagnetischem Material eingesetzt werden, um das Problem zu beheben. Entsprechende Abschirmungen bestehen aus hochpermeablen Nickel-Eisen-Legierungen (bekannt unter dem Namen Mu-Metall) und sind unter anderem als Folien, Platten oder Röhren erhältlich. Bei magnetischen Proben oder Gefäßen können die genannten Lösungen hilfreich sein, die beste Option ist jedoch immer eine speziell auf magnetische Problemstellungen ausgerichtete Waage. Die modularen Cubis™ II Premium-Waagen für Laboranwendungen verfügen beispielsweise bei allen hochauflösenden Modellen inklusive Analysewaagen über Waagschalen aus nichtmagnetischem Titan. Cubis™ II Mikro- und Ultra-Mikrowaagen besitzen zudem eine Waagschale und einen Windschutzboden aus Titan zur Reduzierung der destabilisierenden magnetischen Einflüsse bei Proben oder Taragefäßen mit Eisen-, Kobalt- oder Nickelanteil.
Ist die Ausrichtung des Probenhalters relevant?
Ein weiteres Problem ergibt sich bei Verwendung eines speziellen Probenhalters aus Edelstahl, wie er bei bestimmten Kundenanwendungen wie dem Abwiegen von Reaktionsfläschchen, Reaktionsgefäßen und Filtern zum Einsatz kommt. Wird der Probenhalter gedreht, zum Beispiel um kleine Pulvermengen besser dosieren zu können, ändert sich auch die Ausrichtung des Magnetfeldes, was das Messergebnis beeinflussen kann. Dieser Effekt kann auch auftreten, wenn die runde Edelstahl-Schale einer Mikro- oder Ultra-Mikrowaage leicht bewegt wird.
Bei Teilen aus Titan besteht diese Gefahr jedoch nicht. Wie bereits erwähnt, bestehen alle Probenhalter der Cubis™ II Reihe aus hochwertigstem Titan und bieten damit optimale Messleistung und zuverlässige Ergebnisse bei hoher Korrosionsbeständigkeit.
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