Welche Arten von Kompassen gibt es?

Ein Kompass ist ein Gerät, das dazu dient, die Himmelsrichtung anzuzeigen. Dazu zeigt er in Richtung Norden und/oder Süden. Die restlichen Himmelrichtungen können dann davon abgeleitet werden.

Es sind fünf Arten von Kompassen bekannt, die auf unterschiedliche Art die Himmelsrichtungen bestimmen:

  • mechanischer Magnetkompass
    • nasser Kompass
    • trockener Kompass
  • elektronischer Magnetkompass
  • Kreiselkompass
  • Sonnenkompass
  • GPS-basierter Kompass

Mechanischer Magnetkompass

Die einfachste Variante des Kompass ist der Magnetkompass. Die Erde wird von einem starken Magnetfeld durchdrungen und umgeben. Eine ferromagnetische Nadel, oder ein leichter Magnet wird drehend gelagert und richtet sich, aufgrund der entlang der Feldlinien im Erdmagnetfeld aus. Metalle mit ferromagnetischen Eigenschaften sind beispielsweise Eisen, Nickel und Cobalt. So wie jeder Magnet haben die ferromagnetischen Metalle auch einen Nord- und einen Südpol. Anhand dieser eigenen Polarisierung richten sie sich immer gleich entlang des Magnetfelds der Erde aus. Allerdings sind die wirkenden Kräfte sehr gering. Damit das Magnetfeld also auf die Nadel wirken kann, muss sie so gelagert werden, dass sie sich ohne hohe Reibung drehen kann. Der Kompass ist in ein nicht magnetisches Gehäuse eingelassen.

Nasser Kompass

Eine sehr einfache Variante, einen Kompass zu bauen, ist der nasse Kompass. Dazu wird ein kleiner Stab aus ferromagnetischem Material so präpariert, dass er auf einer Flüssigkeit schwimmt. Legt man einen Stabmagneten auf ein kleines Boot, dann wird er sich nach Nord-Süd ausrichten. Es reicht aus, eine Nadel zu magnetisieren, indem man ein paarmal mit einem Magneten darüber streicht. Anschließend kann man sie auf einem Stück Papier auf Wasser legen und abwarten. Beim nassen Kompass wird der Magnet also auf einer Flüssigkeit gelagert und kann sich dadurch frei drehen. Die ersten nassen Kompasse wurden bereits im antiken Griechenland und in China eingesetzt. Bei den chinesischen Kompasse zeigte die Kompassnadel allerdings nach Süden, statt nach Norden. Heute sind Kugelkompasse auf Schiffen und in Flugzeugen im Einsatz. Die kleinen schwarzen Kugeln unter der transparenten Kunststoffhülle sind auch für Autos, Fahrräder, oder sogar als Schlüsselanhänger erhältlich. Andere nasse Kompasse sind ähnlich aufgebaut, wie trockene Kompasse. Der Zeiger, oder die Scheibe ist aber in Dämpfungsflüssigkeit gelagert.

Trockener Kompass

Der trockene Kompass setzt auf eine reibungsarme Lagerung in einem nicht magnetischen Gehäuse. Eine Nadel, oder eine Scheibe wird auf einem Punkt gelagert und kann sich frei bewegen. Durch ein Sichtfenster an der Oberseite kann man die Himmelsrichtung ablesen. Um die Himmelsrichtungen abzulesen wird entweder unter der Nadel, bzw. auf dem Sichtglas, oder auf der drehenden Scheibe eine Windrose abgebildet. Hat sich die Nadel ausgerichtet dreht man den Kompass so, dass Norden und die nördliche Pfeilspitze übereinanderliegen. Die Nadel im Magneten wird bei hochwertigen Kompassen auf einer harten Edelsteinspitze gelagert, um die Reibung so gering, wie möglich zu halten.

Elektronischer Magnetkompass

Der elektronische Magnetkompass wird auch Magnetometer genannt. Er basiert auf einen Sensor, der auf den Hall-Effekt aufbaut. Ein solcher Hall-Sensor misst die Veränderung in einem elektrischen Fluss. Die Elektronen werden durch ein konstantes Magnetfeld abgelenkt. Dafür ist die Lorentzkraft verantwortlich. Unter Berücksichtung der Stromstärken und der Temperatur kann anhand der von Edwin Hall entwickelten Formel, die Ausrichtung des Magnetfelds bestimmt werden. Ähnlich funktioniert auch der Fluxgate-Sensor. Man spricht von einem Fluxgate-Magnetometer, oder MEMS. Auch hier wird ein Strom, bzw. die Ablenkung durch ein Magnetfeld gemessen. Dazu werden zwei Spulen, deren Spannung sich aufhebt, nebeneinander angeordnet. „Stört“ ein Magnetfeld die Aufhebung, dann kann man anhand der Spannung die Richtung des Magnetfelds bestimmen. Der Hall-Sensor, bzw. der Fluxgate-Sensor arbeitet also auf Basis des Erdmagnetfeldes, genauso wier der mechanische Magnetkompass. Anhand der Daten, die der Hall-Sensor liefert, kann die Elektronik die Himmelsrichtung ermitteln und auf einem Display ausgeben. Elektronische Magnetkompasse sind meist auch mit anderen Sensoren bestückt und Messen neben der Himmelsrichtung auch die Höhe, den Luftdruck und die Temperatur. Damit liefern elektronische Kompasse zahlreiche Daten zur Positionsbestimmung.

Kreiselkompass

Magnetkompasse, sowohl trockene, oder nasse mechanische, als auch elektronische Magnetkompasse orientieren sich am Erdmagnetfeld. Das bringt zwei grundlegende Probleme mit sich. Einerseits lässt sich das Erdmagnetfeld leicht beeinflussen. Elektonische Geräte, oder nur Eisenteile können die Feldlinien ablenken. Das zweite Problem ist die Tatsache, dass der magnetische Nordpol nicht mit dem astronomischen, bzw. geografischen Nordpol ident ist. Die Rotationsachse der Erde tritt an den beiden geografischen Polen aus. Um diese Achse rotiert die Erde. Der magnetische arktische Pol, den Magnetkompasse als Nordpol anzeigen, wandert jedes Jahr etwa 50 Kilometer. Auf einem Schiff, das überwiegend aus Metall besteht und das für die Navigation eine exakte Bestimmung der Himmelsrichtung braucht, bedeutet das, dass ein Magnetkompass, etwa ein Fluggate-Sensor möglichst hoch und damit weit entfernt vom Rumpf montiert werden muss. Außerdem muss die echte Himmelsrichtung errechnet werden. Je nach aktueller Position muss also das magnetische Norden um ein paar Grad angepasst werden. Um diese Probleme zu umgehen kommt auf Schiffen oft ein Kreisekompass zum Einsatz.

Wie funktioniert ein Kreiselkompass?

Der Kreiselkompass basiert auf die Erdrotation und dass Prinzip der Drehimpulserhaltung. Eine senkrechte Scheibe im Inneren des Kreisekompass rotiert. So wie ein Kreisel waagrecht stehen bleibt, wenn er rotiert, so ist auch die rotierende senkrechte Scheibe bestrebt, senkrecht zu stehen. Man kennt diesen Effekt vom Fahrrad-, oder Motorradfahren. Das Fahrrad bleibt aufrecht, solange die Räder sich drehen. Allerdings wirkt auf die Scheide nicht nur die Schwerkraft, sondern auch die Erdrotation. Mit etwa 1.600 Kilometern pro Stunde bewegt sich die Erde unter dem Kreiselkompass. Um das auszugleichen stellt sich die Scheibe leicht schräg. Außerdem verdreht sie sich auch die Ausrichtung der Achse. Der Drehimpuls, die Schwerkraft und die Erdrotation veranlassen den Kreise sich in Nord-Süd-Richtung auszurichten. Ein Elektromotor sorgt dafür, dass die Scheibe sich permanent dreht. Nachdem der Kreiselkompass in Gang gesetzt wurde, braucht er ein paar Stunden, um sich einzuschwingen. Danach zeigt er zuverlässig Norden und Süden an. Dabei richtet er sich nicht nach dem Magnetpol aus, sondern zeigt tatschlich den geografischen Nordpol an.

Sonnenkompass

Eine weitere Methode, um Himmelrichtungen zu bestimmen, ist der Lauf der Sonne. Die Sonne geht im Osten auf und um Westen unter. Je nach Breitengrad, auf dem man sich befindet steht sie höher, oder tiefer am Himmel. Die Rotationsachse der Erde steht schräg zur Erdbahn um die Sonne. Außerdem taumelt die Erde etwas. Die Neigung der Erdachse liegt bei etwas mehr als 20 Grad. Um Anhand des Laufs der Sonne die Himmelsrichtungen zu bestimmen, braucht man also mehrere Informationen. Konkret sind das:

  • Breitengrad, auf dem man sich befindet
  • Datum und damit Höhe der Sonne
  • Uhrzeit und damit Position der Sonne

Der Breitengrad ist unbedingt erforderlich. Kennt man eine der beiden anderen Größen, dann lässt sich anhand der beiden Informationen Norden ermitteln. Auch mit einer Sonnenuhr lässt sich anhand der tatsächlichen Uhrzeit Norden ermitteln. Mehr dazu, wie man anhand der Sonne die Himmelsrichtung bestimmt, lesen Sie unter Sonnenkompass.

GPS-basierter Kompass

GPS steht für Global Positioning System. Ein System von Satelliten umkreist die Erde. Jeder von ihnen sendet immer wieder zwei Informationen. Die exakte Uhrzeit und die exakte Position. Ein GPS-Empfänger empfängt diese Signale und weiß, wie weit er von der Position des Satelliten entfernt ist. Die Differenz der Uhrzeit und die Geschwindigkeit des Signals reichen für die Berechnung aus. Empfängt man das Signal eines Satelliten, dann weiß man, dass man sich irgendwo auf der Oberfläche einer gedachten Kugel um den Satelliten befindet. Empfängt man Daten eines zweiten Satelliten, dann weiß man, dass man sich an der Schnittfläche der beiden Kugeln, also entlang eines Kreises befindet. Kommt ein dritter Satellit dazu, dann gibt es nur noch einen einzigen Punkt, an dem sich alle drei Kugeln überschneiden. Damit kennt man sein Position. Allerdings kennt man damit noch nicht die Himmelsrichtung. Ein GPS-basierter Kompass funktioniert also nicht. Zumindest nicht, wenn er nur einen einzigen Messpunkt hat. Man weiß wo man sich befindet, aber nicht, in welche Richtung man blickt. Um die Himmelsrichtung zu bestimmen braucht man zumindest zwei Messpunkte.

Himmelsrichtung mit GPS bestimmen

Um die Himmelsrichtung mittels GPS zu bestimmen, gibt es also zwei Möglichkeiten. Einerseits kann man den Empfänger ein paar Meter bewegen und anhand der beiden Positionen die Richtung ermitteln. Andererseits kann man zwei GPS-Sensoren in ein Gerät einbauen. Zusammen mit verschiedenen anderen Sensoren, die dem GPS Kompass die Lage im Raum mitteilen, kann er Position und seine Ausrichtung ermitteln. Ein GPS-basierter Kompass ist also teuer und technisch aufwändig. Er kommt auf Schnellbooten zum Einsatz und ermöglicht eine exakte Navigation, ohne störender Einflüsse durch Metall, oder Elektronik an Bord.