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Kompass
In seiner einfachsten Form besteht ein (Magnet-)Kompass aus einer frei beweglichen Nadel, die aus einem magnetischen Material besteht. Der magnetische Nordpol …
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Grundprinzip und Bauarten
Ein Kompass ist ein Instrument zur Anzeige der Richtung des Erdmagnetfelds. Damit lässt sich die Richtung zum magnetischen Nord- und Südpol bestimmen; daraus werden die übrigen Himmelsrichtungen abgeleitet. Beim einfachen Magnetkompass richtet sich eine frei bewegliche Nadel aus magnetischem Material entlang der Feldlinien aus. Der magnetische Nordpol der Nadel zeigt dabei zum magnetischen Südpol der Erde, der nahe beim geografischen Nordpol in der Arktis liegt.
Klassische mechanische Kompasse besitzen einen drehbar gelagerten Zeiger aus ferromagnetischem Material. Die Lagerung soll möglichst reibungsarm sein und verwendet beispielsweise abriebfeste Edelsteine wie Rubin oder Saphir. Eine Winkelskala am Gehäuse oder, bei Schiffskompassen, eine auf der Nadel befestigte Kompassrose ermöglicht das Ablesen. Flüssigkeit in der Kompasskapsel dämpft Schwingungen und erleichtert dadurch das Ablesen. Verwendet werden oft leichtes Öl oder ein Lösungsmittel, das die Nadel nicht rosten lässt und bei tiefen Temperaturen nicht stockt.
Elektronische Magnetkompasse erfassen das Erdmagnetfeld mit Hall-Sensoren oder anderen Sensoren. Zusätzliche Bauteile können die Lage des Detektors zur Erdoberfläche bestimmen; alternativ ist eine kardanische Aufhängung möglich. Die Elektronik kann störende Magnetfelder der Umgebung, die sogenannte Deviation oder Ablenkung, kompensieren und außerdem die Deklination, also die Missweisung, einberechnen. Ein Fluxgate-Magnetometer kann Betrag und Richtung des Erdmagnetfeldes auf 1/100.000 seines Absolutwerts genau bestimmen. Elektronische Kompasse benötigen jedoch Strom und sind deshalb für manche sicherheitsrelevanten Anwendungen nicht allein geeignet. Sie werden häufig in Smartphones und GNSS-Handgeräten eingebaut, existieren aber auch als eigenständige Geräte.
Kreiselkompasse nutzen nicht das Erdmagnetfeld, sondern die Erdrotation. Sie beziehen die Richtung auf die geografische Nord-Süd-Richtung. Freie Kreisel ohne Richtungsbezug, etwa ein Kurskreisel, müssen regelmäßig nachgestellt werden. Sonnenkompasse arbeiten ebenfalls ohne Erdmagnetfeld. Ein Kompass mit Peilvorrichtung heißt Bussole; in der Vermessungstechnik bezeichnet das meist einen Präzisions-Peilkompass.
Entwicklung des Magnetkompasses
Dass Magneteisenstein-Splitter sich in Nord-Süd-Richtung drehen, war in Europa seit der griechischen Antike und in China seit der Zeit der Streitenden Reiche zwischen 475 v. Chr. und 221 v. Chr. bekannt.
Seriöse Untersuchungen von J. Klaproth und L. de Saussure führen zu dem Ergebnis, dass chinesische Navigatoren den nassen Kompass bereits um die Jahrtausendwende kannten. Seit dem 11. Jahrhundert n. Chr. verwendeten sie eine schwimmende, magnetisierte Nadel, den sogenannten Südweiser. Auf chinesischen Kompassen war Süden als Hauptrichtung markiert. Daraus entwickelten sich Einteilungen in 24, 32, 48 oder 64 Striche beziehungsweise Himmelsrichtungen. Shen Kuo (1031–1095 n. Chr.) empfahl Ende des 11. Jahrhunderts einen Kompass mit 24 Richtungen; kurz nach seinem Tod waren solche Kompasse in Gebrauch.
Seefahrer des östlichen Mittelmeers übernahmen den nassen Kompass spätestens zur Zeit der Kreuzzüge und verbesserten ihn. In Europa beschrieb Alexander Neckam 1187 eine magnetisierte schwimmende Nadel, die unter Seeleuten verwendet wurde. Auch Hugues de Bercy erwähnte sie um 1190, möglicherweise bereits vor 1187. Im arabischen Raum ist der nasse Kompass etwa einhundert Jahre nach Neckams Erwähnung nachweisbar. Eine 1932 von Edmund Oskar von Lippmann vertretene Theorie einer unabhängigen europäischen Erfindung zur Begründung einer angeblichen Überlegenheit der „nordischen Rasse“ gilt als falsch und wird teilweise dennoch vertreten.
Die erste schriftliche Erwähnung einer trocken auf einem Stift spielenden Magnetnadel steht im Epistola de magnete von 1269, verfasst von Petrus Peregrinus de Maricourt. Der trockene Kompass war genauer als die schwimmende Nadel. Im späten 13. Jahrhundert kombinierten Mittelmeer-Seefahrer die Magnetnadel mit der Windrose. Auf deutschen beziehungsweise mittelalterlich hansischen Schiffen wurde der Kompass erst im 15. Jahrhundert verwendet. Nach China gelangte der trockene Kompass etwa um 1600 über Japan, das ihn von Spaniern und Portugiesen übernommen hatte.
Um 1400 wurden trockene Kompassnadel und Windrose in ein festes Gehäuse eingebaut. Leonardo da Vinci schlug eine kardanische Aufhängung vor, die Bewegungen des Schiffs ausgleicht. Ab 1534 wurde diese Idee verwirklicht und setzte sich im 16. Jahrhundert in Europa durch.
Anfang des 15. Jahrhunderts wurde erkannt, dass die Kompassnadel örtlich verschieden westlich oder östlich vom geografischen Nordpol abweicht. Georg von Peuerbach war der erste, der darüber schrieb; der älteste erhaltene Kompass mit eingezeichneter Missweisung stammt von ihm. James Cook führte genaue Messungen durch und schuf die Grundlage für eine Weltkarte der Missweisung. Um 1542 war die Agone, eine Linie ohne Missweisung, bekannt. Henry Gellibrand stellte fest, dass sich die Missweisung mit der Zeit verändert. Robert Norman entdeckte die Inklination, als er beobachtete, dass sich eine ausbalancierte magnetisierte Nadel neigte, und veröffentlichte dazu seine Abhandlung Newe Attractive.
Himmelsrichtungen, Skalen und Spezialbauweisen
Kompassrosen werden in gleich große Kreissektoren geteilt. Eine Gradeinteilung umfasst 360, eine Einteilung in Gon (Neugrad) 400 und eine Einteilung in Strich beziehungsweise Mil 6400 Teilbereiche. Bei Mil werden meist nur die Hunderter eingezeichnet; diese Werte werden als Marschzahlen verwendet. Die ältere Einteilung in nautische Strich ist heute selten.
Beim mechanischen Schiffskompass trägt eine schwimmende Kreisscheibe die Gradteilung. Der Kessel ist kardanisch aufgehängt, damit die Rose trotz Stampfen und Rollen des Schiffs waagerecht bleibt. Neuere Kugelkompasse besitzen eine innere Kardanik. Abgelesen wird an einem festen Steuerstrich. Bei Landkompassen sitzt die Kompassrose am Gehäuse, während sich nur die Nadel scheinbar dreht; tatsächlich dreht sich in beiden Fällen das Gehäuse, während Nadel beziehungsweise Rose an den magnetischen Feldlinien ausgerichtet bleiben.
Im Militärbereich gibt es Armbandkompasse. Der Adrianowkompass wurde 1907 vom Militärvermesser Wladimir Adrianow entwickelt und war bereits in der zaristischen Armee verbreitet. Entsprechende Kompasse wurden auch von der Roten Armee und der Sowjetarmee getragen. Ein sowjetischer Handgelenkkompass konnte gegenläufige Skalen für 6000 Strich und 360° besitzen.
Zu den weiteren Formen gehören Bézard-Kompass, Hängekompass, Pinnkompass, Sitometer, Erdinduktorkompass sowie der Bussolentheodolit als Kombination von Kompass und Theodolit. Für Vermessung und Geologie gibt es unter anderem Landvermesser- und Geologenkompasse mit Neigungsmesser; der Geologenkompass nach Prof. Clar wird auch Stratumkompass genannt.
Deklination, Deviation und Inklination
Die magnetischen Pole liegen nicht an den geografischen Polen. Die Verbindungslinie der magnetischen Pole ist gegenüber der Erdachse um etwa 11,5° geneigt; deshalb sind die magnetischen Pole derzeit etwa 2000 km von den geografischen Polen entfernt. Weil der Erdmagnetismus durch veränderliche Strömungen im metallischen Erdkern entsteht, verändern die Pole ihre Lage. Zusätzlich können örtliche geologische Bedingungen, etwa eisenhaltiges Gestein, die Feldlinien beeinflussen. Die dadurch an jedem Ort unterschiedliche Abweichung der Kompassnadel von der geografischen Nordrichtung heißt Deklination oder Missweisung. Beim Kreiselkompass entfällt diese Korrektur.
Deviation bezeichnet dagegen Ablenkungen durch Magnetfelder in der Nähe des Kompasses. Ursachen sind magnetische oder magnetisierbare Gegenstände und Geräte sowie fließender Wechsel- oder Gleichstrom. Das ist besonders bei Fahrzeugen und Schiffen problematisch. Mechanische Kompasse werden durch Magnete im oder am Gehäuse und durch Stellschrauben kompensiert. Dazu wird ein Fahrzeug nacheinander in verschiedene Himmelsrichtungen gebracht und die Anzeige korrigiert. Nach Werftaufenthalten, voller Stahlladung oder langer Lagerung in derselben Richtung muss die Kompensation wiederholt werden. Restfehler sollten unter 5° liegen und werden in einer Deviationstabelle verzeichnet. Mit ihr wird die Korrektur für bestimmte Kartenkurse, bei Schiffen beispielsweise alle 10°, abgelesen. Bei elektronischen Kompassen erfolgt der Fehlerausgleich über eine Kalibrationsroutine, während das Fahrzeug langsam gedreht wird.
Die Inklination ist der Winkel zwischen den Tangenten an die magnetischen Feldlinien und der horizontalen Tangentialebene der Erdoberfläche. In Mitteleuropa beträgt sie etwa 66,5°. Das Erdmagnetfeld besitzt eine senkrechte und eine waagrechte Komponente; die Vertikalkomponente ist dort rund doppelt so groß wie die Horizontalkomponente. Für die Nordrichtung ist nur die horizontale Komponente wichtig. Mechanische Kompasse müssen jedoch so ausbalanciert sein, dass sich die Nadel nicht durch die Inklination neigt. Einfache Kompasse werden beispielsweise durch einen Reiter an der Südhälfte der Nadel angepasst. Solche Modelle sind auf der Südhalbkugel nicht verwendbar, wenn die Nadel dort das Gehäuse berührt. Hersteller bieten daher Zonenmodelle mit unterschiedlichen Nadelschwerpunkten an; höherwertige Modelle besitzen spezielle Aufhängungen für weltweiten Einsatz. Kardanisch aufgehängte Nadeln, insbesondere in Kugelkompassen, benötigen diese Kompensation nicht.
Navigation mit Kompass und Karte
Für die Landnavigation wird meist ein Platten- oder Kartenkompass verwendet. Sein Gehäuse liegt in einer durchsichtigen Acrylglasplatte. Dadurch lassen sich die Nord-Süd-Linien des Kompasses leicht am Gitternetz einer topografischen Karte ausrichten; ein Einnorden der Karte ist nicht notwendig.
Ein Marsch- oder Wanderkompass besitzt eine Peilvorrichtung, etwa Kimme und Korn, sowie häufig einen schräg einstellbaren Spiegel. Mit dem Spiegel kann gleichzeitig die Kompassnadel beobachtet werden. Eine drehbare Skala wird so eingestellt, dass ihre Nordmarkierung mit der Nadel übereinstimmt.
Für eine Peilung visiert man eine Landmarke wie Baum, Turm oder Berggipfel an und stellt die Skala auf die Nadel ein. Anschließend lässt sich die Himmelsrichtung der Landmarke ablesen. Umgekehrt kann man anhand einer Karte oder einer vorgegebenen Marschzahl die gewünschte Richtung auf der Skala einstellen. Dann dreht man sich mit dem am ausgestreckten Arm gehaltenen Kompass, bis Nadel und eingestellte Richtung übereinstimmen. Die Peilvorrichtung zeigt nun die Bewegungsrichtung; sichtbare Geländepunkte können als Zwischenziele dienen.
GNSS-Systeme wie GPS oder GLONASS haben die Karte-Kompass-Navigation im Freizeit- und Tourismusbereich weitgehend verdrängt. Profis nutzen den Magnetkompass jedoch weiterhin, und auf längeren Wildnistouren dient er wegen seiner Unabhängigkeit von Energie als Notfallausrüstung. Die Navigation mit Karte und Kompass bleibt eine empfohlene Basisfähigkeit, weil topografische Karten einen größeren Überblick und eine hohe Informationsdichte bieten und Satellitentechnik nicht immer zuverlässig ist.
Ein rein satellitengestütztes Gerät kann im Stand keine Richtung bestimmen; es zeigt nur während der Bewegung die Bewegungsrichtung an. Positionsmessfehler können dabei ständig wechselnde Richtungen vortäuschen. Software kann Stillstand erkennen oder ein elektronischer Kompass, etwa ein Fluxgate-Kompass, ergänzt werden. In Schifffahrt und Luftfahrt liefert der Kompass nach Korrektur der Kompassfehler die Vorausrichtung beziehungsweise den Steuerkurs. GNSS liefert dagegen den rechtweisenden Kurs über Grund. Wegen Abdrift oder Strömung können beide Werte voneinander abweichen; ein Navigator nutzt sie zur Bestimmung des nötigen Vorhaltewinkels.
Sonderfälle: Bergbau, Unterwasser und Luftfahrt
Im Bergbau verwendeten Markscheider den Kompass als Vermessungsinstrument. In der norditalienischen Bergstadt Massa sind Kompasse zur Bestimmung der Vortriebsrichtung und zur Vermeidung von Durchschlägen zwischen Grubenbetrieben bereits für das 13. und 14. Jahrhundert belegt. Im Tiroler Bergbau war der Kompass in der zweiten Hälfte des 15. Jahrhunderts selbstverständlich. Das Bergbüchlein von Ulrich Rülein von Calw aus dem Jahr 1505 gilt als eine erste theoretische Abhandlung über den untertägigen Einsatz. Große, stärker magnetisierbare Massen, etwa Eisenerze, können das Erdmagnetfeld besonders an ihren Rändern verzerren.
Unter Wasser ist ein Kompass zusammen mit Zeit- und Geschwindigkeitsmessung oft die einzige Möglichkeit zur Richtungsbestimmung. Sonne und Sterne sind ab einer gewissen Tiefe nicht sichtbar, und Hochfrequenzsignale von Satellitennavigationssystemen werden vom Wasser stark absorbiert. Das Erdmagnetfeld durchdringt Wasser. Die Stahlhülle eines U-Boots macht einen Magnetkompass jedoch unbrauchbar; deshalb wird dort meist ein Kreiselkompass eingesetzt.
In der Luftfahrt zeigen mechanische Magnetkompasse bei Beschleunigungen und im Kurvenflug falsche Werte. Der Beschleunigungsfehler entsteht durch die Massenträgheit und die tiefere Lage des Schwerpunkts des drehbaren Teils. Bei Beschleunigungen quer zur Magnetisierung, also in Ost-West-Richtung, kann die vertikale Feldkomponente den Kompassmagneten kippen. Der Drehfehler tritt bei Kurven in Nord-Süd-Richtung durch die Schräglage des Kompasses auf. Auf der Nordhalbkugel ist eine Kurve auf nördlichen Kursen früher und auf südlichen Kursen später zu beenden, als die Anzeige nahelegt; auf der Südhalbkugel ist der Effekt entgegengesetzt. Beim Steig- oder Sinkflug treten solche Anzeigefehler nicht auf. Im Motorflug wird meist ein drehfehlerfreier Kurskreisel verwendet, weshalb der Fehler praktisch weniger wichtig ist. Für Segelflugzeuge existieren beschleunigungs- und drehfehlerfreie Bohli- und Schanz-Kompasse, die jedoch von Hand an die Querlage angepasst werden müssen und heute selten sind.
Die Bezeichnung „magnetischer Nordpol“ kann verwirren: Der magnetische Pol auf der Nordhalbkugel ist physikalisch ein magnetischer Südpol, weil er den Nordpol der Kompassnadel anzieht. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird die Richtung zu ihm dennoch „magnetisch Nord“ genannt. Zur Vermeidung der Ambivalenz werden auch „arktischer Magnetpol“ und „antarktischer Magnetpol“ verwendet.
