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Verfahren zum Aufsuchen wertvoller Bodeneinlagerungen auf elektromagnetischem
Wege durch Zuführung elektrischer Wechselströme Bei der Untersuchung des Untergrundes
mittels elektrischer Wechselströme zum Aufsuchen wirtschaftlich wertvoller Bodenschätze
oder überhaupt zur Aufklärung der geologischen bzw. tektonischen Struktur des Untergrundes
macht es sich sehr störend bemeri: bar, daß die Stromverteilung im Boden zeitlich
nicht einheitlich und gleichbleibend ist. sondern daß sich der Strom an jedem Punkte
aus mehreren gegeneinander in Richtüng und Phase verschobenen Komponenten zusammensetzt.
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Leitet man zwischen zwei irgendwie gestaite.. ten Elektroden oder
Elektrodensvstemen Gleichstrom durch den Untergrund, so erhält man im Boden ein.
zeitlich konstantes, einheitliches Spannungsfeld, das sich durch eine einfach unendliche
Schar von Äquipotentialflächen, die sich nirgendwo gegenseitig schneiden können,
charakterisiert.
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Das von dem Strom erzeugte Magnetfeld kompliziert sich dadurch, das
sich dem nur durch die Stromverteilung im Untergrund bestimmten (Integral-) Feld
noch das durch den in der Zuleitung vom Generator zu den Feldelektroden fließenden
Strom erzeugte Feld überlagert, dessen räumliche Struktur von der geometrischen
Form dieser Zuleitung abhängig ist. Bei Gleichstromfeldern besitzt aber dieses magnetische
Feld der Bodenströme keine praktische Bedeutung, da es infolge seiner geringen Stärke
hinter dem erdmagnetischen Feld, das ebenfalls vorzugsweise stationär ist, zurücksteht
und von diesem daher überdeckt wird.
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Sobald man aber Wechselstrom im Untergrund erzeugt, werden die Verhältnisse
sehr viel komplizierter. Weder der Stromvektor im Boden noch auch der magnetische
Vektor sind dann zeitlich konstant, sondern beide variieren an jedem Punkt in Richtung,
Stärke tmd Phase, und zwar in der Weise, daß bei einwelligen WechscIStrömeri der
Stromvektor und der magnetische Vektor je in einer ebenen Ellipse in jeder Periode
einmal umlaufen. Entsprechend den Vorgängen bei der Erregung der Bodenströme kann
man sich den Stromvektor bzw. den magnetischen Vektor aus= folgenden einzelnen Komponenten
entstanden denken, welche indessen im allgemeinen aus dem - allein meßbaren - resultierenden
Vektor nicht wieder rückwärts einzeln abgeleitet werden können. Die nachfolgende
Darstellung soll vielmehr nur. dazu dienen, die elementaren Vorgänge bei der Entstehung
räumlicher Stromsysteme im Untergrund zu beleuchten.
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Der Strom im Untergrund setzt sich aus folgenden Einzelstromsystemen
zusammen: i. Der Wechselstrom wird von einem Wechselstromgenerator mit sinusförmiger
Spannungskurve (einwellig) erzeugt und über isolierte Leitungen zu Feldelektroden
(-systemen "geführt, über welche er in den Boden
eintritt. Der so
durch »galvanische Kopplung< dem Boden zugeführte Wechselstrom ist mit der Generatorspannung
nahezu in Phase und. besitzt eine quellenhafte Verteilung sowie ein Potential. Seine
räumliche Verteilung ist indessen gegen die Verteiltuig eines Gleichstromes zwischen
den bleichen Feldelektroden verschieden infolge der Selbstinduktion, welche die
Stromlinien verschiebt. Seine Verteilung für sich allein ist darstellbar durch die
Schar der zu den Stromlinien orthogonalen Flächen, den Äqiüpotentialflächen, die
sich gegenseitig nirgends schneiden.
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a. Von dem in den Zuleitungen vom Generator zu den Feldelektroden
fließenden Wechselstrom wird im Untergrund ein Wirhelstromfeld induktiv erregt.
Diese Wirbelströme sind gegen die galvanisch hervorgebrachten Ströme nach i. in,
ihrer Phase um etwa 9o° verschoben. Sie bilden ein quellenfreies @V'ixbelfeld. Sie
besitzen kein Potential. Ihre Stromlinien sind in sich geschlossen. Innerhalb kleiner
Bereiche dieses Feldes kann man zwar auch stets Punkte finden, zwischen denen kein
Strom fließt, wenn sie miteinander durch einen leitenden Draht verbunden werden,
durch dessen Windungsfläche keine Bodenströme hindurchtreten (also etwa mittels
der Sondenmethode an der Erdoberfläche oder in Hohlräumen im Erdinnern). Diese Punkte
liegen auf Flächen (bzw. Linien), die man daher in einem gewissen übertragenen Sinne
auch als Äquipotentialflächen (bzw. -linien) bezeichnen könnte. Dkse Flächen. bilden
aber Flächenbündel mit gemeinsamen Schnittkurven.
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3. Eine dritte Art von Strömen wird im Boden durch die influenzierende
Wirkung der auf den Zuleitungen vom Generator zu den Feldelektroden fließenden Ladungen
erregt, also durch kapazitive Kopplung mit dem Boden. Dieses Stromsystem eilt in
seiner Phase gegen die Ströme nach i. um etwa go° und gegen die Ströme nach a. um
etwa i8o° vor. Die Verteilung dieses Stromsystems ist wiederum quellenhaft. Um etwa
go° gegen die Ströme nach i. voreilende Stromkomponenten können auch auftreten,
wenn innerhalb gewisser Bereiche des Untergrundes die Leitfähigkeit sehr gering
ist, so daß. in diesen Bereichen Verschiebungsströme und an den Grenzen dieser Bereiche
wahre elektrische Ladungen auftreten. Die Stromlinien der voreilenden Komponenten
der Bodenströme entspringen bzw.,endigen an den von .den Ladungen der Zuleitungen
zu den Feldelektroden auf den benachbarten Bodenteilen influenzierten Ladungen oder
an den oben bezeichneten wahren Ladungen an den Oberflächen von im Erdinnern eingelagerten
schlecht leitenden Dielektrika, in denen sie in Verschiebungsströmen ihre Ergänzung
finden.
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Diese dritte, kapazitiv erregte Komponente der Bodenströme ist der
Frequenz des benutzten Wechselstromes proportional und bei den normalerweise zu
Erdforschungszwecken benutzten Frequenzen, und falls man nicht be-
sondere
Vorkehrurg,en trifft, um die Kapazität der an die stromerzeugende Maschine angeschlossenen
Fernleitung gegen Erde künstlich besonders hoch zu machen, nur schwach. Dagegen
kann sie in Gebieten mit besonders schlecht leitenden, ausgedehnten, aber dünnen
(plattenförmigen) Einlagerungen auch bei den üblichen Frequenzen beträchtliche Werte
annehmen.
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An jedem Punkt des Strömungsfeldes setzt sich also der Stromvektor
im Boden aus drei Komponenten zusammen, welche nach Richtung, Stärke und Phasenzustand
verschieden sind. Durch Zusammenwirken dieser Komponenten ergibt sich, da sie, als
von derselben sinusförmigen Wechselspannung erregt, alle gleiche Frequenz besitzen,
an jedem Punkt des Strömungsfeldes im Untergrund eine ebene Stromvektorellipse,
wie sie beispielsweise in Abb. i als Kurve A B A B dargestellt ist. Lage,
Form und Phasenverteilung auf dem Umfang dieser Stromvektorzllipsen bestimmen den
zeitlichen Verlauf der Strömung im Beobachtungspunkt vollständig und eindeutig.
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Das magnetische Feld an einem beliebigen Messungspunkt setzt sich
zunächst aus dem Integral der von allen Stromelementen im Boden herrührenden Elementarstromvektoren
zusammen, die also einen Integralvektor hervorbringen. Ferner kommt zu ihm noch
hinzu die direkte magnetische Wirkung derjenigen Stromelemente, welche in den Zuleitungen
vom Generator zu den Feldelektroden (bzw. bei induktiver Zuführung der elektromagnetischen
Energie zum Untergrund in der Sendeschleife) fließen. Aber da ja alle diese Stromelemente
einen sinusförmigen Stromvon der Frequenz der Generatorspannung führen, so muß,
auch jetzt wieder an jedem Punkt des Raumes der magnetische Vektor auf einer ebenen
Ellipse. umlaufen, wie sie heispielsweise in Abb. i als Kurve A B A B dargestellt
ist. Lage, Form und Phasenverteilung auf dem Umfang dieser Bahnellipse des magnetischen
Feldvektors bestimmen den zeitlichen Verlauf des magnetischen -Feldes im Beobachtungspunkt
vollständig und eindeutig.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zum Aufsuchen wertvoller
Bodeneinlagerungen auf elektromab etischem Wege durch Zuführung elektrischer Wechselströme,
bei welchem die erzeugten, gegeneinander und gegen eine Normalphase, vorzugsweise
_ die
Phase der Erregerspannung, phasenverschobenen Komponenten
der Bodenströme, welche zusammen die resultierende ebene Stromvektorellipse ergeben.
bzw. die entsprechenden Komponenten des magnetischen Feldvektors. welche die ebene
Schwingungsellipse des magnetischen Feldvektors ergeben, an den Beobachtungspunkten
einzeln nach Richtung und Größe in Abhängigkeit von dem Betrage 1ihrer Phasendifferenz
gegeneinander und gegen die Normalphase ausgemessen und bezüglichihrer räumlichen
Verteilung untersucht werden, so daß die Lage und Form der Stromv ektorellipsen
bzw. die entsprechenden Bestimmungsstücke der magnetischen Feldvektorellipsen und
die Phasenverteilung auf ihnen ermittelt werden können.
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Die verschiedenen, durch ihre Phasenverschiebung gekennzeichneten
Komponenten -der Bodenströmung können dann auch je einzeln zur Feststellung der
räumlichen Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit im Untergrund verwertet werden.
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Die Zerlegung einer Strömung, welche durch Lage, Form und Phasenverteilung
auf ihrer Strömungsellipse gegeben ist, in einzelne Komponenten ist an sich auf
mehrfach unendlich viele Arten möglich.
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Es möge im folgenden weiterhin im allgemeinen - ohne den Umfang der
Erfindung darauf zu beschränken - von den Strömungsellipsen allein gesprochen werden,
indem für die Schwingungsellipsen der magnetischen Feldvektoren genau die gleichen
Regeln gelten.
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Zu jedem Durchmesser der Strömungsellipse, in dem eine lineare Komponente
der Bodenströmung schwingt, gehört, bei vorgegebener Phasendifferenz zwischen den
beiden Komponenten, eine in Richtung eines anderen Durchmessers der Ellipse schwingende
lineare Komponente, welche mit ersterer zusammenwirkend gerade wiederum die vorgegebene
Schwingungsellipse ergibt. In dem speziellen Fall, daß die Phasenverschiebung zwischen
diesen beiden linearen Komponenten cgo° beträgt, bilden je zwei so einander zugeordnete
Ellipsendurchmesser konjugierte Durchmesser der Schwingungsellipse. So sind z. B.
der größte und kleinste Durchmesser der Schwingungsellipse konjugierte Durchmesser,
und infolgedessen besitzen die beiden ihnen parallel schwingenden Vektorkomponenten
eine Phasenverschiebung von 9o° gegeneinander.
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In dem einfachen Fall, daß man den Bodenstrom als nur durch den galvanischen
Potentialstrom und den induktiven Wirbelstrom, der um etwa 9o° gegen ersteren verschoben
sein sollte, zusammengesetzt auffassen kann, bilden diese beiden Komponenten konjugierte
Durchmesser der Vektorellipsen. Welches Paar konjugierter Durchmesser in Betracht
kommt, kann nur ein Vergleich der Phasenverteilung auf dem Ellipse:numfang mit der
Normalphase, z. B. der Spannung des Generators der Bodenströme zeigen.
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Bevor aber diese Frage weiterbehandelt werden kann, soll erst .einschaltend
gesagt werden, wie man die Form und Lage der Vektorellipse bestimmen kann.
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Es seien in Abb. r die Durchmesser A-A und B-B die zwei erzeugenden
Komponenten. Der resultierende Vektor beschreibt alsdann die Ellipse A B A B.
Die Kurve C C C C (die Amplitudenlemniskate) umfaßt dann die Gesamtheit der
Endpunkte eines ebenfalls um O, den Ellipsenmittelpunkt, rotierenden Vektors, dessen
Richtung gleich der Richtung der Verbindungslinie der beiden zur Untersuchung des
Strömungsfeldes im Untergrund benutzten, stets in gleichem Abstand voneinander gehaltenen
Sonden ist und dessen Länge proportional der senkrechten Projektion der Ellipse
auf diese Richtung ist. Die Länge dieses Vektors ist also proportional der Spannungsamplitude
zwischen den beiden Sonden. Ebenso ist dieser Vektor proportional der (effektiven
oder maximalen) Stromamplitude in der Verbindungsleitung der beiden Sonden, wenn
man den Gesamtwiderstand des Sondenkreises stets konstant erhält und wenn man evtl.
die induktive Beeinflussung der Sondenleitung durch das Magnetfeld der Bodenströme
mittels einer ihr flächengleichen, entgegengesetzt geschalteten Induktionsspuke
unschädlich macht.
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Hat man auf diese Weise Form und Lage der Amplitudenlemniskate C'C
C C gefunden, so erhält man daraus sogleich die Schwingungsellipse des Stromvektors,
indem der größte und kleinste Durchmesser der Amplitudenlemniskate nach Größe und
Richtung mit dem größten und kleinsten Durchmesser der Schwingungsellipse übereinstimmen.
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Für die Bestimmung der Schwingungsellipse des magnetischen Vektors
aus der zugehörigen Amplitudenlemniskate in der Ebene der Schwingungsellipse des
magnetä.-schen Vektors gelten genau die entsprechenden Beziehungen.
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Die beiden gesuchten linearen Stromkomponenten, von denen die eine
mit der Generatorspannung in Phase und die andere gegen letztere um 9o° verschoben
ist, schwingen also jedenfalls parallel zueinander konjugierten Durchmessern der
Schwingungsellipse. Solcher konjugierter Durchmesser gibt es aber noch unendlich
viele, und eine Auswahl ist nur möglich durch Vergleich des Phasenzustandes auf
dem Umfang der Schwingungsellipse
am Beobachtungsort mit dem Phasenzustand
der Generatorspannung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung soll diese Auswahl, diese Kennzeichnung
des Phasenzustandes, auf dem Umfang der Schwingungsellipse durch Vergleich dieses
Phasenzustandes mit demjenigen der Generatorspannung oder einer gegen letztere um
einen bekannten Phasenwinkel verschobenen Normalphase erfolgen.
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Zu diesem Zweck kann man am Beobachtungsort einen der Generatorspannung
gleichphasigen oder um einen bestimmten Phasenwinkel gegen die Generatorspannung.
verschobenen Wechselstrom herstellten, mit dem man den zu messenden Strom nach Phase
und Größe ermittelt. Das kann man z. B. durch Heranführen einer verdrillten isolierten
Doppelleitung vom Generator zum Meßpunkt oder auf mannigfaltige Weise auch. auf
drahtlosem Wege erreichen. Man koppelt dann diese der Generatorspannung -phasengleiche-
oder um einen konstanten gemessenen Phasenwinkel. gegen sie verschobene Spannung
über ein einstellbares Phasenvariometer - d. h. über eine an sich bekannte Schaltung
zur willkürlich einstellbaren Phasenverschiebung - auf die Sonden- (bzw. Rahmen-)
Leitung und stellt, je nachdem welchen Durchmesser der Schwingungsellipse man zu
bestimmen wünscht, Birne Phasenverschiebung von o° oder 9o° gegen die Phase der
Generatorspannung ein. Dann reguliert man den Kopplungsgrad (die Amplitude der überlagerten
Schwingung bei konstanter Phasenverschiebung) so lange, bis man bei Schwenken der
Sondenleitung um die eine Sonde im Sondenkreis ein völliges Verschwinden des Stromes
(z. B. des Tones im eingeschalteten Telephon) erhält.
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Die dabei gefundene Richtung der Sondenleitung gibt je nach der eingestellten-Phasendifferenz
die Stromrichtung bzw. die dazu senkrechte Richtung der Äquipoten;'tiallinien der
um o° bzw. 9o° gegen die Erregerspannung verschobenen Strömungskomponenten, also
bei obiger Annahme einfacher Verhältnisse der galvanisch bzw. induktiv im Boden
:erzeugten Ströme.
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Bei Messungen mit dem Induktionsrahmen erhält man in genau entsprechender
Weise bei Schwenken des Induktionsrahmens um eine zur Ebene der Schwingungsellipse
des magnetischen Feldvektors senkrechte, in seiner Windungsebene gelegenen Achse
die Richtung des magnetischen Feldes der um o° bzw. 9o° gegen die Erregerspannung
verschobenen Feldkomponenten.
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Bei Benutzung -des oben gekennzeichneten Kompensations- - (Überlagerungs-)
--Verfahrens mittels isolierter Doppelleitung erhält man natürlich gleichzeitig
auch noch aus der Einstellung der Kopplung das Verhältnis der Größe der betreffenden
Vektorkomponenten zu der Größe des in der Doppelleitung fließenden, während der
Messungen leicht dem Sendestrom proportional zu haltenden Hilfsstromes.
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Aber auch bei jeder anderen am Phasenvariometer .etwa eingestellten
Phasenv erschiebüng erhält man eine Richtung der Sondenverbindungslinie (bzw. eine
Einstellung des Induktionsrahmens), in welcher vollständige Kompensation, also völliges
Verschwindendes Stromes (Tones im Telephon) auftritt. Jeder der so festgestellten
Richtungen von Durchmessern der Schwingungsellipse ist eine ganz bestimmte Phasenverschiebung
gegen die Erregerspannung zugeordnet.
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Kennt man die Form und. Lage der Schwingungsellipse und dein zu irgendeiner.
Phasenverschiebung a gehörigen Durchmesser derselben, so ist aus rein geometrischen
Gründen die Phasenverteilung längs des ganzen Ellipsenumfanges zugleich bekannt
und demnach auch festgelegt, welcher Durchmesser zu jeder vorgegebenen Phasenverschiebung
gehört. Diese Charakterisierung der Phasenverteilung auf dem Umfang der Schwingungsellipse
durch Anschluß eines ihrer Durchmesser an die Normalphase bildet demnach eine der
Grundlagen der vorliegenden Erfindung.
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Abb. z zeigt nun beispielsweise eine Schaltung, welche man- zum Vergleich
des Phasenzustandes einer durch die Richtung der Sondenleeitung oder in genau entsprechender
Weise durch die räumliche Lage der Induktionsrahmenebene bestimmten Komponenten
der *Bodenströmung bzw. des magnetischen Feldes der Bodenströme verwenden kann.
In Abb, ä bedeuten r die Festsonde (die Abbildung ist beispielsweise der Sandenmethode
angepaßt), 2 die bewegliche Sonde und 3 eine evtl. eingeschaltete Kompensationsspulte
für die induzierende Wirkung des magnetischen Feldes der- Bodenströme und der Sendeanlage
auf die Sondenschleife, deren. erforderliche Windungsfläche man an einem Ort bestimmt,
wo dieses magnetische Feld ganz besonders- stark ist, also in unmittelbarer Nähe
der Elektrodenzuleitungen bzw. der Sendeanlage. Da die induktive Wirkung auf die
Sendeschleife praktisch.. nur klein isst, indem man in der Nähe der Elektrodenzuleitun.
gen bzw. der Sendeschleife bei induktiver Stromzuführung zum Boden nicht zu messen
pflegt, so. genügt eine genäherte Bestimmung der unter der betreffenden geologischen
Oberflächenbeschaffenheit und bei dem gewählten Normalabstand der Sonden im Meßgehiet
jeweils- im Mittel günstigen.-Größe. ,der -Windungsfläche
dieser
Kompensationsspule. Ferner bedeuten q. einen Verstärker und 5 einen Gleichrichter
für die verstärkten Sondenströme, die mittels des Galvanometers 6 quantitativ gemessen
werden. Da es sich um eine Nullmethode handelt, können 5 und 6 oft zweckmäßig durch
ein gutes Telephon ersetzt werden. 7 ist eine Koppelspule, welche beispielsweise
zur übertragung der Schwingungen vom Phase@nvariometer auf den Sondenkreis benutzt
sei. 8 ist die entsprechende Kopplungsspule am Phasenvariometer. 9 bedeutet den
Generator, der das Erdfeld speist und der zur überlagerung durch eine Fernleitung
oder auf drahtlosem Wege in der Spule io phasengleiche bzw. um einen bekannten konstanten
Winkel gegen die Generatorspa,nnung verschobene Ströme erzeugt. Die Spule i i dient
zur Kopplung, die hier auch wieder beispielsweise induktiv gewählt ist, des beispielsweise
aus den einstellbaren Selbstinduktionen 12, Widerständen 13 und Kondensatoren 14
bestehenden Phasenvariometers an die Spule i o.
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Außer dieser einfachen, beispielsweisse dargestellten Schaltung kann
man aber auch natürlich alle anderen bekannten Schaltungen und Vorrichtungen verwenden,
welche dazu dienen können, den Phasenzustand des Stromes (bzw. der Spannung) im
Sondenkreise (bzw. im Induktionsrahmen) mit der Normalphase zu vergleichen. So kann
man z. B. auch in der Nähe des Beobachtungsortes einen kleinen Wechselstromgenerator
(z. B. einen kleinen Röhrengenerator) anordnen, dessen Frequenz und Phase von dem
das Strömungsfeld im Boden speisenden Generator drahtlos oder auf eine andere Weise
synchron gesteuert wird. Man gibt damit allerdings den Vorteil der früheren Schaltung
auf, der darin besteht, daß sie gleichzeitig mixt der Phase der auszumessenden Strömungs-
und Feldvektoren auch ihre Größe durch Kompensation mitergeben.
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Führt man dem Boden die Wechselstromenergie nur induktiv zu, so hat
man den besonderen Vorteil, daß die der Erregerspannung gleichphasige, galvanisch
erzeugte Komponente der Bodenströme ausfällt, so daß die Verteilung der Bodenströme
nach Richtung und Phase einfacher wird.
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Erhebliche Vorteile bietet es auch, wenn man die oben gekennzeichnete
Ausmessung der Strömungs- bzw. Magnetfeldellipse mit je für sich rein sinusförmigen
Wechselströmen von verschiedener Frequenz durchführt, um den Einfluß der Frequenz
auf die Ausbildung der verschiedenen Komponenten der Bodenströmung am Beobachtungsort
studieren zu können.