Общие сведения о магнитных компасах. Уравнения Пуассона

Гл. 1. МАГНИТНЫЕ КОМПАСЫ

Магнитное поле земли

Некоторые планеты Солнечной системы имеют собственное магнитное поле, у других оно весьма незначительно или полностью отсутствует. Земля относится к планетам со сравнительно сильным магнитным полем. Оно представляет прекрасную защиту от космического излучения. Именно благодаря магнитному полю на Землю не падает такое количество космических частиц, как на другие планеты, например, на Меркурий.

Происхождение магнитного поля было и все еще остается для нас загадочным. Известно, что магнитное поле возникает там, где протекает электрический ток. А поскольку имеются доказательства о существовании металлического ядра, можно и магнитное поле связать с процессами, протекающими в этом ядре. Кроме того, оно обусловлено причинами космического происхождения и тесным образом связано с солнечной деятельностью.

Связь между магнитным полем и геологическими процессами, так же, как и воздействие магнитного поля на живые организмы, до сих пор еще не достаточно объяснены.

Магнитное поле наблюдается на поверхности Земли, в окружающем земной шар пространстве, под водой и в недрах Земли.

Магнитное поле Земли неоднородно и внезапно изменяется во времени. Так, изучение магнитных свойств горных пород позволило ученым сделать вывод: в течение последних 200 миллионов лет (что представляет собой незначительный отрезок истории Земли) магнитное поле многократно внезапно полностью менялось: Северный и Южный полюса просто менялись местами. Магнитное поле Земли используется и для практических целей — от навигационных компасов до поисков месторождений минерального сырья.

Рассмотрим элементы земного магнетизма. В каждой точке пространства магнитное поле Земли характеризуется вектором напряж

енности Т, величина и направление которого в прямоугольной системе координат определяются тремя составляющими X ; Y ; Z (северной, восточной и вертикальной) или тремя элементами земного магнетизма (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Это:

— горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Н;

— магнитное склонение D — угол в горизонтальной плоскости между плоскостью географического меридиана и горизонтальной составляющей Н (т.е. плоскостью геомагнитного меридиана);

— магнитное наклонение I — угол в вертикальной плоскости между вектором напряженности T и плоскостьюгоризонта.

Кроме горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли H рассматривают также и вертикальную Z т.е. проекцию вектора T на местную вертикаль.

Связь между элементами земного магнетизма характеризуется формулами:

H = T cosI; Z = T sinI; Z / H = tgI. (1.1)

Очевидно, магнитное склонение D может изменяться в пределах + 180^о, а магнитное наклонение I может изменяться в пределах + 90^о.

Магнитное поле земли обусловлено действием как постоянных внутренних источников. Вызывающих медленные его изменения, так и внешних (переменных), расположенных в магнитосфере и ионосфере Земли, вызывающих быстрые, преходящие изменения. Кроме того, существуют магнитные аномалии, т.е. местные отклонения действительного распределения магнитного поля от нормального.

Наглядное представление о пространственном распределении основного геомагнитного поля дают магнитные карты. На этих картах наносят изолинии т.е. линии соединяющие точки равных значений того или иного элемента земного магнетизма. Изолинии для H и Z называют изодинамами; для D — изогонами; для I — изоклинами.

Изоклина равная 0, т.е. магнитный экватор не совпадает с географическим экватором. С увеличением широты I увеличивается до 90⁰ в магнитных

полюсах.

Следует отметить, что магнитное поле Земли — это слабое поле. В среднем его напряженность равна 40 А/м.

Интересующая нас в первую очередь горизонтальная составляющая H, на которую реагирует магнитный компас, изменяется от нуля на магнитных полюсах до 32 А/м у южной оконечности Азии. Таким образом, H уменьшается при движении от экватора к полюсам.

Вертикальная составляющая Z наоборот изменяется от 0 на магнитном экваторе до + 56 А/м на полюсах.

Общие сведения о магнитных компасах. Уравнения Пуассона

Магнитный компас (МК) — это древнейший навигационный прибор, работа которого основана на использовании свойства магнитной стрелки

ориентироваться по направлению силовых линий внешнего магнитного поля. Полагают, что первые магнитные компасы появились на судах в середине 3 – го столетия новой эры.

И хотя в настоящее время существуют приборы для определения курса судна, основанные на более точных методах, МК благодаря своей высокой надежности и простоте остаются в составе судового оборудования в качестве резервного курсоуказателя. Это положение закреплено Правилом 15 Главы 5 последней редакции Конвенции СОЛАС – 74.

МК предназначен для непрерывного указания в море компасного курса судна и для определения пеленгов и курсовых углов.

Корпус и другие части современного судна, судовые механизмы, двигатель изготавливают из специальных сталей и других материалов способных намагничиваться. Перечисленные элементы судна сохраняют некоторую остаточную намагниченность, приобретенную при их изготовлении и постройке судна. Величина этого намагничивания зависит как от напряженности магнитного поля Земли, так и от магнитных свойств судового железа.

Кроме остаточной постоянной намагниченности элементы судна сохраняют способность намагничиваться (или размагничиваться) в постоянно действующем магнитном поле Земли. Другими словами на судне присутствует как жесткое в магнитном отношении железо, так и магнитомягкое железо.

Таким образом, возникает судовое магнитное поле, определяемое как постоянным судовым магнетизмом жесткого в магнитном отношении железа, так и временной намагниченностью мягкого железа. Оно будет оказывать влияние на показания любого магнитного прибора, размещенного на судне.

Магнитожесткое железо в отличие от магнитомягкого железа сохраняет остаточную намагниченность, которая не зависит от курса судна и магнитной

широты.

Очевидно, судовое магнитное поле действует наряду с магнитным полем Земли на чувствительный элемент (картушку) МК. В результате возникает ошибка или девиация МК — отклонение чувствительного элемента компаса от направления магнитного меридиана. Можно также сказать, что девиация измеряется углом между магнитным и компасным меридианами в плоскости истинного горизонта наблюдателя. Девиацию можно также определить как разность магнитного и компасного курсов: д = к – к^’ . Важно отметить, что девиация не является величиной постоянной, а изменяется в зависимости от курса и широты.

Ясно, что устранить судовое магнитное поле невозможно. Поэтому для повышения точности курсоуказания и пеленгования предпринимают меры для компенсации его действия на чувствительный элемент МК, уничтожая тем самым девиацию.

В основу теории девиации легла теорема Пуассона об однородном намагничивании тел.

Пусть магнитный компас находится на судне в точке 0. Совместное действие магнитного поля Земли и судового магнитного поля алгебраически выражается путем сложения проекций напряженностей этих полей на соответствующие судовые оси: X ’ = X + X ₀ ; Y ’ = Y + Y ₀ ; Z ’ = Z + Z ₀ ,

где X ’, Y ’, Z ’ — проекции напряженности на судовые оси x , y , z суммарного магнитного поля;

X , Y , Z — проекции напряженности на те же оси магнитного поля Земли.

X ₀ , Y ₀ , Z ₀ — проекции напряженности магнитного поля судна.

Отсюда

X’ = X + а X + bY + cZ + P;

Y’ = Y + dX + eY + f Z + Q; (1.2)

Z’ = Z + gX + hY + kZ + R.

Формулы (1.2) называют уравнениями Пуассона.

Коэффициенты a , b , c , … k называются параметрами Пуассона. Они характеризуют собой мягкое в магнитном отношении железо, т.е. его магнитные качества, размеры и форму, а также расположение относительно центра магнитного компаса, другими словами относительно начала координат 0.

Слагаемые P , Q , R – это проекции напряженности постоянного судового магнетизма, вызванного действием жесткого в магнитном отношении железа, на

судовые оси магнитного поля.

Все перечисленные параметры и проекции P , Q и R остаются практически постоянными до тех пор, пока на судне не изменится расположение железных масс относительно рассматриваемого компаса.

На постоянство этих величин не влияют изменения курса судна. Изменение магнитной широты района плавания не оказывает влияния на P , Q и R, но вызывает незначительные изменения параметров Пуассона.

Путем ряда преобразований уравнений Пуассона с целью установления связи между девиацией и вызывающим ее судовым магнитным полем получили формулу:

sin д = A’ cos д + B’ sin к ’ + C’ cos к ’ + D’ sin(2 к ’ + д ) + E’ cos (2’ + д ). (1.3)

Здесь A ’ , B ’ , C ’ , D ’ и E ’ — точные коэффициенты девиации.

Из формул промежуточных преобразований следует, что коэффициенты девиации не зависят от курса судна. Три коэффициента A’ , D’ , E’ не зависят и от магнитной широты района плавания. Коэффициенты B’ иC’ изменяются при переходе судна из одного района земного шара в другой.

Следует отметить, если компас установлен на верхнем мостике в диаметральной плоскости судна, коэффициенты A ’ и E ’ малы. Остальные коэффициенты могут принимать различные значения, но, как правило, коэффициент B ’ самый большой, C ’ поменьше, еще меньше коэффициент D ’.

Существенный вклад в разработку теории девиации внесли наши соотечественники А.Н. Крылов, Н.Н. Оглобленский, П.А. Домогаров, И.П. Колонг и др. Благодаря их работам отечественная школа девиаторов заняла ведущее место в мире.

Принцип уничтожения девиации основан на создании в центре компаса с помощью магнитов-уничтожителей и мягкого в магнитном отношении железа сил, равных по величине и противоположных по направлению судовым силам, создающих девиацию.

Остаточная девиация не должна превышать 2 – 3⁰.

После очередного уничтожения девиации компаса для учета поправок компаса в процессе плавания рассчитывается таблица остаточной девиации с дискретностью, например, 15 градусов.

Следует упомянуть, так называемую, электромагнитную девиацию (ЭМД). Она возникает в результате действия электромагнитных полей, создаваемых судовыми электроустановками и линиями передачи постоянного тока. Уничтожается ЭМД специальным компенсатором, состоящим из трех взаимно перпендикулярных электромагнитов, обмотки которых подключаются к источнику постоянного тока, создающего ЭМД. Компенсатор устанавливают непосредственно под котелком компаса.

Таким образом, для эффективного использования МК в качестве курсоуказателя необходимо знать причины возникновения ошибок, уметь их определять и при необходимости устранять. А для этого нужно разобраться в особеннстях и параметрах как земного, так и судового магнитных полей.

Судовые магнитные силы

Связь между девиацией и вызывающим ее судовым магнитным полем может быть выражена с помощью других формул, которые представляют проекции суммарной напряженности магнитного судна и поля Земли на направление магнитного меридиана

H ’ cos д = l H + B ’ l H cos к – C ’ l H sin к + D ’ l H cos 2 к – E ’ l H sin 2 к, (1.4)

где l = (1 + );

и на направление, перпендикулярное магнитному меридиану

H ’ sin д = A ’ l H + B ’ l H sin к + C ’ l H cos к + D ’ l H sin 2 + E ’ l H cos 2 к. (1.5)

Входящие в формулы (1.4) и (1.5) величины l H , A ’ l H , B ’ l H , C ’ l H , D ’ l H , E ’ l H принято называть судовыми магнитными силами, хотя эти величины представляют собой напряженности.

Большинство из перечисленных сил вызвано действием мягкого в магнитном отношении судового железа. Это относится к силам l H , A ’ l H , D ’ l H , E ’ l H .

Сила lH действует в направлении магнитного меридиана, является полезной силой и не зависит от курса судна. Она не вносит девиации. Желательно, чтобы l H была как можно больше.

Сила A ’l H перпендикулярна магнитному меридиану, она также не зависит от курса судна, но в отличие от силы l H создает девиацию. Если A ’ > 0, то сила A ’ l H направлена к востоку от магнитного меридиана и ей приписывают знак «плюс». Если A ’ < 0, то сила направлена к западу и ей приписывают знак «минус».

Сила B’ l H действует относительно магнитного меридиана под углом, равным магнитному курсу (при положительном значении силы). Если же B ’ < 0, то эта сила направлена к магнитному меридиану под углом к 180⁰. Поскольку эта сила зависит от курса судна, она принимает на разных курсах различные направления относительно магнитного меридиана, отклоняет чувствительный элемент компаса, вызывая различную по величине девиацию.

Очевидно, что диаметральная плоскость судна составляет с плоскостью магнитного меридиана угол, равный магнитному курсу к. Поэтому сила B ’ l H должнавсегда совпадать с диаметральной плоскостью. Т.е. по отношению к судну — это продольно действующая сила.

Сила C ’l H действует перпендикулярно B ’ l H и направлена по отношению к магнитному меридиану под углом к + 90⁰. Если С < 0 (сила отрицательна), сила направлена по отношению к магнитному меридиану под углом к – 90⁰.

В судовых координатных осях она всегда действует перпендикулярно диаметральной плоскости судна, т. е. это поперечно действующая сила. Когда С’ > 0 она направлена в правый борт, а при С’ < 0 — в левый.

Также как сила B ’ l H сила C ’ l H вызывает зависящую от курса девиацию.

Сила D’ l H к магнитному меридиану направлена под углом 2к. Если эта сила отрицательна, ее направление относительно магнитного меридиана определяется углом 2к 180⁰. Очевидно, что эта сила порождает девиацию.

От рассмотренных ранее сил D ’ l H отличается тем, что с изменением курса ее направление изменяется как относительно магнитного меридиана, так и относительно диаметральной плоскости судна. Если судно на циркуляции описывает полную окружность, то сила D ’ l H, как радиус-вектор, оборачивается по окружности два раза.

Нелишне напомнить, что силы l H и A ’ l H меняют своенаправлениетолько относительно диаметральной плоскости судна, сохраняя свое направление относительно магнитного меридиана, а силы B ’ l H и C ’ l H наоборот меняют своенаправлениетолько относительно магнитного меридиана, не меняя своего направления относительно диаметральной плоскости судна.

Сила E’ l H перпендикулярна силе D ’ l H. Если она положительна, то повернута вправо от положительного направления силы D ’ l H, если отрицательна, то влево.Эта сила также вызывает девиацию и при изменении курса на 360⁰ дважды описывает окружность.

Если все шесть судовых сил положительны, то они направлены:

l H — по магнитному меридиану к северу;

A ’ l H — перпендикулярно к магнитному меридиану к востоку;

B ’ l H — под углом к магнитному меридиану, равным к;

C ’ l H — под углом к магнитному меридиану, равным (к + 90⁰);

D ’ l H — под углом к магнитному меридиану, равным 2к;

E ’ l H — под углом к магнитному меридиану, равным (2к + 90⁰).

Если считать все судовые магнитные силы положительными, а точку их приложения в центре компаса, то графически эти силы могут быть представлены в виде расходящегося пучка векторов, каждый их которых направлен под соответствующим углом (рис.1.2).

Рис. 1.2 Рис. 1.3

На рис.1.3 представлен многоугольник судовых магнитных сил, полученный путем графического сложения их векторов. Вектор, замыкающий этот многоугольник, является равнодействующей Н’, которая определяет направление компасного меридиана.

Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 143; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!