Магнитный компас

Общие сведения о магнитных компасах

Для точного и безопасного плавания необходимо в первую очередь знать курс, скорость движения корабля, его место и глубину под килем. Для измере-ния этих параметров современные корабли оснащены специальными навигаци-онными приборами. Развитие этих приборов имеет свою интересную историю, теснейшим образом связанную с историей мореплавания.
Первые плавания совершались днем и, конечно, вдоль берегов. Потом ста-ли плавать ночью, ориентируясь по Полярной звезде. С появлением на кораб-лях магнитного компаса в мореплавании произошел переворот. С помощью компаса могли ориентироваться по направлению в любое время суток при лю-бой погоде. Свойство магнитной стрелки показывать туда, где в ясную погоду видна Полярная звезда, т. е. на север, дало морякам в руки инструмент, который и по сей день используется на всех кораблях и судах мира.
Магнитный компас для мореплавания стал применяться в Китае еще за 3000 лет до н. э., но достоверные данные относятся к 10 – 11 вв. Спустя некото-рое время он стал известен арабам. В Европу магнитный компас привез вене-цианец Марко Поло. Однако имеются сведения, что скандинавы пользовались магнитной стрелкой уже в 11 веке. Одна из самых ранних конструкций компа-са, дошедших до нас благодаря найденным древним описаниям,— соломинка с намагниченной иглой внутри, плавающая в сосуде с водой. В 17 веке компас имел вид, напоминающий современный.
Неточность плавания приводила порой к серьезным казусам. Так было с Х. Колумбом, когда, возвращаясь в 1493 году к родным берегам после открытия Америки он, определив широту, не мог точно сказать, где всё-таки находится его судно – перед Азорскими островами или они давно остались позади. Силь-ный шторм усугубил неуверенность, что заставило Х. Колумба выбросить на всякий случай в океан бочонок с сообщением о своем открытии Нового Света. К счастью, всё обошлось благополучно, и великий мореплаватель добрался до берегов Испании. Здесь он убедился, что его помощники, определяя долготу по пройденному расстоянию, разошлись в расчете более чем на 400 миль.
Другой пример. В 16 веке испанским мореплавателем Менданья де Нейрой были открыты Соломоновы острова, но из-за неточного определения их место-положения они затем почти на два столетия были «потеряны» и открыты вновь лишь в 1767 –1768 г.г.
Иногда на поиски берегов уходили целые недели и месяцы. Даже в начале 18 века попасть точно в пролив Ла-Манш между побережьем Франции и остро-вом Великобритания было делом нелегким. Так случилось с английской эскад-рой адмирала Клаудисли Шовела, которая в хмурую штормовую сентябрьскую погоду 1707 года не смогла отыскать пролив и оказалась на камнях вблизи ост-ровов Силли.
Компас считался точным прибором, требующим бережного и аккуратного обращения. За компасами на судах устанавливался специальный надзор. Со-гласно старинным документам, один из матросов был повешен на рее за то, что продырявил котелок в надежде утолить жажду заполнявшей его жидкостью.
Петр 1 требовал в морском уставе: «Должен компасы добрым мастерст-вом делать и смотреть, чтоб иглы, на чем компас вертится, были остры и крепки, и не скоро б смалывались. Также чтобы проволока на компасе к норду и зюйду была натерта магнитом, дабы компас мог быть верным, в чем над-лежит крепкое смотрение иметь, ибо в том зависит ход и целостность ко-рабля».
Показаниям компаса моряки в то время доверяли без сомнений и считали, что стрелка его всегда показывает туда, где в ночное время светится Полярная звезда, т. е. на север. Однако уже в 14 –15 веках мореплаватели заметили, что магнитная стрелка нередко отклоняется от географического меридиана (внача-ле считали, что это происходит от потери магнитных свойств материала, из ко-торого сделана стрелка, и от неточных наблюдений).
Х. Колумб, обнаружив на второй неделе своего плавания отклонение маг-нитной стрелки от установившегося положения относительно Полярной звезды, был настолько уверен в показаниях компаса, что усомнился в постоянстве по-ложения Полярной звезды над Северным полюсом. Тем более что при удалении от берегов Европы к западу отклонение стрелки всё больше возрастало. Это яв-ление чуть не вызвало бунт команды, таким необычным показалось оно матросам.

Характеристика магнитного поля земли и корабля

Земной шар можно представить в виде магнита, имеющего два магнитных полюса: северный PN и южный PS. Условно считают, что в северном полюсе сконцентрированы отрицательные магнитные массы, а в южном – положитель-ные. Поэтому магнитное поле Земли изображается силовыми линиями, идущи-ми от южного магнитного полюса к северному. Вектор напряженности Т маг-нитного поля Земли направлен по касательной к магнитной силовой линии. В различных точках земной поверхности вектор Т имеет разное пространственное положение. Проекция вектора Т на плоскость горизонта называется горизон-тальной составляющей Н, а проекция его на отвесную линию – вертикальной составляющей Z магнитного поля Земли.
Величины составляющих вектора Т связаны между собой соотношениями:

(1.1)
где- магнитное наклонение, т. е. угол между плоскостью горизонта и направлением вектора Т. Магнитное наклонение изменяется от −90° (южный магнитный полюс) до +90° (северный магнитный полюс). Например, для Финского залива I=720. Кривая, соединяющая точки земной поверхности, в которых магнитное склонение равно 0, называется магнитным экватором. Он имеет форму неправильной замкнутой кривой.
Рассмотрим, как будет вести себя магнитная стрелка, подвешенная на нити, проходящей через ее центр тяжести, в магнитном поле Земли. Предположим, что вся положительная масса m стрелки сосредоточена на одном конце стрелки (северный полюс, обозначаемый буквой N), а вся отрицательная масса – m стрелки – на другом (южный полюс, обозначаемый буквой S). Прямая, соединяющая полюсы стрелки, называется магнитной осью стрелки. В магнитном поле Земли северный магнитный полюс стрелки будет притягиваться отрицательными магнитными массами северного магнитного полюса Земли. В северном полушарии магнитная ось стрелки будет наклонена вниз относительно плоскости горизонта в результате действия составляющей Z и будет приподнята над горизонтом в южном полушарии. Плоскость в которой устанавливается магнитная ось стрелки в результате взаимодействия ее магнитных масс с магнитными массами Земли, называется плоскостью магнитного меридиана. Линия пересечения плоскости магнитного меридиана с поверхностью Земли в данной точке называется магнитным меридианом.
С увеличением магнитной широты величина вертикальной составляющей Z растет, а горизонтальной составляющей H уменьшается. При этом будет уменьшаться направляющей момент магнитной стрелки, и она будет медленнее приходить в плоскость магнитного меридиана, а положение ее в плоскости меридиана будет неустойчивым. На магнитных полюсах Н=0, Z=Т, и магнитная стрелка расположится вертикально.
Установлено, что магнитные полюсы Земли перемещаются вокруг ее географических полюсов в западном направлении, совершая один оборот примерно за 500 лет. В настоящее время северный магнитный полюс находится в точке с координатами Ш=71°N, Д=96°W, а южный – в точке с координатами Ш=73°S, Д=156°E.
В общем случае магнитный меридиан не совпадает с истинным. Горизонтальный угол между плоскостями истинного и магнитного меридианов, проходящих через данную точку поверхности Земли, называется магнитным склонением d. Оно отсчитывается от северной части истинного меридиана к востоку (Е) или западу (W) от 0 до 180°. Восточное склонение принято считать положительным, а западное – отрицательным.
Величины T, H, Z, I и d называются элементами земного магнетизма. Эти элементы непрерывно изменяются вследствие перемещения магнитных полюсов и под влиянием Солнца. Влияние Солнца проявляется в виде суточных колебаний магнитного поля Земли и магнитных бурь. Суточные колебания обычно невелики и не имеют практического значения. Магнитные бури представляют собой внезапные, беспорядочные изменения элементов земного магнетизма и могут продолжаться от нескольких часов до нескольких суток. Установлена зависимость между магнитными бурями и пятнообразованием на Солнце. Магнитные бури возникают через каждые 27 дней и имеют одиннадцатилетний цикл – цикл возрастания солнечной активности. Практически влияние магнитных бурь на магнитную стрелку учесть невозможно
Наглядное представление о величине и распределении элементов земного магнетизма на поверхности Земли дают магнитные карты. На этих картах магнитное поле Земли изображается в виде изолиний, которые соединяют точки с одинаковыми значениями отдельных элементов земного магнетизма. Изолинии склонения называют изогонами, наклонения – изоклинами, кривые, соединяющие точки с одинаковыми значениями величин H и Z,— изодинами.
Принцип действия магнитного компаса основан на свойстве магнитной стрелки, вращающейся вокруг вертикальной оси, устанавливаться своей магнитной осью по направлению внешнего магнитного поля. Относительно оси стрелки можно определять направления на различные водимые предметы и небесные светила. Если магнитный компас установить на корабле, корпус которого набран из немагнитных материалов, то его магнитная стрелка установится по направлению магнитного меридиана и можно будет определить магнитный курс корабля.
Угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и диаметральной плоскостью корабля по часовой стрелке называется магнитным курсом (МК). Магнитные и истинные направления связаны между собой зависимостями: МК=ИК – d, МП=ИП – d, в которых величина склонения учитывается со своим знаком. Величина склонения и его годовое изменение указаны на МНК.
Корабль находится в магнитном поле Земли, поэтому все части корабля, изготовленные из магнитных материалов, намагничиваются магнитным полем Земли в период его постройки и эксплуатации. Величина намагниченности корабля зависит от напряженности магнитного поля Земли и свойств намагничивания корабельного железа.
Железо корабля условно делится в магнитном отношении на твердое и мягкое. Твердое железо после намагничивания устойчиво сохраняет свое состояние в течение продолжительного времени, мягкое железо с течением времени теряет свои свойства и может перемагнититься под действием более сильных полей. Набор корпуса корабля и его механизмы состоят из брусков удлиненной формы мягкого и твердого железа, расположенных продольно, поперечно и вертикально. Бруски мягкого железа намагничиваются соответственно продольной X, поперечной Y и вертикальной Z составляющими вектора Т магнитного поля Земли по осям корабельной системы координат xyz.
. (1.2)
Намагниченные силами X, Y, Z бруски мягкого корабельного железа возбуждают в окружающем пространстве свое магнитное поле, называемое магнитным полем корабля.

Принцип построения и работы магнитного компаса со стрелочным и индукционным магнитным чувствительным элементом

Магнитные компасы, устанавливаемые на современных судах и кораблях, бывают самых различных типов и размеров. Наибольшее применение находит компас со стрелочным магнитным чувствительным элементом.
Рассмотрим устройство магнитного компаса. Основная часть его – чувствительный элемент, представляющий собой систему из нескольких параллельных постоянных магнитов – компасных стрелок. Магниты для чувствительного элемента компаса изготавливаются обычно из сплава железа, никеля и кобальта с высокой магнитной восприимчивостью. К магнитам-стрелкам жестко крепится выполненная из немагнитного материала картушка компаса, на внешней стороне которой нанесены с интервалом в 1 градус 360 делений. Отсчет ведется от точки 0 (N), совпадающей с «чувствующими» север концами компасных стрелок, по часовой стрелке. Наряду с делениями на картушку, как правило, наносятся и четвертные румбы. В центре картушки находится поплавок, служащий для уменьшения массы чувствительного элемента в жидкости. В центре поплавка находится конус, ограничивающий угол наклона картушки. В центре конуса имеется шпилька в виде стержня из твердого сплава, опирающаяся на подпружиненное опорное устройство, жестко связанное с корпусом котелка. Для того чтобы снизить давление на шпильку, уменьшить трение при вращении и колебаниях картушки при движении корабля и на качке, латунный резервуар-котелок, в который помещается магнитный чувствительный элемент, заполняется специальной незамерзающей жидкостью. Сверху котелок компаса закрыт стеклянной крышкой на резиновой прокладке, обеспечивающей возможность наблюдения за картушкой. На внутренней стороне котелка в носовой его части на уровне картушки установлен курсовой указатель. Поворачиваясь вместе с кораблем и котелком вокруг удерживаемой магнитным полем Земли неподвижной картушки, курсовой указатель дает возможность считывать курс корабля.
Именно по нему и правит рулевой, удерживая эту черту около заданного деления картушки. Если котелок компаса не находится в горизонтальной плоскости, могут быть ошибки в считывании курса, а также возмущающие эффекты от изменения влияния окружающего магнитного поля. Чтобы избежать этого, к нижней части котелка крепится груз, а сам он устанавливается на кардановых кольцах в нактоузе.
Нактоуз представляет собой немагнитный силуминовый корпус, в котором размещены все части компаса. В верхней части нактоуза кроме котелка установлены компенсаторы полукруговой, креновой, четвертной и электромагнитной девиации. Компас содержит вспомогательные устройства – защитный колпак от непогоды с окном для съема показаний, регулятор освещения картушки магнитного чувствительного элемента, устройства для пеленгования.
Нередко магнитные компасы делаются дистанционными. В этом случае они снабжаются оптическими или электрическими устройствами для передачи показаний магнитного чувствительного элемента на расстояние. На каждом компасе после его установки на корабле проводятся работы по компенсации его погрешностей. После проведения девиационных работ определяют остаточную девиацию и заносят ее в специальную таблицу, пользуясь которой штурман исправляет показания компаса.
В индукционных чувствительных элементах используются пермаллоевые стержни, поэтому в магнитном поле стержни намагничиваются до насыщения только в продольном направлении, когда их оси параллельны вектору напряженности магнитного поля. При расположении стрежней перпендикулярно вектору напряженности магнитного поля они не намагничиваются.
Индукционный ЧЭ состоит из двух пермаллоевых стержней с первичной и сигнальной обмотками. Первичная обмотка питается переменным током. Витки первичной обмотки на одном стержне уложены встречно виткам другого стержня, поэтому при отсутствии внешнего магнитного поля в каждый полупериод тока стержни намагничиваются в противоположных направлениях. Результирующее магнитное поле стрежней равно нулю и в сигнальной обмотке ЭДС не наводится.
Расположим стержни по направлению вектора Н. Так как стержни в магнитном поле намагничиваются до насыщения, то в первом полупериоде тока намагниченность верхнего стержня останется равной величине Н?, а намагниченность нижнего стержня уменьшится максимально на величину Нv. Во втором полупероде тока картина намагничивания стержней меняется на обратную. На сигнальную обмотку будет действовать пульсирующее магнитное поле Нс, которое наведет в ней ЭДС. Таким образом, поворачивая стержни до положения, при котором ЭДС в сигнальной обмотке будет равно нулю, можно найти направление компасного меридиана, которое соответствует нормали к продольной оси стержней и может быть зафиксировано указателем. Угол между диаметральной плоскостью корабля и указателем является компасным курсом корабля.
Магнитные компасы по сравнению с другими измерителями курса имеют следующие преимущества:
— практически мгновенная готовность к выдаче курса;
— полная независимость от других источников навигационной информации;
— простота эксплуатации, монтажа и регулировки;
— большой ресурс и надежность работы;
— устойчивость к внешним температурным и виброакустическим воздействиям.

На малых кораблях и судах, где не требуется высокой точности курсоуказания, но большое значение имеют такие факторы, как стоимость, надежность и простота эксплуатации, магнитный компас используется как основной источник курса. На больших кораблях и судах с хорошим штурманским вооружением он, как правило, играет роль резервного или аварийного средства.
На современном корабле размещают, как правило, два-три магнитных компаса: главный, по которому прокладывают курс и на котором устанавливают пеленгатор для определения места корабля и поправки курса по пеленгам, и путевой, располагаемый в ходовой рубке. На некоторых кораблях имеется еще и аварийный или шлюпочный компас.
Компас, особенно главный, должен быть установлен в диаметральной плоскости корабля или вблизи нее и параллельно ей, т. е. в месте с симметричным эффектом воздействия магнитных материалов. Поблизости не должно быть подвижных железных и стальных масс, периодически включаемых электромашин и т. п. Для уменьшения влияния на магнитный чувствительный элемент ускорений, возникающих при качке, компас размещают ближе к центру качания корабля.

Заключение

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Магнитные компасы с давних времен получили широкое применение для обеспечения мореплавания и ориентирования по направлению в любое время суток и при любой погоде.
2. Магнитное поле Земли обусловлено концентрацией отрицательных и положительных магнитных масс в полюсах и характеризуется величинами напряженности (Т), горизонтальной (Н) и вертикальной (Z) составляющих магнитного поля Земли, магнитным наклонением (I) и магнитным склонением (d).
3. Намагниченные силами X, Y, Z бруски мягкого корабельного железа возбуждают в окружающем пространстве свое магнитное поле, называемое магнитным полем корабля.
4. Магнитный стрелочный ЧЭ представляет собой систему стрелок с подвесом, обеспечивающим его движение по азимуту (картушка). Индукционный ЧЭ состоит из двух стержней с первичной и сигнальной обмотками.

Смотрите также

Щедрин Григорий Иванович

Заболевания и несчастные случаи, связанные с пребыванием в водной среде

Санкт-Петербургское морское бюро машиностроения «Малахит»