Магнитные компасы (МК) являются резервными и контролирующими курсоуказателями. В случае отказа гирокомпаса управление производится по магнитному компасу, а при исправном гирокомпасе надлежит каждый час сличать показания гирокомпаса с магнитным компасом для контроля правильности работы гирокомпаса.
Под действием магнитного поля Земли и магнитного поля судна картушка магнитного компаса устанавливается в плоскости компасного меридиана, положение которого отличается от положения плоскости истинного меридиана на величину поправки магнитного компаса. Эта поправка является суммой девиации МК и магнитного склонения.
Магнитное склонение d - это угол между плоскостями истинного и магнитного меридиана, его можно получить с карты, приводя к году плавания.
Девиация магнитного компаса - это угол между плоскостями магнитного и компасного меридиана.
Причиной появления девиации являются магнитное поле судна, которое искажает магнитное поле Земли. Судовые металлические конструкции по своим магнитным свойствам подразделяются на твердое и мягкое в магнитном отношении железа.
Под твердым судовым железом подразумеваются металлические конструкции судна, которые 1 раз намагнитившись в магнитном поле Земли, больше не перемагничиваются, т.е. их можно рассматривать как постоянные магниты.
Твердое судовое железо создает постоянное магнитное поле судна. Мягкое судовое железо обладает индуктивным магнетизмом, т.е. при изменении его положения относительно магнитного поля Земли происходит перемагничивание мягкого судового железа и это железо создает переменное магнитное поле судна, которое изменяется при изменении курса судна.
Таким образом, твердое и мягкое судовое железо создают девиацию магнитного компаса, которая выражается основной формулой девиации:
Анализ этой формулы показывает, что девиация имеет постоянную составляющую (девиацию), полукруговую девиацию, зависящую от курса судна и четвертную девиацию, которая зависит от удвоенного курса 2K.
Постоянная и четвертная девиации, соответственно с коэффициентами A, D, E возникают из-за мягкого судового железа. А полукруговая девиация с коэффициентами B и C вызывается твердым судовым железом.
Уничтожение постоянной и четвертной девиации производится мягким железом, из которого изготавливаются магнитные компенсаторы в виде шаров или цилиндров. Эти компенсаторы устанавливаются вблизи картушки магнитного компаса и создают переменное магнитное поле, которое компенсирует переменное магнитное поле судна.
Постоянную четвертную девиацию уничтожают по специальной методике девиаторы при установке МК на судне. Так как, четвертная и постоянная девиация мало изменяются, то их повторное уничтожение не производится. Полукруговая девиация возникает из-за твердого судового железа, создающего постоянное магнитное поле судна, поэтому ее уничтожение производится с помощью магнитов-уничтожителей, которые расположены в девиационном приборе магнитного компаса.
Так как полукруговая девиация вызывается продольной магнитной силой и поперечной силой, то имеется 2 пары магнитов-уничтожителей для компенсации данных сил.
Одна пара расположена в диаметральной плоскости судна (продольные магниты-уничтожители(для уничтожения силы)), а вторая пара - перпендикулярно диаметральной плоскости.
Поперечные магниты - уничтожители для уничтожения силы.
Положение магнитов-уничтожителей подбирается так, чтобы они компенсировали постоянное магнитное поле судна, т.е. силы и.
Полукруговая девиация является изменчивой и необходимо регулярное ее уничтожение в случае, если она изменяется больше, чем на 3 градуса. Рекомендуется проверять и уничтожать полукруговую девиацию ежегодно.
Для уничтожения полукруговой девиации применяют способ Эри. Он выполняется на 4 главных курсах.
Для уничтожения поперечной магнитной силы необходимо:
1) Лечь на магнитный курс 0 градусов.
2) Отметить по магнитному компасу девиацию на этом курсе и с помощью поперечных магнитов-уничтожителей довести эту девиацию до нуля.
3) Лечь на магнитный курс 180. Наблюдаемую девиацию по МК с помощью магнитов-уничтожителей девиацию уменьшить на половину. В этом случае магнитная сила уничтожена полностью.
4) Для уничтожения продольной силы необходимо лечь на магнитный курс 90 и с помощью продольных магнитов-уничтожителей довести наблюдаемую девиацию до 0.
5) Необходимо лечь на магнитный курс 270 и с помощью продольных магнитных магнитов-уничтожителей наблюдаемую девиацию уменьшить на половину. В этому случае сила уничтожена полностью.
На главные магнитные курсы можно ложится с помощью гирокомпаса, зная его поправку и магнитное склонение d.
Величина ГКК для заданного магнитного курса МК выбирается по формуле:
После уничтожения полукруговой девиации необходимо лечь на 8 главных и четвертных компасных курсов по магнитному компасу и определить величину остаточной девиации на каждом из курсов. На каждом компасном курсе замечают значение ГКК и значение девиации рассчитывается по формуле:
По полученным значениям девиации на 8 курсах, рассчитывают коэффициенты девиации A, B, C, D, E.
Затем по этим коэффициентам с помощью основной девиации рассчитывается таблица остаточной девиации с интервалом через 10 градусов курса.
Вектор Т напряжённости магнитного поля Земли лежит в плоскости магнитного меридиана и составляет с плоскостью горизонта некоторый угол I . Этот угол называется магнитным наклонением и может изменяться в пределах
.
Наряду с указанным, рассматривают проекции Н и Z вектора Т на плоскость горизонта и на местную вертикаль, соответственно. Эти составляющие определяются следующими равенствами:
. (1.1)
На навигационных картах могут наноситься линии равных значений указанных параметров. Изогонами
называют линии равных значений магнитного склонения. Линии равных значений магнитного наклонения получили название изоклин
. Линии равных значений Н
и Z
называются изодинамами
.
Земное магнитное поле претерпевает медленное годовое изменение, а также достаточно быстрые вариации, обусловленные, например, активизацией процессов на Солнце. Кроме того, на равномерность магнитного поля Земли существенное влияние оказывают местные магнитные аномалии.
магнитомягкие материалы намагничиваются компонентами магнитного поля Земли. Будем представлять судовое и земное магнитные поля в виде соответствующих составляющих X¢,Y¢,Z¢
и X,Y,Z
(рис. 4.1) векторов напряженности (или индукции) этих полей по осям системы координат охуz
, жёстко связанной с судном. Особенности намагничивания магнитомягких материалов земным магнитным полем заключается в том, что они будучи намагниченными од
| Важно! |
ставляющие аХ
, dХ
и gХ
, направленные по осям ох
, оу
и oz,
соответственно (Рис. 4.1). Здесь а, d
и g
– коэффициенты пропорциональности, определяющие величину указанных составляющих в долях намагничивающего поля. Аналогично, материал, намагниченный составляющей Y
земного поля, будет создавать собственное поле с компонентами bY, eY
и hY
, а намагниченный составляющей Z
– с компонентами cZ, fZ
и kZ
.
Учитывая сказанное, результирующие напряженности судового магнитного поля вдоль осей, связанных с судном, можно представить в виде следующих равенств (рис. 1.33):
X¢ = X + aX + bY + cZ + P,
Y¢ = Y + dX + eY +fZ + Q, (4.1)
Z¢ = Z + gX + hY + kZ + R,
где H, Q и R – компоненты магнитного поля, порождаемые постоянным судовым магнетизмом. Уравнения (4.1) получили название уравнений Пуассона , а коэффициенты а…к – коэффициентов Пуассона . Полученные уравнения характеризуют структуру судового магнитного поля и являются исходными для проведения различных оценок на практике. Однако для процесса судовождения основной интерес представляет связь параметров судового поля с ошибками МК, т.е. с той девиацией, которая возникает у компаса, установленного в заданном месте на судне. Эта девиация определяется отклонением от плоскости магнитного меридиана горизонтальнойсоставляющей Н¢ (рис. 4.1) судового магнитного поля, образуемой геометрической суммой векторов X¢ и Y¢ , в направлении которой устанавливаются оси магнитов картушки компаса. Найдём соотношения, определяющие указанную связь.
Уравнение девиации
Рассмотрим рис. 4.2, отображающий взаимную ориентацию векторов судового и земного магнитных полей. Как следует из рисунка, девиация магнитного компаса, равная разности магнитного МК
и компасного КК
курсов судна
=МК – КК , (4.2)
может быть определена следующим равенством:
. (4.3)
В свою очередь, из рисунка следует, что
H¢sin =X¢sin MK + Y¢cos MK, а H¢cos =X¢cos MK – Y¢sin MK. (4.4)
Подставляя в полученные равенства значения X ¢ и Y¢ из уравнений Пуассона (4.1), найдём:
H¢sin =[(1+a)X + bY + cZ + P] sin MK + [(1+e)Y + dX + fZ +Q] cos MK,
H¢cos =[(1+a)X + bY + cZ + P] cos MK – [(1 + e)Y +dX + fZ = Q] sin MK.
В последних равенствах учтём, что
Х=Н cosMK, Y= - H sinMK. (4.6) Тогда получим:
(4.7)
Раскрывая квадратные скобки равенств (4.7), найдём:
(4.8)
Группируя члены по гармоникам, будем иметь:
(4.9)
(4.9)
Обозначим 
и поделим левые и правые части равенств (4.9) на . В результате получим:
(4.10)
Введём следующие обозначения:
и подставим их в равенства (4.10). В результате будем иметь:
Поделив первое равенство (4.12) на второе, получим искомое выражение для тангенса девиации магнитного компаса:
Это выражение получило название формулы Арчибальда Смита по имени английского учёного Х1Х века. Оно определяет зависимость девиации МК от параметров А¢…E¢ и магнитных курсов судна. Параметры A¢…E¢ получили название коэффициентов девиации.
На практике чаще представляют девиацию МК в функции компасных курсов судна . Для того чтобы получить указанное выражение умножим равенство (4.13) на его знаменатель. В результате будем иметь:
Раскрывая скобки и перенося все члены кроме первого в правую часть равенства, найдём:
Учитывая, что КК=МК - , а 2МК-δ = 2КК+ , окончательно получим выражение для синуса девиации магнитного компаса как функцию компасных курсов судна:
| Важно! |
Магнитное поле Земли можно обнаружить с помощью магнитной стрелки. Если стрелку подвесить так, чтобы она могла свободно вращаться в горизонтальной и в вертикальной плоскости, то в каждой точке земной поверхности она под воздействием магнитных сил стремится принять вполне определенное положение в пространстве. Магнитное поле Земли существует на поверхности, под землей и в космосе. Магнитное поле земли вызывается процессами внутри её коры и в космическом пространстве и тесным образом связанно с деятельностью Солнца.
Напряженность магнитного поля Земли в среднем равна 40 А/м.
Вообще, магнитное поле Земли является неоднородным, но в ограниченном пространстве судна его можно считать однородным.
Разложим напряженность, как вектор, на отдельные составляющие, получившие название элементов земного магнетизма. К ним относятся (см. рис.) горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли H , вертикальная составляющаяZ и магнитное склонениеd – горизонтальный угол, образованный направлением истинного меридианаON и составляющейH , которая лежит в плоскости магнитного меридиана. Кроме этих элементов, в вектор напряженности магнитного поля входит магнитное наклонениеI – вертикальный угол между горизонтальной плоскостью и направлением вектора земного магнетизма.
Из рисунка можно установить следующую связь между элементами земного магнетизма:
Если нужно определить проекции вектора земного магнетизма на направление истинного меридиана или первого вертикала, то можно воспользоваться следующими равенствами
Линии, соединяющие равные значения HиZназываются изодины (линии равной напряженности). Изолинии магнитного склонения – изогоны, изолинии магнитного наклонения – изоклины. Такие линии нанесены на специальной карте земного магнетизма. Изоклины нулевого наклонения образуют магнитный экватор.
Разложим вектор земного магнетизма на судовые оси координат:
Проекции напряженности магнитного поля земли на судовые оси:
Горизонтальная составляющая, которая определяет работу магнитного компаса изменяется в различных местах земного шара от нуля (на магнитных полюсах) до 32 А/м у южной оконечности Азии. Уменьшение этой составляющей происходит от в направлении от экватора к полюсам.
Вертикальная составляющая напряженности магнитного поля Земли изменяется от нуля (на магнитном экваторе) до 56 А/м в полярных районах.
Тема 3 (2 часа) магнитное поле судна. Уравнения пуассона и их анализ.
Корпус судна, его двигатель, судовые механизмы изготовлены из материалов, которые обладают некоторой остаточной намагниченностью. Кроме приобретенной во время постройки остаточной постоянной намагниченности, корпус судна и его механизмы не потеряли способности намагничиваться в магнитном поле Земли, которое постоянно воздействует на судно. Таким образом, в судовом железе можно выделить две составляющие: твердая намагничивается в период постройки и остается постоянной, мягкая составляющая намагничивается в магнитном поле Земли. Постоянный судовой магнетизм и намагничивание мягкого судового железа оказывают влияние на любой магнитный прибор на судне. В этом случае принято говорить, что в пространстве, окружающем судно действует судовое магнитное поле.
Судно со всем его оборудованием является телом весьма сложной формы, поэтому трудно рассчитывать на то, что оно намагничивается однородно. Однако намагничивание судна при постройке и в последующие периоды его плавания происходит в слабом магнитном поле Земли, к тому же магнитная восприимчивость судна, как единого целого невелика. Поэтому неоднородность его намагничивания оказывается незначительной, ею можно пренебречь и исходить из среднего значения намагниченности для всего судна в целом.
Следовательно, можно воспользоваться теоремой Пуассона об однородном намагничивании тел.
Теорема Пуассона формулируется следующим
образом: магнитный потенциал U
однородно намагниченного тела равен
взятому со знаком минус скалярному
произведению вектора намагниченности
тела
на градиент потенциала силы притяжения
,
созданного массой данного тела:
где: -
- составляющие намагниченности судна
по судовым осям
- производные величиныVпо этим осям, пропорциональные потенциалу
притяжения, вызванного массой судна.
Чтобы перейти от потенциала к проекциям напряженности магнитного поля на судовые оси, продифференцируем (16) по переменным x , y , z , гдеJ – величина постоянная:
Вектор намагниченности тела выражается формулой (16). Разложим его на составляющие по судовым осям:
где: X , Y , Z - проекции на эти оси намагничивающего поля – магнитного моля Земли.
Подставим эти значения в предыдущие три уравнения:
Раскроем скобки в каждом из этих уравнений и введем обозначения
|
|
Полбхуясь этими обозначениями, можно записать так:
Эти уравнения выражают собой проекции напряженности магнитного поля судна в точке О (см рис). Если в точке О находится компас, то он покажет не только судовой магнетизм, но и воздействие магнитного поля Земли. Сложим алгебраически проекции напряженностей полей судна и Земли, чтобы выразить совместное действие их:
где со штрихом – проекции на судовые оси суммарного магнитного поля, без штриха – проекции на те же оси магнитного поля Земли, с ноликом – проекции напряженности магнитного поля судна. Отсюда:
|
|
Эти уравнения получили название уравнений Пуассона, так как они были выведены на основании теоремы Пуассона об однородном намагничивании тел.
a , b , c ,… k – параметры Пуассона. Они характеризуют собой мягкое железо: его магнитные качества, форму и размеры, расположение относительно центра компаса.
Слагаемые P , Q , R выражают магнитное поле постоянного судового магнетизма, обусловленного действием жесткого железа.
Все эти величины практически не изменяются для данного компаса и при данном магнитном состоянии судна. Если на судне произвести перемещение больших масс железа относительно компаса или переместить сам компас, то эти величины изменятся.
Курс судна не влияет на эти величины, магнитная широта очень слабо сказывается только на параметры Пуассона. Встряски судна, загрузка судна сказываются на его магнитном состоянии.
Вращающий момент картушки . Магнитная стрелка (картушка) компаса в магнитном поле H Земли подвержена влиянию вращающего (направляющего) момента (рис. 1.2):
L = Fl sin α. (1.10)
где F - сила, действующая на каждый полюс стрелки (F=mH);
l-расстояние между полюсами стрелки;
α - угол отклонения стрелки от вектора H
Выражение L = Fl sin α принимает вид
L = mHl sin α = H sin α
С учетом того, что ml/ μo = M; μoН=В, получаем
L = BM sin α. (1.11)
Работы по усовершенствованию конструкции магнитных компасов не прекращаются. В последние десятилетия XX века сконструированы дистанционные магнитные компасы, к которым можно подключать репитеры, систему автоматического регулирования курса судна и другие устройства штурманского оборудования.
Все магнитные компасы классифицируются по следующим признакам:
1) по принципу действия чувствительного элемента;
2) по наличию дистанционной передачи;
По принципу действия чувствительного элемента магнитные компасы подразделяются на следующие виды:
а) магнитные стрелочные;
б) индукционные;
в) электронные;
г) электромагнитные;
д) магнитострикционные;
е) магнитомеханические;
ж) магнитоэлектрические;
з) термомагнитные.
2 Магнитное поле судна
2.1. Виды судового железа
Судовое железо в магнитном отношении можно разделить на две категории - мягкое и твердое. Мягкое железо в поле Земли приобретает индуктивный (временный) магнетизм. При изменении курса судна элементы из мягкого материала перемагничиваются, а при отсутствии внешнего (намагничивающего) поля теряют свой магнетизм. Твердое железо имеет постоянную намагниченность, которая возникает в процессе постройки судна под влиянием сильных намагничивающих полей. Постоянный магнетизм в дальнейшем, при плавании судна, не зависит от курса судна и стабильно сохраняется в течение длительного времени.
Полный вектор индукции земного поля можно представить в виде трех составляющих: X (продольной), Y (поперечной), Z (вертикальной). Продольная X и поперечная Y составляющие при геометрическом сложении образуют горизонтальную составляющую Н. Вектор индукции H определяет направление магнитного меридиана, от которого отсчитывается магнитный курс k судна. Составляющие X и Yможно представить в виде
X = Hcos к; Y = Hsin к. (2.1)
На рис. 2.1 представлен корпус судна в магнитном поле Земли. Поле X намагничивает все продольные элементы судна. Суммарная продольная намагниченность судна характеризуется магнитным моментом МХ = n1Х, пропорциональным индукции намагничивающего поля X. Аналогично поперечное поле Y создает поперечную намагниченность - магнитный момент My=n2Y, а поле Z - вертикальный магнитный момент Mz=n3Z. В этих выражениях n1, n2 и n3 - коэффициенты пропорциональности, зависящие от размеров и формы элементов судна, а также от магнитной восприимчивости мягкого судового железа.
Магнитный компас находится в некоторой точке О. В этой точке магнитное поле создается как бы большими магнитами, имеющими магнитные моменты Мх, Му, Мz, Мп. В точке О есть также магнитное поле Земли, характеризуемое тремя векторами индукции: X, Y,Z.
Коэффициенты пропорциональности а0, d0, go зависят от того, где установлен компас: чем более он удален от судового железа, тем меньше значения этих коэффициентов. Суммируя составляющие векторы индукции в точке О по трем направлениям, получаем уравнения Пуассона:
X" =X + aX + bY+cZ + P;
Y" =Y + dX+eY + fZ + Q; (2.2)
Z" = Z+gX + hY +kZ + R.
Коэффициенты пропорциональности а, b, c, d, e, f, g, h, k называются параметрами Пуассона. Их значения зависят от магнитной восприимчивости мягкого судового железа, размеров и формы элементов корпуса судна, а также от расположения точки О по отношению к судовому железу, т. е. от места установки компаса на судне.
Силы от мягкого железа судна, входящие в уравнение (2.2), могут быть представлены происходящими от прямолинейных брусков мягкого железа.
Силы aX, dX и gX получились от продольного намагничивания мягкого железа судна, силы bY, eY и hY – от поперечного и силы cZ, fZ и kZ – от вертикального.
Таким образом, эти силы можно представить происходящими от продольных, поперечных и вертикальных прямолинейных брусков мягкого железа (рис. 2.1).
Эти бруски, согласно гипотезе Пуассона, будет намагничиваться пропорционально магнитящей силе, т. е. пропорционально одной из составляющих сил X, Y и Z земного магнетизма, вследствие чего приобретут полярность, и каждый из них пошлет на стрелку компаса силу, пропорциональную своему намагничиванию.
Рис. 2.1 Магнитное поле судна
2.2 Анализ уравнений Пуассона
Для того, чтобы судить о величинах сил рассмотрим более подробно их происхождение. На рис. 2.2 показано расположение брусков мягкого железа, образующих силы aX, dX и gX – от продольного намагничивания этих брусков составляющей силой X земного магнетизма, которую для простоты изложения приняли положительной, т. е. направленной к носу судна (линия X показывает общее направление намагниченности всех брусков). В каждом из рассматриваемых случаев один брусок произведет те же силы, что и два или несколько брусков, но эти силы будут меньшие по абсолютной величине.
Рис. 2.2 Расположение брусков мягкого железа, образующих силы от продольного намагничивания
Расположение брусков в первых двух случаях, указанных на рис. 2.2, образует отрицательный параметр a. На судне подобным железом является обшивка судна, стрингеры, киль, продольные переборки и т. п.
Расположению брусков, образующих положительный параметр a, соответствуют на судне горизонтальные стрелы или оси штурвалов.
Магнитное поле судна в точке О характеризуется продольным вектором индукции - аХ. Знак "минус" означает, что вектор силы аХ направлен к корме. Вектор индукции намагничивающего поля +Х имеет знак "плюс", т. к. он направлен от кормы к носу судна. Анализируя выражение отрицательной силы - аХ при положительном значении +Х, приходим к выводу, что параметр а в данной ситуации должен иметь знак "минус". Поскольку на рис. 2.1 представлена типичная схема расположения магнитного компаса на судне, можно сделать вывод: судовой параметр а всегда отрицательный (-а). Величина параметра а, так же как и других параметров Пуассона, зависит от места установки компаса, его удаленности от железных масс судна. Некоторые параметры Пуассона (а, с, е, k) имеют величину на уровне нескольких десятых или сотых долей единицы. Их можно считать множителями 1-го или 2-го порядка малости. Другие параметры (b, d, f, g, h) являются множителями 3-го порядка малости, т. к. их величины исчисляются тысячными долями. В некоторых случаях параметрами 3-го порядка малости можно пренебречь. Имеется мнемоническая схема для запоминания тех параметров и сил в уравнениях Пуассона, которые могут быть исключены ввиду их незначительности.
Напомню читателям, что анализируемый вопрос звучит следующим образом: можно ли продолжить плавание с компасом, у которого в результате удара молнии девиация увеличилась до величины 60°, если знать его поправку?
В первых двух частях мы рассмотрели магнитные свойства ферромагнентиков, изучили основные определения, а также вспомнили, что из себя представляет магнитное поле Земли.
Третьим участником процесса выработки курса с помощью магнитного компаса, кроме собственно компаса и магнитного поля Земли, является магнитное поле яхты. Вот об этом и поговорим в очередной части цикла «Магнитно-компасное дело. Краткий конспект».
Девиация
Сегодня подавляющее большинство яхт имеют на борту устройства и механизмы, изготовленные из тех или иных ферромагнетиков. Помимо «корабельного железа», свое магнитное поле создают все электрические приборы, которых с каждым годом становится все больше и больше на борту. Очевидно, что все эти источники магнитного поля искажают магнитное поле Земли, поэтому картушка компаса, установленного на яхте, показывает не магнитный, а свой, компасный меридиан. Думаю, уместным будет напомнить, что угол между магнитным и компасным меридианами называется девиацией .
Девиация магнитного компаса, установленного на судне, не является величиной постоянной, а изменяется в процессе плавания по ряду причин, в частности, при изменении курса судна и магнитной широты плавания. Все судовое железо в магнитном отношении может быть разделено на мягкое и твердое. Твердое железо, намагнитившись в процессе постройки судна, приобретает некий остаточный магнетизм и действует на картушку компаса с некоторой постоянной силой. При изменении судном курса эта сила вместе с судном изменяет свое направление относительно магнитного меридиана и поэтому на различных курсах вызывает неодинаковую по величине и знаку девиацию.
Мягкое в магнитном отношении судовое железо при изменении курса перемагничивается и действует на картушку переменной по величине и направлению силой, также вызывая неодинаковую девиацию. При изменении магнитной широты плавания изменяется напряженность магнитного поля Земли и намагниченность мягкого судового железа, что также вызывает изменения в девиации.
Таким образом, на картушку магнитного компаса, установленного на борту судна, действуют три силы: постоянное магнитное поле Земли, постоянное магнитное поле твердого судового железа и переменное магнитное поле мягкого судового железа. Взаимодействие этих полей создает некую суммарную напряженность магнитного поля. Стрелка магнитного компаса занимает положение вдоль вектора напряженности, и компасный меридиан может сильно отличаться от магнитного. И тут мы, наконец, подходим к ответу на поставленный в начале нашего конспекта, вопрос: что делать, если девиация магнитного компаса вдруг, «в результате попадания молнии» стала очень большой, например, более 60°. Нужно ли ее уничтожать или можно продолжить движение, определив поправку?
При большой величине девиации, т.е. при значительной величине напряженности магнитного поля судна, магнитное поле Земли может, на некоторых курсах, оказаться почти полностью компенсированным магнитным полем судна. В этом случае картушка компаса окажется в состоянии безразличного равновесия, и компас перестанет работать: на одних курсах картушка будет поворачиваться вместе с судном из-за одинакового приращения углов курса и девиации, на других направлениях чувствительный элемент будет увлекаться трением в опоре вследствие чрезмерного уменьшения направляющей силы.
Кроме того, забегая вперед, отметим, что при больших значениях девиации само ее определение становится затруднительно и неточно, так как процедура определения девиации предполагает, что судно ложится на тот или иной известный магнитный курс. При больших значениях девиации при изменении курса она быстро изменяет свою величину, и на точность определений начинают существенно сказываться даже небольшие ошибки в курсе, которые неизбежны.
Таким образом, однозначный ответ на поставленный вопрос – продолжать движение с компасом, имеющим большую девиацию опасно. Необходимо ее обязательно уничтожить, затем определить остаточные значения и только потом можно безопасно продолжать движение.
Суммарная напряженность магнитного поля судового железа в теории магнитно-компасного дела описывается уравнениями Пуассона. Из трех ее составляющих на величину девиации оказывают влияние два компонента – магнитное поле мягкого железа и магнитное поле твердого железа.
В магнитно-компасном деле силы, формирующие судовое магнитное поле и, соответственно, вызываемую ими девиацию, условно делят на постоянную, полукруговую и четвертную. Величина постоянной девиации не зависит от курса и не изменяется при перемене магнитной широты, собственно поэтому она и называется постоянной. Постоянная девиация вызывается влиянием продольного и поперечного мягкого судового железа.
Полукруговая девиация – это девиация, которая при перемене курса судна на 360⁰ дважды изменяет знак, принимая два раза нулевые значения. Полукруговая девиация вызывается магнитным полем от вертикального мягкого и любого твердого в магнитном отношении судового железа.
График полукруговой девиации
Четвертная девиация – девиация, которая при изменении курса судна изменяется по направлению в два раза быстрее, чем курс. При изменении курса от 0⁰ до 360⁰ девиация четыре раза меняет свой знак и столько же раз переходит через нулевое значение. Четвертную девиация вызывает магнитное поле от продольного и поперечного судового мягкого железа.
График четвертной девиации
Так как источником девиации является продольное и поперечное судовое железо, то уничтожение девиации осуществляется также с помощью продольных и поперечных магнитов-уничтожителей.
Из всех сил, вызывающих девиацию магнитного компаса, самой слабой являются силы, вызывающие постоянную девиацию. Ее величина, как правило не превышает 1⁰. Поэтому эту силу не компенсируют, а учитывают в виде поправки компаса.
Полукруговая девиация возникает под влиянием всего твердого и вертикального мягкого судового железа. Эти силы компенсируются при помощи продольных и поперечных магнитов — уничтожителей, устанавливаемых внутри нактоуза. Для того чтобы скомпенсировать ту или иную магнитную силу, необходимо приложить к картушке компаса противоположно направленное воздействие. Это достигается применением соответствующих компенсаторов. При уничтожении девиации руководствуются следующим правилом: силы, происходящие от твердого судового железа, нужно компенсировать с помощью постоянных магнитов, а силы от индуктивного магнетизма мягкого судового железа - с помощью элементов из мягкого ферромагнитного материала. Правильная установка компенсаторов - это и есть задача, которую требуется решать для уничтожения девиации.
Нактоуз современного магнитного компаса с компенсаторами и корректорами
Четвертная девиация возникает под влиянием только мягкого горизонтального судового железа. Силы, вызывающие четвертную девиацию доводят до минимальных значений с помощью компенсаторов четвертной девиации - брусков, пластин или шаров из мягкого ферромагнитного материала, устанавливаемых снаружи нактоуза, в его верхней части.
Следует отметить, что четвертная девиация более стабильна, чем полукруговая. Поэтому уничтожение четвертной девиации выполняют, как правило, один раз - сразу после постройки судна. В дальнейшем остаточная четвертная девиация практически не претерпевает заметных изменений в течение многих лет, чего нельзя сказать о полукруговой девиации.
Помимо четвертной и полукруговой девиации, при наклонах корпуса судна, т.е. при крене, дифференте или во время качки, возникает дополнительная погрешность магнитного компаса - креновая девиация. При бортовой качке или поперечном крене креновая девиация максимальна на курсах N и S. При продольном крене и килевой качке — соответственно на курсах E и W. Креновая девиация может достигать значений 3⁰ на каждый градус крена. Для ее уничтожения внутри нактоуза предусмотрен специальный компенсатор - креновый магнит. Он установлен вертикально, под котелком компаса.
Чтобы предотвратить нестабильность полукруговой девиации из-за перемены магнитной широты при плавании судна, компас снабжают еще одним устройством - широтным компенсатором. Это вертикальный стержень из мягкого ферромагнитного материала, устанавливаемый снаружи нактоуза. Он ликвидирует переменную (широтную) часть полукруговой девиации.
Любопытно, что этот широтный компенсатор называется флиндерсбаром (Flinders bar), — в честь английского мореплавателя и исследователя Австралии Мэтью Флиндерса (Matthew Flinders). Кстати, именно он назвал Австралию Австралией. Во время экспедиции в 1801 г. он, производя систематические определения склонения по двум компасам, обнаружил, что в Северном полушарии северный конец стрелки компасов притягивался неизвестной силой к носу корабля, а в южном полушарии - к корме.
Мэтью Флиндерс
Анализируя полученные результаты, Флиндерс пришел к выводу, что причиной девиации является судовое железо, которое с изменением широты меняло величину и полярность своего магнетизма под воздействием магнитного поля Земли. Поскольку большая часть судового железа заключалась в пиллерсах, т. е. вертикальных стойках, поддерживающих палубное перекрытие деревянного судна, знаменитый мореплаватель пришел к мысли уничтожить девиацию, помещая вблизи компаса вертикальный брусок железа, применяемый и до настоящего времени под наименованием флиндерсбара.
Flinders bar – вертикальная труба слева на нактоузе
Итак, мы получили научно обоснованный ответ на вопрос, который был поставлен Федором Дружининым. При больших значениях девиации – несколько десятков градусов, — без ее уничтожения магнитный компас использовать затруднительно, а порой и опасно, так как некомпенсированные силы, вызывающие девиацию, будут уравновешивать магнитное поле Земли так, что магнитный компас перестанет выполнять роль курсоуказателя.
Современные яхтенные магнитные компасы конструктивно несколько отличаются от классических приборов с высоким нактоузом и сложной системой компенсационных магнитов. Тем не менее, задача уничтожения девиации актуальна и для них.
Какие существуют способы уничтожения девиации, как уничтожить девиацию на яхтенном магнитном компасе, и еще о многом другом, я расскажу в следующий раз.
Продолжение следует…
Использованная литература: П.А. Нечаев, В.В. Григорьев «Магнитно-компасное дело» В.В. Воронов, Н.Н. Григорьев, А.В. Яловенко «Магнитные компасы» NATIONAL GEOSPATIAL-INTELLIGENCE AGENCY «HANDBOOK OF MAGNETIC COMPASS ADJUSTMENT»
