1. Podstawy teorii magnetyzmu 1.1 Pole magnetyczne i jego charakterystyka Pole magnetyczne przyciąga lub odpycha ciała namagnesowane. Siła oddziaływania F (przyciągania lub odpychania) dwóch biegunów magnetycznych dwóch różnych magnesów o wartości magnetyzmu m oraz m 1 może być obliczona zgodnie z prawem Colomba : F mm 4r 1 (1.1) gdzie: r odległość między współdziałającymi biegunami; - przenikalność magnetyczna środowisk wyrażona w henrach na metr. Przenikalność magnetyczna jest to wielkość określająca zdolność danego materiału (środowiska) do zmiany indukcji magnetycznej pod wpływem natężenia pola magnetycznego. Przenikalność magnetyczna bezwzględna próżni jest skalarem, który oznacza się symbolem μ 0 i którego wartość wynosi w układzie SI: gdzie - natężeniem pola magnetycznego. Między natężeniem pola magnetycznego a indukcją magnetyczną B zachodzi relacja: B Jeżeli jeden z ładunków, przykładowo m 1 jest równy jedności, to siła oddziaływania pomiędzy nimi nazywa się natężeniem pola magnetycznego, które jest najważniejszym elementem charakteryzującym pole magnetyczne: F m 1 (1.) Ze wzorów 1.1 a 1. można napisać:
Н m 4r Ten wzór określa natężenie pola magnetycznego w punkcie znajdującym się w odległości r od danego bieguna źródła pola magnetycznego. Magnes rzeczywisty ma dwa bieguny, a natężenie pola magnetycznego w dowolnym punkcie zależy od ich oddziaływania. Magnesy najczęściej mają formę cylindrycznej lub prostokątnej sztaby. Wzdłużna oś symetrii takiej sztaby żelaza jest główną osią symetrii wzdłuż której sztaba jest namagnesowana. Największe znaczenie na oddziaływanie magnetyczne od strony praktycznej ma wektor natężenia pola magnetycznego w kierunku wzdłużnej osi symetrii oraz w kierunku poprzecznej osi symetrii magnesu (rys. 1.1). Rys.1.1.Wektor natężenia pola magnetycznego w kierunku wzdłużnej i poprzecznej osi magnesu. Biegun magnesu z dodatnim ładunkiem m oraz biegun z ujemnym ładunkiem m oddziaływają w punkcie wzdłuż wzdłużnej osi magnesu z siłą Н 1: P1 1 m 1 1 40 r l / r l / (1.) Wzór 1. można przekształcić do wzoru: gdzie 1 M 1 4 r 1 l / r (1.4)
ml M 0 Wartość M przyjęto nazywać momentem magnetycznym magnesu. W kompasach morskich odległość kompasu do magnesów-kompensatorów jest wielokrotnie większa od długości magnesów. Uwzględniając tą nierówność ( r l) wzór 1.4 z dużą dokładnością można uprościć do postaci: 1 M 4 r (1.5) P Natężenie pola magnetycznego w kierunku poprzecznej osi magnesu w punkcie określa się w analogiczny sposób: M 1 4 r r (1.6) 1 ( l / ) / Uwzględniając że, wzór 1,6 z wysoką dokładnością można uprościć do postaci: r l (1.7) M 4 r Analiza równań 1.5 a 1.7 wskazuje, że natężenie pola magnetycznego w każdym punkcie głównej i poprzecznej osi magnesu prostoliniowo zależy od momentu magnetycznego М. Przy takiej samej odległości r natężenie pola na wzdłużnej osi jest w dwa razy większe niż na osi poprzecznej. Natężenie pola magnetycznego w kierunku jednej i drugiej osi zależy odwrotnie proporcjonalne do trzeciej potęgi odległości. Z tego wynika, że najbardziej efektywną metodą zmniejszenia wpływu oddziaływania żelaza okrętowego na kompas jest ustawienie kompasu jak najdalej od tego żelaza. 1.. Magnetyzm ziemski Wiadomo, że Ziemia jest ogromnym naturalnym magnesem. Bieguny Ziemi odchylone są od biegunów geograficznych.
Rys. 1. Pole magnetyczne Ziemi Współrzędne geograficzne północnego bieguna magnetycznego w dniu 01.01.005r. to: 0 0 8 07N; 114 04W. zaś współrzędne południowego bieguna magnetycznego w dniu 01.01.004r.to: 0 0 6 05S; 18 00E. W biegunach magnetycznych Ziemi spotykają się linie sił pola magnetycznego tak jak zachodzi to w zwykłych magnesach (rys.1.). Prosta styczna do linii sił pola magnetycznego wyznacza kierunek wektora natężenia Т pola magnetycznego Ziemi w danym jej punkcie. Zawieszona w sposób swobodny, zbalansowana igła magnetyczna ustawia się w kierunku tego wektora. Wektor natężenia T można rozłożyć na dwie składowe poziomą składową Н oraz pionową składową Z. Igła morskiego kompasu magnetycznego ustawia się w kierunku poziomej składowej magnetyzmu ziemskiego Н, wskazując kierunek południka magnetycznego. Wynika to z faktu podwieszenia igły na pływaku utrzymującym igłę w położeniu prostopadłym do kierunku działania pola grawitacyjnego. Kąt I pomiędzy wektorami Н a Т (rys. 1..) nazywa się kątem inklinacji lub znacznie rzadziej nazywany jest szerokością magnetyczną. Rys. 1. Elementy magnetyzmu Ziemskiego.
Punkty o zerowych kątach inklinacji tworzą równik magnetyczny. Punkty, w których kąt inklinacji I jest równy 90 0 nazywa się biegunami magnetycznymi. Najważniejsze zależności pomiędzy wektorami Н, Z a T mają postać: Z T cos I; Z T sin I; I arctg. Natężenie pola magnetycznego Ziemi można obliczyć ze wzoru: M Т R 1 sin m (1.8) gdzie: R promień Ziemi; - szerokość magnetyczna; m - moment magnetyczny Ziemi, jako magnesu. M Poziomą składową Н oraz pionową składową Z pola magnetycznego Ziemi można obliczyć ze wzorów: M cos R M Z sin R m m (1.9) Stosunek M k R jest wartością stalą dla całej kuli Ziemskiej. Średnia wartość współczynnika k jest równa 0,5. Na podstawie zależności 1.9 można obliczyć składowe, Z oraz kąt inklinacji I dla dowolnego punktu na powierzchni Ziemi. Reasumując: pole magnetyczne Ziemi charakteryzuje natężenie pola T. Wektor natężenia pola magnetycznego T tworzy z płaszczyzną poziomą kąt I, zwany inklinacją magnetyczną. Rzut wektora natężenia pola magnetycznego T na płaszczyznę poziomą nazywamy składową poziomą. Kierunek składowej poziomej tworzy z południkiem geograficznym kąt d, zwany deklinacją magnetyczną lub zboczeniem magnetycznym. Tak więc podstawowymi wielkościami charakteryzującymi pole magnetyczne Ziemi są: składowa pozioma wektora natężenia pola magnetycznego, inklinacja I oraz deklinacja d. Wartości oraz znaki deklinacji magnetycznej d są podane na mapach nawigacyjnych a nawigator uwzględnia je przy wykorzystaniu wskazań kompasu magnetycznego. Wartości
deklinacji d podaje się na rok wydania mapy. Obok podaje się informacja o rocznej zmianie deklinacji, która uwzględnia się przez nawigatorów. 1.. Zasady budowy kompasu magnetycznego Igła kompasu magnetycznego znajduje się w tarczy kompasowej zawieszonej swobodnie na pionowej osi. Tarcza kompasowa znajduje się pod wpływem działania momentu, który jest iloczynem siły magnetycznej oraz ramienia. m l sin Moment L jest momentem kierującym położeniem tarczy a jego wartość (rys.1.4) jest równa: L ml sin (1.10) Moment siły L wymusza ruch tarczy kompasowej, który się odbywa dopóki kąt pomiędzy wektorem Н a osią tarczy kompasowej jest równym zeru. Ustawienie się igły magnetycznej wzdłuż linii wektora (południka magnetycznego) powoduje równowagę tej igły. W tym położeniu kąt oraz ramię momentu sił l sin równe są zero. Igła kompasu magnetycznego wskazuje południk kompasowy, który daje kierunek odniesienia do odczytu kursów oraz namiarów kompasowych. Rys.1.4 Igła kompasu w polu magnetycznym. Czujnik kompasu magnetycznego przedstawionego na rys.1.5 zawiera sześć magnesów sztywno zamontowanych na pływaku kompasu. Sztywna konstrukcja złożona jest z magnesów o różnej długości i zaprojektowana jest tak, aby wpływ dewiacji wyższych rzędów mógł być maksymalnie skompensowany (wyeliminowany).
Na pływaku znajduje się wyskalowana w stopniach róża do odczytu wskazań kompasu. Pływak zawieszony jest na osi, która wsparta jest na łożysku. Kociołek kompasu napełniony jest płynem. Tarcza kompasowa ma małą ujemną pływalność i z tego powodu oś - szpilka opiera się na gładko szlifowanym łożysku z kamienia, zapewniając minimalny nacisk w punkcie oporu. W takich warunkach mały nacisk szpilki na kamień łożyska zapewnia minimalne tarcie w punkcie zawieszenia. Rys.1.5 Kociołek kompasu magnetycznego МК 145: 1 nadajnik indukcyjny; szyba; igły magnetyczne; 4 kompensator powietrzny; 5 ekran cylindryczny; 6 pływak; 7 oświetlenie; 8 szpilka; 9 szyba; 10 łożysko kamienne; 11 korpus wodoszczelny; 1 obudowa. Sposób ten zapewnia także centrowanie tarczy kompasowej, eliminując jej prostoliniowy ruch w płaszczyźnie poziomej oraz pionowej. Poruszanie się pływaka zanurzonego w płynie zapewnia także mały nacisk na łożysko a co za tym idzie małą siłę tarcia. Obserwację tarczy kompasu w warunkach nocnych zapewnia oświetlenie elektryczne. Oświetlenie to znajduje się nad górną szybą kompasu. Dolną część obudowy kociołka kompasu stanowi ciężar obniżający środek ciężkości poniżej punktu zawieszenia, co ułatwia balans kociołka podczas pracy statku na fali. Nadajnik indukcyjny wysyła sygnał elektryczny wskazań kursu kompasowego do bloku przekazu kursu. Przekaz kursu uzyskiwany jest przy pomocy repetytorów analogicznych do żyrokompasowych. Tarcza kompasowa w polu magnetycznym Ziemi zachowuje się jak element oscylacyjny. Oscylacje tarczy są tłumione za pomocą tarcia pomiędzy pływakiem a płynem w którym jest zanurzony. Skład chemiczny płynu kompasowego zapewnia pracę kompasu w warunkach mrozu arktycznego, a także skwaru tropikalnego, utrzymując jego czystość i przezroczystość. Kompensator powietrzny zapewnia kompensacją objętości płynu kompasowego przy zmianach jej temperatury, a tym samym chroni kociołek kompasu przed deformacjami i zapobiega jego uszkodzeniu. Kociołek kompasu jest umieszczony na zawieszeniu Kardana, które zapewnia utrzymanie kociołka w płaszczyźnie poziomej w warunkach kołysania.
Rys.1.6 Widok podstawy kompasu magnetycznego typu МК-145 z kompensatorami bezindukcyjnymi dewiacji ćwierćokrężnej i kompensatorami wpływu szerokości. Konstrukcja kociołka kompasu zapewnia jego wodoszczelność. Pojawienie się bąbelków powietrza pod szybą kompasu jest niedopuszczalne. W tych przypadkach trzeba uzupełnić płyn i sprawdzić wodoszczelność kociołka. Kompas magnetyczny jest przystosowany do instalacji namiernika. W podstawie kompasu znajdują się magnesy kompensacyjne. Przekazywanie wskazań kompasu do miejsca gdzie znajduje się sternik uzyskuje się poprzez zastosowanie pionowej rury z zestawem optycznym (peryskopu).. Pole magnetyczne statku.1. Zachowanie się metalów w polu magnetycznym Wszystkie metale ze względu na zachowanie się w polu magnetycznym można podzielić na trzy rodzaje: - Materiały diamagnetyczne, które mają (μ-przenikliwość magnetyczna 1 ; 0 materiału, χ podatność magnetyczna, przy czym ). Do takich materiałów zaliczają 1 się: złoto, srebro, miedź, cynk [1]. Nieznacznie osłabiają one pole magnetyczne. - Materiały paramagnetyczne, których. Do takich materiałów zaliczają się 1; 0 platyna, aluminium, chrom, molibden. Materiały paramagnetyczne nieznacznie wzmacniają pole magnetyczne.
- Materiały ferromagnetyczne, których. Do takich materiałów zaliczają się 1 ; 0 żelazo, kobalt, nikiel oraz ich stopy, a także rzadkie pierwiastki. Materiały ferromagnetyczne wydatnie wzmacniają pole magnetyczne. Żelazo okrętowe można podzielić na dwa rodzaje: żelazo magnetycznie twarde oraz magnetycznie miękkie w zależności od formy pętli histerezy. Opóźnienie zmiany indukcji B w stosunku do natężenia Н nazywa się zjawiskiem histerezy magnetycznej. Jeżeli ferromagnetyk umieścimy w polu magnetycznym i zaczniemy zwiększać natężenie pola Н, to wartość indukcji magnetycznej B w materiale będzie wzrastać do wartości B m., tak zwanej granicy nasycenia. Na rys..1 ten proces zobrazowany jest przy pomocy krzywej pomiędzy punktami (0, 1). Rys..1 Pętla histerezy. Zmniejszenie natężenia pola magnetycznego Н powoduje zmniejszenie wartości indukcji magnetycznej B. Ta zmiana zobrazowana jest na krzywej (punkty 1-). W punkcie przy Н=0 wartość indukcji magnetycznej В 0 nazywa się ostateczną indukcją magnetyczną. To oznacza, że ferromagnetyk nie powraca do stanu początkowego, a zachowuje namagnesowanie ostateczne. W celu usunięcia namagnesowania ostatecznego ferromagnetyka potrzebna jest zmiana znaku pola magnetycznego. Wartość natężenia pola C, przy której indukcja równa się zeru nazywana jest siłą koercytywna (siłą utrzymania). Przy dalszym wzrastaniu natężenia ferromagnetyk przemagnesuje się aż do stanu nasycenia. Dalsze zmiany natężenia pola magnetycznego (punkty 4,5,6,1) powodują zamykanie dolnej gałęzi pętli histerezy. Zależność indukcji magnetycznej B od natężenia Н ma charakter nieliniowy. Zjawisko histerezy znacznie wpływa na zmianą stanu magnetycznego statku przy zmianach kursu. Z tego powodu podczas manewrów wykonywanych w czasie procesu kompensacji dewiacji statek powinien płynąć nowym stałym kursem służącym do wykonania obserwacji nie krócej niż minuty. Pytania kontrolne: 1. Podaj zależność działania siły magnetycznej w funkcji odległości żelaza od kompasu magnetycznego.
. Co to jest kąt deklinacji magnetycznej?. Co to jest kąt inklinacji magnetycznej? 4. W jakim celu w kompasie wykorzystano płynne zawieszenie tarczy kompasowej? 5. Co to jest moment kierujący kompasu magnetycznego? 6. Omów budowę kompasu magnetycznego.