Магнітне поле судна. Основні характеристики земного та суднового магнітних полів. Рівняння Пуассона та А. Смітта. Суднові магнітні сили (СМС). Додаток. Репринтне відтворення витягу із суднового журналу шхуни «Св. Ганна"

Нагадаю читачам, що аналізоване питання звучить так: чи можна продовжити плавання з компасом, у якого в результаті удару блискавки девіація збільшилася до величини 60°, якщо знати його виправлення?

У перших двох частинах ми розглянули магнітні властивості феромагнентиків, вивчили основні визначення, а також згадали, що являє собою магнітне поле Землі.

Третім учасником процесу вироблення курсу за допомогою магнітного компасу, крім власне компаса та магнітного поля Землі, є магнітне поле яхти. Ось про це і поговоримо у черговій частині циклу «Магнітно-компасна справа. Короткий конспект».

Девіація

Сьогодні переважна більшість яхт мають на борту пристрої та механізми, виготовлені з тих чи інших феромагнетиків. Крім «корабельного заліза», своє магнітне поле створюють усі електричні прилади, яких з кожним роком стає дедалі більше на борту. Очевидно, що всі ці джерела магнітного поля спотворюють магнітне поле Землі, тому карту компаса, встановленого на яхті, показує не магнітний, а свій компасний меридіан. Думаю, доречним буде нагадати, що кут між магнітним та компасним меридіанами називається девіацією.

Девіація магнітного компаса, встановленого на судні, перестав бути величиною постійної, а змінюється у процесі плавання з низки причин, зокрема, при зміні курсу судна і магнітної широти плавання. Все суднове залізо магнітному відношенні може бути розділене на м'яке і тверде. Тверде залізо, намагнітившись у процесі будівництва судна, набуває якийсь залишковий магнетизм і діє картушку компаса з деякою постійної силою. При зміні судном курсу ця сила разом із судном змінює свій напрямок щодо магнітного меридіана і тому різних курсах викликає неоднакову за величиною і знаку девіацію.

М'яке в магнітному відношенні суднове залізо при зміні курсу перемагнічується і діє на карту змінної за величиною і напрямом силою, також викликаючи неоднакову девіацію. При зміні магнітної широти плавання змінюється напруженість магнітного поля Землі та намагніченість м'якого суднового заліза, що також викликає зміни у девіації.

Таким чином, на картушку магнітного компаса, встановленого на борту судна, діють три сили: постійне магнітне поле Землі, постійне магнітне поле твердого суднового заліза та змінне магнітне поле м'якого суднового заліза. Взаємодія цих полів створює певну сумарну напруженість магнітного поля. Стрілка магнітного компаса займає положення вздовж вектора напруженості, і меридіан компасний може сильно відрізнятися від магнітного. І тут ми, нарешті, підходимо до відповіді на поставлене на початку нашого конспекту питання: що робити, якщо девіація магнітного компасу раптом, «внаслідок влучення блискавки» стала дуже великою, наприклад, понад 60°. Чи потрібно її знищувати, чи можна продовжити рух, визначивши поправку?

За великої величини девіації, тобто. при значній величині напруженості магнітного поля судна магнітне поле Землі може, на деяких курсах, виявитися майже повністю компенсованим магнітним полем судна. У цьому випадку картка компаса виявиться в стані байдужої рівноваги, і компас перестане працювати: на одних курсах картка повертатиметься разом із судном через однакове прирощення кутів курсу та девіації, на інших напрямках чутливий елемент захоплюватиметься тертям в опорі внаслідок надмірного зменшення напрямної сили .

Крім того, забігаючи вперед, відзначимо, що при великих значеннях девіації саме її визначення стає складним і неточним, оскільки процедура визначення девіації передбачає, що судно лягає на той чи інший відомий магнітний курс. При великих значеннях девіації при зміні курсу вона швидко змінює свою величину, і точність визначень починають істотно позначатися навіть невеликі помилки у курсі, які неминучі.

Таким чином, однозначна відповідь на поставлене питання – продовжувати рух з компасом, що має велику девіацію, небезпечно. Необхідно її обов'язково знищити, потім визначити залишкові значення, і тільки потім можна безпечно продовжувати рух.

Сумарна напруженість магнітного поля суднового заліза теоретично магнітно-компасного відносини описується рівняннями Пуассона. З трьох її складових на величину девіації впливають два компоненти - магнітне поле м'якого заліза та магнітне поле твердого заліза.

У магнітно-компасній справі сили, що формують суднове магнітне поле і, відповідно, викликану ними девіацію, умовно поділяють на постійну, півколову та четверту. Величина постійної девіації не залежить від курсу і не змінюється при зміні магнітної широти, тому вона і називається постійною. Постійна девіація викликається впливом поздовжнього та поперечного м'якого суднового заліза.

Напівкругова девіація – це девіація, яка при зміні курсу судна на 360⁰ двічі змінює знак, приймаючи двічі нульові значення. Напівкругова девіація викликається магнітним полем від вертикального м'якого та будь-якого твердого в магнітному відношенні суднового заліза.

Графік напівкругової девіації

Четвертна девіація - девіація, яка при зміні курсу судна змінюється за напрямом у два рази швидше, ніж курс. При зміні курсу від 0⁰ до 360⁰ девіація чотири рази змінює свій знак і стільки разів переходить через нульове значення. Четверту девіацію викликає магнітне поле від поздовжнього та поперечного суднового м'якого заліза.

Графік четвертої девіації

Так як джерелом девіації є поздовжнє та поперечне суднове залізо, то знищення девіації здійснюється також за допомогою поздовжніх та поперечних магнітів-знищувачів.

З усіх сил, що викликають девіацію магнітного компасу, найслабкішою є сили, що викликають постійну девіацію. Її величина зазвичай не перевищує 1⁰. Тому цю силу не компенсують, а враховують як поправки компаса.

Напівкругова девіація виникає під впливом всього твердого та вертикального м'якого суднового заліза. Ці сили компенсуються за допомогою поздовжніх та поперечних магнітів – знищувачів, які встановлюються всередині нактоузу. Для того, щоб компенсувати ту чи іншу магнітну силу, необхідно прикласти до картушки компаса протилежно спрямовану дію. Це досягається застосуванням відповідних компенсаторів. При знищенні девіації керуються наступним правилом: сили, що походять від твердого суднового заліза, потрібно компенсувати за допомогою постійних магнітів, а сили від індуктивного магнетизму м'якого суднового заліза – за допомогою елементів з м'якого феромагнітного матеріалу. Правильне встановлення компенсаторів - це і є завдання, яке потрібно вирішувати для знищення девіації.

Нактоуз сучасного магнітного компасу з компенсаторами та коректорами

Четверта девіація виникає під впливом лише м'якого горизонтального суднового заліза. Сили, що викликають четвертну девіацію, доводять до мінімальних значень за допомогою компенсаторів четвертої девіації - брусків, пластин або куль з м'якого феромагнітного матеріалу, що встановлюються зовні нактоуза, у його верхній частині.

Слід зазначити, що четверта девіація стабільніша, ніж півкола. Тому знищення четвертої девіації виконують, як правило, один раз – одразу після побудови судна. Надалі залишкова четвертна девіація практично не зазнає помітних змін протягом багатьох років, чого не можна сказати про півколову девіацію.

Крім четвертної і півкола девіації, при нахилах корпусу судна, тобто. при крені, диферент або під час качки, виникає додаткова похибка магнітного компаса - кренова девіація. При бортовій качці або поперечному крені кренова девіація максимальна на курсах N і S. При поздовжньому крені та кільовій качці відповідно на курсах E і W. Крінова девіація може досягати значень 3⁰ на кожен градус крену. Для її знищення всередині нактоуза передбачено спеціальний компенсатор - креновий магніт. Він встановлений вертикально, під котелком компаса.

Щоб запобігти нестабільності напівкругової девіації через зміну магнітної широти при плаванні судна, компас постачають ще одним пристроєм - широтним компенсатором. Це вертикальний стрижень з м'якого феромагнітного матеріалу, що встановлюється назовні нактоуза. Він ліквідує змінну (широтну) частину напівкругової девіації.

Цікаво, що цей широтний компенсатор називається фліндерсбаром (Flinders bar) — на честь англійського мореплавця та дослідника Австралії Метью Фліндерса (Matthew Flinders). До речі, саме він назвав Австралію Австралією. Під час експедиції в 1801 р. він, виробляючи систематичні визначення відмінювання по двох компасах, виявив, що в Північній півкулі північний кінець стрілки компасів притягувався невідомою силою до носа корабля, а в південній півкулі - до корми.

Метью Фліндерс

Аналізуючи отримані результати, Фліндерс дійшов висновку, що причиною девіації є суднове залізо, яке зі зміною широти змінювало величину та полярність свого магнетизму під впливом магнітного поля Землі. Оскільки більшість суднового заліза полягала в піллерсах, тобто вертикальних стійках, що підтримують палубне перекриття дерев'яного судна, знаменитий мореплавець прийшов до думки знищити девіацію, поміщаючи поблизу компаса вертикальний брусок заліза, що застосовується і досі під найменуванням фліндерсбара.

Flinders bar – вертикальна труба зліва на нактоузі

Отже, ми отримали науково обґрунтовану відповідь на запитання, яке було поставлене Федором Дружиніним. При великих значеннях девіації - кілька десятків градусів, - без її знищення магнітний компас використовувати важко, а часом і небезпечно, оскільки некомпенсовані сили, що викликають девіацію, врівноважуватимуть магнітне поле Землі так, що магнітний компас перестане виконувати роль курсовказівника.

Сучасні яхтові магнітні компаси конструктивно дещо відрізняються від класичних приладів із високим нактоузом та складною системою компенсаційних магнітів. Проте, завдання знищення девіації є актуальним і для них.

Які існують способи знищення девіації, як знищити девіацію на яхтовому магнітному компасі, і ще багато іншого, я розповім наступного разу.

Далі буде…

Використана література: П.А. Нечаєв, В.В. Григор'єв «Магнітно-компасна справа» В.В. Воронов, Н.М. Григор'єв, А.В. Яловенко "Магнітні компаси" NATIONAL GEOSPATIAL-INTELLIGENCE AGENCY "HANDBOOK OF MAGNETIC COMPASS ADJUSTMENT"

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

На всіх морських суднах встановлюються магнітні компаси. Основна перевага - їх високий рівень автономності та надійність при простоті пристрою. Головний недолік – невисока точність визначення напрямків. Джерелами похибок є: неточне знання магнітного відмінювання, девіації, інерційність та недостатня чутливість системи магнітних стрілок до магнітного поля Землі. Особливо похибки зростають при хитавиці.

Зазвичай на судні встановлюються два магнітні компаси - головний(ГМК) для визначення місця судна та колійний(ПМК) – для управління судном. ГМК встановлюється в ДП зазвичай на верхньому містку в місці найкращої захищеності від впливу суднового магнітного поля, ПМК встановлюється в рульовій рубці. Часто замість двох магнітних компасів на судні встановлюється один компас на верхньому містку, але має оптичну передачу показань рульову рубку.

Надійність визначення напрямів магнітного компасу багато в чому залежить від точності знання його девіації.

Велика девіація призводить до того, що магнітний компас перестає реагувати на магнітне поле Землі і по суті вже не курсовказівник. Тому девіація магнітного компасу має компенсуватися шляхом створення штучного магнітного поля. Цей процес називається знищенням девіації. За нормальних умов плавання знищення девіації магнітного компаса провадиться не рідше одного разу на рік спеціальними способами, що вивчаються в курсі девіації. Девіація, що залишилася після знищення, називається залишковою девіацією; вона повинна визначатися судноводітелями і не повинна бути більше 3° у головного та 5° у колійного компасу. Визначення залишкової девіації має проводитися:

1) після кожного знищення девіації,

2) після ремонту, докування, розмагнічування судна;

3) після навантаження та вивантаження вантажів, що змінюють магнітне поле судна;

4) при значній зміні магнітної широти;

5) при розбіжності фактичної девіації з табличною більш як на 2°.

Сутність визначення залишкової девіації полягає у порівнянні виміряного компасного пеленгу з відомим магнітним пеленгом того ж орієнтиру:

Оскільки девіація залежить від курсу судна, її визначають на 8 рівновіддалених основних і четвертних компасних курсах. Після цього кожному магнітного компаса розраховується своя таблиця девіації через 10° компасного курсу. Приклад таблиці залишкової девіації показано у табл. 1.2.

Таблиця 1.2.

Визначення залишкової девіації провадиться двома спостерігачами. Необхідно мати на увазі, що після кожного повороту картка магнітного компаса приходить у меридіан через 3-5 хвилин і тому використовувати компас у цей час не можна.

Розглянемо основні методи визначення залишкової девіації.

1. По створу(Рис. 1.26).

Це найточніший метод. Деякі порти мають навіть спеціальні девіаційні створи. Судно перетинає площину кожним з 8 головних і четвертних компасних курсів і в момент перетину створу судноводій вимірює компасний пеленг цього стула. Магнітний пеленг розраховується за формулою (1.17) МП = ІП-d. ІП знімається з карти, d також визначається картою і наводиться до року плавання.

Магнітне поле Землі можна знайти за допомогою магнітної стрілки. Якщо стрілку підвісити так, щоб вона могла вільно обертатися в горизонтальній і вертикальній площині, то в кожній точці земної поверхні вона під впливом магнітних сил прагне прийняти певне положення в просторі. Магнітне поле Землі існує на поверхні, під землею та в космосі. Магнітне поле землі викликається процесами всередині її кори та в космічному просторі і тісно пов'язане з діяльністю Сонця.

Напруженість магнітного поля Землі загалом дорівнює 40 А/м.

Взагалі магнітне поле Землі є неоднорідним, але в обмеженому просторі судна його можна вважати однорідним.

Розкладемо напруженість, як вектор, на окремі складові, що одержали назву елементів земного магнетизму. До них відносяться горизонтальна складова напруженості магнітного поля Землі. H, вертикальна складова Zта магнітне відмінювання d– горизонтальний кут, утворений напрямом справжнього меридіана ONта складовою Hщо лежить у площині магнітного меридіана. Крім цих елементів, вектор напруженості магнітного поля входить магнітне нахилення I– вертикальний кут між горизонтальною площиною та напрямом вектора земного магнетизму.

З малюнка можна встановити такий зв'язок між елементами земного магнетизму:

Якщо потрібно визначити проекції вектора земного магнетизму на напрям істинного меридіана або першого вертикалу, то можна скористатися такими рівностями

Лінії, що з'єднують рівні значення HіZ називаються ізодини (лінії рівної напруженості). Ізолінії магнітного відмінювання – ізогони, ізолінії магнітного способу – ізокліни. Такі лінії завдані на спеціальній карті земного магнетизму. Ізокліни нульового способу утворюють магнітний екватор.

Розкладемо вектор земного магнетизму на суднові осі координат:

Проекції напруженості магнітного поля землі на суднові осі:

Горизонтальна складова, яка визначає роботу магнітного компаса, змінюється в різних місцях земної кулі від нуля (на магнітних полюсах) до 32 А/м у південного краю Азії. Зменшення цієї складової відбувається в напрямку від екватора до полюсів.

Вертикальна складова напруженості магнітного поля Землі змінюється від нуля (на магнітному екваторі) до 56 А/м у полярних районах.

Тема 3 (2:00) магнітне поле судна. Рівняння пуассона та їх аналіз.

Корпус судна, його двигун, суднові механізми виготовлені з матеріалів, які мають деяку залишкову намагніченість. Крім придбаної під час будівництва залишкової постійної намагніченості, корпус судна та його механізми не втратили здатності намагнічуватись у магнітному полі Землі, яке постійно впливає на судно. Таким чином, у судновому залозі можна виділити дві складові: тверда намагнічується в період будівництва та залишається постійною, м'яка складова намагнічується у магнітному полі Землі. Постійний судновий магнетизм і намагнічування м'якого суднового заліза впливають будь-який магнітний прилад на судні. У цьому випадку прийнято говорити, що в просторі, що оточує судно, діє судове магнітне поле.

Судно з усім його обладнанням є тілом дуже складної форми, тому важко розраховувати на те, що воно однорідно намагнічується. Однак намагнічування судна при будівництві та в наступні періоди його плавання відбувається у слабкому магнітному полі Землі, до того ж магнітна сприйнятливість судна як єдиного цілого невелика. Тому неоднорідність його намагнічування виявляється незначною, нею можна знехтувати і виходити із середнього значення намагніченості для всього судна загалом.

Отже, можна скористатися теоремою Пуассон про однорідне намагнічування тіл.

Теорема Пуассона формулюється так: магнітний потенціал Uоднорідно намагніченого тіла дорівнює взятому зі знаком мінус скалярному добутку вектора намагніченості тіла на градієнт потенціалу сили тяжіння , створеного масою даного тіла:

де: -
- складові намагніченості судна за судновими осями

- похідні величини за цими осями, пропорційні потенціалу тяжіння, викликаного масою судна.

Щоб перейти від потенціалу до проекцій напруженості магнітного поля на суднові осі, продиференціюємо (16) змінними x, y, z , де J- Постійна величина:

Вектор намагніченості тіла виражається формулою (16). Розкладемо його на складові суднових осях:

де: X, Y, Z - проекції на ці осі поля, що намагнічує – магнітного моля Землі.

Підставимо ці значення до попередніх трьох рівнянь:

Розкриємо дужки в кожному з цих рівнянь та введемо позначення

Полбхуясь цими позначеннями, можна записати так:

Ці рівняння виражають проекції напруженості магнітного поля судна в точці О (див рис). Якщо точці Про знаходиться компас, він покаже як судновий магнетизм, а й вплив магнітного поля Землі. Складемо алгебраїчної проекції напруженостей полів судна та Землі, щоб висловити спільну дію їх:

де зі штрихом – проекції на суднові осі сумарного магнітного поля, без штриха – проекції ті самі осі магнітного поля Землі, з нуликом – проекції напруженості магнітного поля судна. Звідси:

Ці рівняння одержали назву рівнянь Пуассона, оскільки вони були виведені на підставі теореми Пуассона про однорідне намагнічування тіл.

a, b, c,… k- Параметри Пуассона. Вони характеризують м'яке залізо: його магнітні якості, форму і розміри, розташування щодо центру компаса.

доданки P, Q, Rвиражають магнітне поле постійного суднового магнетизму, обумовленого дією твердого заліза.

Всі ці величини практично не змінюються для компаса і при даному магнітному стані судна. Якщо судні зробити переміщення великих мас заліза щодо компаса чи перемістити сам компас, ці величини зміняться.

Курс судна не впливає на ці величини, магнітна широта дуже позначається лише на параметри Пуассона. Струс судна, завантаження судна позначаються його магнітному стані.

Девіація магнітного компасу. Виправлення та переклад румбів

Металевий корпус судна, різні металеві вироби, двигуни є причиною відхилення магнітної стрілки компаса від магнітного меридіана, тобто від напрямку, яким повинна розташуватися магнітна стрілка на суші. Магнітні силові лінії землі, перетинаючи суднове залізо, перетворюють його на магніти. Останні створюють власне магнітне поле, під впливом якого магнітна стрілка на судні отримує додаткове відхилення від напряму магнітного меридіана.

Відхилення стрілки під впливом магнітних сил суднового заліза називається девіацією компаса. Кут, укладений між північною частиною магнітного меридіана Nm і північною частиною компасного меридіана Nk називається девіацією магнітного компаса (бетта) (рис. 44).

Девіація може бути як позитивною - східною, або остовою, так і негативною - західною, або вістовою. Девіація - величина змінна і змінюється залежно від широти і курсу судна, оскільки намагніченість суднового заліза залежить від розташування відносно магнітних силових ліній землі.

Для розрахунку магнітного курсу МК необхідно до величини компасного курсу КК додати алгебраїчно величину девіації 6 на даному курсі:

Кк+(+-(бетта)) = МК

Або МК-(+ - (бетта)) = КК.

Наприклад, компасний курс КК дорівнює 80°, причому девіація магнітного компаса (бетта) = 20° зі знаком плюс. Тоді за формулою знаходимо:

МК = КК + (+-(бетта)) = 80 ° + (+ 20 °) = 100 °.

Якщо власне магнітне поле судна велике, то компасом користуватися важко, інколи ж він взагалі перестає працювати. Тому девіацію необхідно спочатку знищити за допомогою компенсаційних магнітів, розташованих у поктоузі компаса, і брусків м'якого заліза, що встановлюються безпосередньо поблизу компаса.

Після знищення девіації приступають до визначення залишкової девіації різних курсах судна. Знищення та визначення залишкової девіації та складання девіаційної таблиці для даного компасу провадиться фахівцем-девіатором на спеціально обладнаному створними знаками девіаційному полігоні. Девіація вважається знищеною цілком задовільно, якщо її величина всіх курсах вбирається у +4°.

44 . Виправлення та переклад румбів

Як уже говорилося, на картах необхідно прокладати справжні курси та пеленги. Для отримання істинних курсів і пеленгів потрібно в показання компаса, встановленого на судні, внести певну поправку, оскільки він показує компасний курс та компасні пеленги. Поправкою компаса (дельта) називається кут, укладений між північною частиною істинного меридіана N і і північною частиною компасного меридіана Nк. Поправка компаса (дельта) до дорівнює сумі алгебри девіації (бетта) і відмінювання d, тобто:

(Дела) до = (+-бетта) + (+-d)

Звідси випливає, що для отримання справжніх величин необхідно до компасних величин додати поправку компаса з її знаком:

ІЧ = КК + (+ -(дельта) до)

Або КК = ІЧ-(+ (дельта) до).

На рис. 43 показаний перехід від МК до КК через відмінювання.

На рис. 44 показано взаємозв'язок між усіма величинами, яких залежить правильне визначення істинних напрямів у море. Кути, утворені лініями NK, Nu, Nn та лініями курсу та пеленгу, носять такі найменування:

Компасний курс К - кут між лінією компасного меридіана NK і лінією курсу.

Компасний пеленг КП - кут між лінією компасного меридіана NK та лінією пеленгу.

Магнітний курс МК – кут між магнітним меридіаном NM та лінією курсу.

Магнітний пеленг МП - кут між лінією магнітного меридіана NM та лінією пеленгу.

Істинний курс І К - кут між лінією істинного меридіана Na та лінією курсу.

Істинний пеленг ІП - кут між лінією істинного меридіана та лінією пеленгу.

Девіація (бетта) – кут між лінією компасного меридіана NK та лінією магнітного меридіана NM.

Відмінювання d - кут між лінією магнітного меридіана NM та лінією істинного меридіана Nu.

Виправлення компаса (дельта) до - кут між лінією істинного меридіана N" і лінією компасного меридіана N K.

Існує мнемонічне правило, яке допомагає судноводію правильно оперувати величинами істинних магнітних та компасних напрямків. Для виконання цього правила необхідно запам'ятати послідовність: ІЧ-d-МК-(бетта)-КК. Якщо з ІЧ алгебраїчно відняти відмінювання d, то отримаємо поруч стоїть праворуч від ІЧ величину МК; якщо з МК віднімемо алгебраїчну девіацію (бетта), то отримаємо поруч величину КК, що стоїть праворуч від МК. Якщо ми з ІЧ алгебраїчно віднімемо обидві стоячі вправо від ІЧ величини d - відмінювання (бетта)-девіацію, то отримаємо КК. За умови, що у нас є компасний курс і потрібно отримати МК, робимо зворотні дії: до компасного курсу КК додаємо девіацію 6, що алгебраїчно стоїть від нього, і отримуємо магнітні курс МК. Якщо до магнітного курсу алгебраїчно додати відмінювання d, що стоїть ліворуч від магнітного курсу, то отримаємо істинний курс ІЧ. і, нарешті, якщо до компасного курсу алгебраїчно додати девіацію (бетта) і відмінювання d, що представляють не що інше, як виправлення компаса ДК, то отримаємо істинний курс - ІЧ.

Судновод-любитель при розрахунках і роботі на карті користується тільки справжніми значеннями курсів, пеленгів і курсових кутів, а магнітні компаси дають лише їх компасне значення, тому йому доводиться робити обчислення за наведеними вище формулами. Перехід від відомих компасних та магнітних величин до невідомих істинних називається виправленням румбів. Перехід від відомих істинних величин до невідомих компасних та магнітних називається перекладом румбів.