ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ , отдел геофизики, изучающий магнитное поле земли. Пусть напряженность магнитного поля в данной точке изображается вектором F (фиг. 1). Вертикальная плоскость, содержащая этот вектор, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол D, заключенный между плоскостями географического и магнитного меридианов, носит название склонения. Различают склонения восточное и западное. Принято отмечать восточные склонения знаком плюс, западные - знаком минус. Угол I, образованный вектором F с плоскостью горизонта, называется наклонением. Проекция Н вектора F на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей, а проекция Z на вертикальную прямую обозначается термином вертикальная составляющая.

Основными приборами для измерения элементов земного магнетизма являются в настоящее время магнитный теодолит и различные системы инклинаторов. Назначение магнитного теодолита - измерение горизонтальной составляющей магнитного поля и склонения. Горизонтально расположенный магнит, могущий вращаться около вертикальной оси, устанавливается под действием магнитного поля земли своей осью в плоскости магнитного меридиана. Если его вывести из этого положения равновесия и предоставить затем самому себе, то он начнет совершать колебания около плоскости магнитного меридиана с периодом Т, определяемым формулой:

где К - момент инерции колеблющейся системы (магнит и оправа) и М - магнитный момент магнита. Определив из специальных наблюдений величину К, можно по наблюденному периоду Т найти значение произведения МН. Затем помещают магнит, период колебания которого определен, на некотором расстоянии от другого, вспомогательного магнита, тоже имеющего возможность вращаться около вертикальной оси, и ориентируют первый магнит так, чтобы центр второго магнита оказался на продолжении магнитной оси первого. В таком случае на вспомогательный магнит будет кроме Н действовать и поле магнита М, которое м. б. найдено по формуле:

где В - расстояние между центрами обоих магнитов, а, b,... - некоторые постоянные. Магнит выйдет из плоскости магнитного меридиана и станет по направлению равнодействующей этих двух сил. Не изменяя относительного расположения частей установки, находят такое положение отклоняющего магнита, при котором названная равнодействующая будет перпендикулярна к нему (фиг. 2). Измеряя для этого случая угол отклонения v, можно из соотношения sin v = f/Hнайти значение отношения Из полученных значений МН и H/M определяют горизонтальную слагающую Н. В теории земного магнетизма имеет распространение единица, обозначаемая символом γ, равная 0,00001 гаусса. Магнитный теодолит можно применять в качестве деклинатора, прибора для измерения склонения. Совмещая визирную плоскость с направлением магнитной оси подвешенного на нити магнита, приводят ее в совпадение с плоскостью магнитного меридиана. Чтобы получить отсчет на круге, соответствующем наведению визирного приспособления на географический север, достаточно сделать наведение на какой-либо объект, истинный азимут которого известен. Разность отсчетов географического и магнитного меридианов и дает величину склонения.

Инклинатор - прибор для измерения I. Современная магнитометрия имеет два типа приборов для измерения наклонения - инклинаторы стрелочный и индукционный . Первый прибор имеет магнитную стрелку, вращающуюся около горизонтальной оси, помещенной в центре вертикального лимба. Плоскость движения стрелки совмещается с плоскостью магнитного меридиана; в таком случае в идеальных условиях магнитная ось стрелки в положении равновесия совпадет с направлением магнитного напряжения в данном пункте, и угол между направлением магнитной оси стрелки и горизонтальной линией даст величину I. В основу конструкции индукционного инклинатора (земного индуктора ) положено явление индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле. Существенной особенностью прибора является катушка, вращаемая около одного из своих диаметров. При вращении такой катушки в магнитном поле земли в ней не появляется ЭДС лишь в том случае, когда ее ось вращения совпадает с направлением поля. Это положение оси, отмечаемое отсутствием тока в гальванометре, на который замкнута катушка, отсчитывается на вертикальном круге. Угол между направлением оси вращения катушки и горизонтом будет углом наклонения.

Упомянутые выше приборы являются в настоящее время наиболее распространенными. Следует упомянуть особо о магнитном теодолите Оглоблинского, определяющем значение H/M методом компенсации Н полем магнита, для которого определяется период колебания.

В последнее время начинают применяться т.н. электрические методы измерения Н, при которых отклонения производятся не с помощью отклоняющего магнита, а с помощью магнитного поля катушек. Для достижения той точности, которая требуется от магнитных измерений (0,2-0,02 % полного напряжения), рабочий ток сравнивается с током от нормальных элементов (компенсирование по методу потенциометра).

Измерения, сделанные в различных пунктах земной поверхности, показывают, что магнитное поле меняется от пункта к пункту. В этих изменениях можно заметить некоторые закономерности, характер которых лучше всего уясняется из рассмотрения т. н. магнитных карт (фиг. 3 и 4).

Если нанести на топографической основе линии, соединяющие точки равных значений какого-либо элемента земного магнетизма, то такая карта представит наглядную картину распределения этого элемента на местности. Соответственно различным элементам земного магнетизма имеются карты с различными системами изолиний. Эти изолинии носят специальные названия, смотря по тому, какой элемент они изображают. Так, линии, соединяющие точки равных склонений, носят название изогон (линия нулевых склонений получила название агонической линии), линии равных наклонений - изоклин и линии равных напряжений - изодинам . Различают изодинамы горизонтальной, вертикальной составляющей и т. д. Если построить такие карты для всей поверхности земного шара, то на них можно заметить следующие особенности. В экваториальных областях наблюдаются наибольшие значения горизонтальной силы (до 0,39 гаусса); по направлению к полюсам горизонтальная составляющая убывает. Противоположный характер изменений имеет место для вертикальной составляющей. Линия нулевых значений вертикальной составляющей называется магнитным экватором . Точки с нулевыми значениями горизонтальной силы называются магнитными полюсами земли. Они не совпадают с географическими и имеют координаты: северный магнитный полюс - 70,5° с. ш. и 96,0° з. д. (1922 г.), южный магнитный полюс - 71,2° ю. ш. и 151,0° в. д. (1912 г.). В магнитных полюсах земли пересекаются все изогоны.

Детальное исследование магнитного поля земли обнаруживает, что изолинии идут далеко не так плавно, как это дается общей картиной. На каждой такой кривой имеют место искривления, нарушающие плавный ход ее. В некоторых областях эти искривления достигают настолько крупных значений, что приходится данный участок выделить в магнитном отношении из общей картины. Такие районы носят название аномальных, и в них можно наблюдать значения магнитных элементов, во много раз превышающие нормальное поле. Исследование магнитных аномалий выяснило их тесную связь с геологической структурой верхних частей земной коры, гл. обр. в отношении содержания в них магнитных минералов, и вызвало к жизни особую отрасль магнитометрии, имеющую прикладное значение и ставящую своей задачей применение магнитометрии, измерений к горной разведке. Такие аномальные районы, имеющие уже в настоящее время большое промышленное значение, находятся на Урале, в Курском округе, в Кривом Роге, в Швеции, в Финляндии и в др. местах. Для исследования магнитного поля таких областей разработана специальная аппаратура (магнитометр Тиберга-Талена, локальвариометры и т. д.), позволяющая быстро получить нужные результаты измерений. Изучение магнитного поля земли в каком-либо одном пункте обнаруживает факт изменений этого поля с течением времени. Детальное исследование этих временных вариаций элементов земного магнетизма привело к установлению их связи с жизнью земного шара в целом. В вариациях находят свое отражение вращение земли около оси, движение земли по отношению к солнцу и еще целый ряд явлений космического порядка. Изучение вариаций ведется специальными магнитными обсерваториями, снабженными, кроме точных приборов для измерений элементов магнитного поля земли, еще специальными установками для непрерывной записи временных изменений магнитных элементов. Такие приборы носят название вариометров , или магнитографов , и служат обычно для записи вариаций D, Н и Z. Прибор для записи вариаций склонения (вариометр D , или унифиляр ) имеет магнит с прикрепленным к нему зеркальцем, свободно висящий на тонкой нити. Вариации склонения, заключающиеся в поворотах плоскости магнитного меридиана, заставляют подвешенный таким способом магнит поворачиваться. Брошенный из специального осветителя луч, отразившись от зеркальца магнита, дает перемещающееся световое пятно, которое оставляет след в виде кривой на светочувствительной бумаге, навернутой на вращающийся барабан или опускающейся вертикально. Линия, прочерченная лучом, отраженным от неподвижного зеркальца, и отметки времени позволяют по полученной магнитограмме найти изменение D для любого момента времени. Если закручивать нить, вращая верхнюю точку ее прикрепления, то магнит выйдет из плоскости магнитного меридиана; надлежащим закручиванием можно поставить его в положение, перпендикулярное первоначальному. В новом положении равновесия на магнит, с одной стороны, будет действовать Н, с другой - момент закрученной нити. Всякое изменение горизонтальной слагающей вызовет изменение положения равновесия магнита, и такой прибор будет отмечать вариации горизонтальной составляющей (вариометр Н , или бифиляр , если магнит подвешен на двух параллельных нитях). Запись этих вариаций ведется таким же образом, как и запись изменений склонения. Наконец, третий прибор, служащий для записи вариаций вертикальной составляющей (весы Ллойда , вариометр Z ), имеет магнит, колеблющийся, подобно коромыслу весов, около горизонтальной оси. Надлежащим перемещением центра тяжести с помощью передвижного грузика магнит этого прибора приводят в положение, близкое к горизонтальному, и устанавливают обычно так, чтобы плоскость движений магнита была направлена перпендикулярно плоскости магнитного меридиана. В таком случае положение равновесия магнита определяется действием Z и веса системы. Изменение первой величины вызовет некоторый наклон магнита, пропорциональный изменению вертикальной составляющей. Эти изменения наклона регистрируются, подобно предыдущему, фотографическим путем и дают материал для суждений о вариациях вертикальной составляющей.

Если подвергнуть кривые, записанные магнитографами (магнитограммы ), анализу, можно найти на них целый ряд особенностей, из которых прежде всего бросится в глаза отчетливо выраженный суточный ход. Положение максимумов и минимумов суточного хода, а равно и их значения изо дня в день меняются в небольших пределах, и поэтому для характеристики суточного хода составляются некоторые средние кривые за какой-либо интервал времени. На фиг. 5 даны кривые изменения D, H и Z для обсерватории в Слуцке за сентябрь 1927 г., на которых хорошо заметен суточный ход элементов.

Наиболее наглядным способом изображения вариаций является т. н. векторная диаграмма , представляющая движение конца вектора F с течением времени. Две проекции векторной диаграммы на плоскости yz и ху даны на фиг. 6. Из этой фиг. видно, как отражается на характере суточного хода время года: в зимние месяцы колебания магнитных элементов значительно меньше, чем в летние.

Кроме вариаций, обусловленных суточным ходом, на магнитограммах иногда замечаются резкие изменения, достигающие нередко весьма больших значений. Такие резкие изменения магнитных элементов сопровождаются рядом других явлений, как то: полярных сияний в арктических областях, появлением индуцированных токов в телеграфных и телефонных линиях, и т. д., и называются магнитными бурями . Между вариациями, обусловленными нормальным ходом, и вариациями, вызванными бурями, существует коренное различие. В то время как нормальные изменения протекают для каждого пункта наблюдений по местному времени, вариации, причиной которых являются бури, протекают одновременно для всего земного шара. Это обстоятельство указывает на различную природу вариаций обоих типов.

Стремление объяснить наблюдаемое наземной поверхности распределение элементов земного магнетизма привело Гаусса к построению математической теории геомагнетизма. Изучение элементов земного магнетизма со времени первых геомагнитных измерений обнаружило существование т. н. векового хода элементов, и дальнейшее развитие теории Гаусса заключало среди прочих задач и учет этих вековых вариаций. В результате работ Петерсона, Неймайера и других исследователей имеется теперь формула для потенциала, учитывающая и этот вековой ход.

Среди гипотез, предложенных для объяснений суточного и годового хода геомагнитных элементов, надо отметить гипотезу, предложенную Бальфур-Стюартом и развитую Шустером. По мысли этих исследователей, в высоких электропроводящих слоях атмосферы под термическим действием солнечных лучей возникают перемещения газовых масс. Магнитным полем земли в этих движущихся проводящих массах индуцируются электрические токи, магнитное поле которых и проявляется в виде суточных вариаций. Эта теория хорошо объясняет уменьшение амплитуды вариаций в зимние месяцы и выясняет превалирующую роль местного времени. Что касается магнитных бурь, то ближайшее исследование показало их тесную связь с деятельностью солнца. Выяснение этой связи привело к следующей общепризнанной в настоящее время теории магнитных возмущений. Солнце в моменты наиболее интенсивной своей деятельности выбрасывает потоки электрически заряженных частиц (например, электронов). Такой поток, попадая в верхние слои атмосферы, ионизирует ее и создает возможность протекания интенсивных электрических токов, магнитное поле которых и является теми пертурбациями, которые мы называем магнитными бурями. Такое объяснение природы магнитных бурь хорошо согласуется с результатами теории полярных сияний, развитой Штермером.

§ 15. Земной магнетизм и его элементы. Магнитные карты

Пространство, в котором действуют магнитные силы Земли, называют магнитным полем Земли. Принято считать, что магнитные силовые линии земного поля выходят из южного магнитного полюса и сходятся в северном, образуя замкнутые кривые.

Положение магнитных полюсов не остается неизменным, координаты их медленно меняются. Приближенные координаты магнитных полюсов в 1950 г. были следующие:

Северного - φ ~ 76°N; Л ~ 96°W;

Южного - φ ~ 75°S; Л ~ 150° O st .

Магнитная ось Земли - прямая, соединяющая магнитные полюса, проходит вне центра Земли, и составляет с ее осью вращения приближенно угол около 1Г,5.

Сила магнитного поля Земли характеризуется вектором напряженности Т, который в любой точке земного магнитного поля направлен по касательным к силовым линиям. На рис. 18 сила земного магнетизма в точке А изображена по величине и направлению вектора AF. Вертикальную плоскость NmAZF, в которой располагается вектор AF, а следовательно, и ось свободно подвешенной магнитной стрелки, называют плоскостью магнитного меридиана. Эта плоскость составляет с плоскостью истинного меридиана NuAZM угол РАН, который называют магнитным склонением и обозначают буквой d.

Рис. 18.

Магнитное склонение d отсчитывается от северной части истинного меридиана к востоку и западу от 0 до 180°. Восточному магнитному склонению приписывают знак «плюс», а западному - знак «минус». Например: d=+4°, 6 или d = -11°,0.

Угол NmAF, образуемый вектором AF с плоскостью истинного горизонта NuAH, называют магнитным наклонением и обозначают буквой в.

Магнитное наклонение в отсчитывают от горизонтальной плоскости вниз от 0 до 90° и считают положительным, если опущен северный конец магнитной стрелки, и отрицательным, - если опущен южный конец.

Точки на земной поверхности, в которых вектор Т направлен горизонтально, образуют замкнутую линию, дважды пересекающую географический экватор и называемую магнитным экватором. Полную силу земного магнетизма - вектор Т - можно разложить на горизонтальную Н и вертикальную Z составляющие в плоскости магнитного меридиана. Из рис. 18 имеем:

H = TcosO, Z=Tsin O или Z = HtgO.

Величины d, Н, Z и O, определяющие магнитное поле Земли в данной точке, называют элементами земного магнетизма.

Распределение элементов земного магнетизма по поверхности земного шара принято изображать на специальных картах в виде кривых линий, соединяющих точки с одинаковым значением того или иного элемента. Такие линии называют изолиниями. Кривые равного магнитного склонения - изогоны наносят на карты изогон (рис. 19); кривые, соединяющие точки с равным магнитным напряжением, называют изодинами , или изодинамами. Кривые, соединяющие точки с равным магнитным наклонением - изоклины, наносят на карты изоклин.

Рис. 19.

Магнитное склонение - наиболее важный элемент для судовождения, поэтому его, помимо специальных магнитных карт, указывают на навигационных морских картах, на которых записывают, например, так: «Скл. к. 16°,5 W».

Все элементы земного магнетизма в любой точке земной поверхности подвержены изменениям, носящим название вариаций. Изменения элементов земного магнетизма делятся на периодические и непериодические (или возмущения).

К периодическим относятся вековые, годовые (сезонные) и суточные изменения. Из них суточные и годовые вариации невелики и для судовождения во внимание не принимаются. Вековые же вариации представляют собой сложное явление с периодом, равным нескольким столетиям. Величина векового изменения магнитного склонения колеблется в различных точках земной поверхности в пределах от 0 до 0,2-0°,3 в год. Поэтому на морских картах магнитное склонение компаса приводится к определенному году с указанием величины годового увеличения или уменьшения.

Чтобы привести склонение к году плавания, надо рассчитать его изменение за истекшее время и на полученную поправку увеличить или уменьшить склонение, указанное на карте в районе плавания.

Пример 18. Плавание происходит в 1968 г. Склонение компаса, снято с карты, d = 11°, 5 О st приведено к 1960 г. Годовое увеличение склонения 5" .Привести склонение к 1968 г.

Решение. Промежуток времени с 1968 по 1960 г. равен восьми годам; изменение Аd = 8 х 5 = 40" ~0°,7. Склонение компаса в 1968 г. d = 11°.5 + 0°,7 = - 12°, 2 O st

Внезапные кратковременные изменения элементов земного магнетизма (возмущения) называются магнитными бурями, возникновение которых обусловлено северными сияниями и количеством пятен на Солнце. При этом наблюдаются изменения склонения в умеренных широтах до 7°, а в полярных областях - до 50°.

В некоторых районах земной поверхности склонение резко отличается по величине и знаку от его значений в прилегающих точках. Это явление носит название магнитной аномалии. На морских картах указывают границы районов магнитной аномалии. При плавании в этих районах необходимо внимательно следить за работой магнитного компаса, так как точность работы нарушается.

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра "Физика-2"

У т в е р ж д е н о

Редакционно-издательским

советом университета

Методические указания

к лабораторным работам

по физике

Работы № 20, 22, 90

Под редакцией проф. В.А Никитенко и доц. А.П. Прунцева

МОСКВА–2003

Методические указания к лабораторным работам по физике. Работы № 20, 22, 90 / Под ред. проф. Никитенко В.А.(№ 22,90), доц. Прунцев А.П.(№ 20) – М.: МИИТ, 2003. – 25 с.

Методические указания к лабораторным работам по физике предназначены для студентов всех институтов и факультетов МИИТа, обслуживаемых кафедрой «Физика-2», и соответствует программе и учебным планам по физике (раздел «Электродинамика»).

Методические указания составили преподаватели: старший преподаватель Государева Н.А. (работа № 20), доц. Прунцев А.П. (работа № 22, 90).

При составлении методических указаний к лабораторной работе № 20 использовано описание соответствующей лабораторной работы в РГОТУПС.

 Московский государственный университет путей

сообщения (МИИТ), 2003

Работа 20 определение горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля земли

Цель работы: Изучение магнитного поля кругового тока. Ознакомление с основами учения о земном магнетизме.

Приборы и принадлежности: 1.Источник постоянного тока. 2.Реостат. 3. Амперметр.4. Переключатель.5. Тангенс- гальванометр.

Элементы земного магнетизма

Земля в целом представляет собой огромный магнит. В пространстве, окружающем Землю, существует магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис.1.Северный магнитный полюс находится у южного географического, а южный магнитный - у северного географического. Магнитное поле земли на экваторе направлено горизонтально, а у магнитных полюсов вертикально. В остальных точках земной поверхности магнитное поле земли направлено под некоторым углом.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити L (рис. 2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

Плоскость магнитного меридиана

К центру Земли

В северном полушарии южный конец будет направлен к Земле, и ось стрелки составит с горизонтом угол наклона (на магнитном экваторе наклонение, равно 0). Вертикальная плоскость в которой расположится ось стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямойNS , а следы магнитных меридианов на поверхности Земли находятся в магнитных полюсах N и S . Так как магнитные полюса не совпадают с географическими, то ось стрелки будет отклоняться от географического меридиана. Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящая через ось магнитной стрелки (магнитный меридиан), с географическим меридианом, называется магнитным склонением (рис. 2). Вектор полной напряженности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную.Значения углов склонения и наклонения, а также горизонтальной составляющей вектора даст возможность определить величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая , магнитное склонение и наклонение называется элементами земного магнетизма.

Различают восточное и западное склонение(северный полюс стрелки отклоняется вправо или влево от географического меридиана).

Наклонение бывает северное и южное (северный или южный конец стрелки располагается выше или ниже горизонтальной плоскости). Эти два угла являются магнитными координатами данной точки. Например, для Москвы = 8° (восточное склонение),=70° (северное наклонение).

Элементы земного магнетизма плавно изменяются при переходе от одной точки к другой. Если же наблюдаются нарушения в этом плавном изменении, то говорят, что в данной местности наблюдается магнитная аномалия. Аномалии связаны с большими залежами магнитных руд, например, Курская магнитная аномалия.

Напряженность магнитного поля Земли сравнительно невелика, однако, наличие земного магнетизма проявляется существенным образом в целом ряде географических и других явлений. К таким явлениям относятся полярные сияния и захват заряженных частиц из космического пространства в своеобразные ловушки, которые называются радиационными поясами Земли.

Некоторые биофизические эксперименты позволят предполагать, что пространственная ориентация птиц при дальних сезонных перелетах связана с их способностью ощущать направление магнитных силовых линий.

Для определения и выдерживания курса на ВС используются магнитные курсовые приборы, принцип действия которых основан на использовании магнитного поля Земли. Земля представляет собой большой естественный магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими. Северные магнитный полюс расположен в северной части Канады, южный – в Антарктиде. Положение магнитных полюсов медленно меняется, магнитное поле Земли в каждой точке характеризуется напряженностью, склонением и наклонением.

Напряженность – это сила, с которой магнитное поле действует в данной точке. Вектор напряженности направлен не по горизонту, а под некоторым углом к нему. Этот угол называется углом магнитного наклонения Θ. На магнитном экваторе наклонение Θ=0 0 , а на магнитных полюсах Θ=90 0 . Если стрелку магнитного компаса установить на точечную опору, то она наклонится вниз относительно плоскости истинного горизонта на угол магнитного наклонения. То есть стрелка устанавливается по направлению вектора . На магнитном экваторе, где Θ=0 0 , стрелка займет горизонтальное, а на магнитном полюсе, где Θ=90 0 , магнитная стрелка займет вертикальное положение.

Для устранения наклона магнитной стрелки в авиационных компасах в северном полушарии утяжеляют южный конец стрелки, а в южном – северный или смещают точку опоры магнитной стрелки. Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на горизонтальную составляющую , расположенную в плоскости истинного горизонта, и вертикальной составляющей , направленную к центру Земли.

Величины горизонтальной и вертикальной составляющих зависят от величины угла магнитного наклонения. Вертикальная составляющая =0 на магнитном экваторе и максимальна на магнитных полюсах. Горизонтальная составляющая является направляющей силой магнитной стрелки. Под действием силы стрелка устанавливается вдоль магнитной силовой линии, то есть по направлению север-юг. На магнитном экваторе сила =Max, а на магнитных полюсах равна 0. Поэтому в полярных районах, когда воздействие силы ослабевает, магнитные компасы работают неустойчиво, выдают неточные показания, что ограничивает, а порой исключает возможность их применения.

Компасные направления

Направление горизонтальной составляющей магнитного поля Земли приняли за исходную для отсчета магнитного курса и назвали его магнитным меридианом.

Магнитный меридиан в общем случае не совпадает с истинным (или географическим) и составляет с ним угол, называемый магнитным склонением Δ М. Магнитное склонение измеряется от 0 до ±180 0 и отсчитывается от истинного меридиана к востоку (вправо) со знаком «+», а к западу (влево) – со знаком «-». В зависимости от того, какой из меридианов взят за начало отсчета, различают магнитный и истинный курсы.

Истинный курс – это угол между северным направлением истинного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС.

Магнитный курс – это угол между северным направлением магнитного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС.

ИК=МК/± Δ М/

Кроме магнитного поля Земли на чувствительный элемент магнитного или индукционного компасов воздействует магнитное поле ВС, создаваемое ферромагнитными массами и токонесущими проводами. Стрелка магнитного компаса, оказываясь под воздействием магнитного поля Земли и магнитного поля ВС, устанавливается по результирующей этих магнитных полей.

Линия, вдоль которой устанавливается магнитная стрелка компаса, установленного на ВС, называется компасным меридианом.

Компасный курс – это угол между северным направлением компасного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС. Компасный и магнитный меридианы не совпадают.

Угол, заключенный между северным направлением магнитного меридиана и северным направлением компасного меридиана, называется девиацией компаса Δ К.

Девиация отсчитывается от магнитного меридиана к востоку (вправо) со знаком «+», а к западу (влево) – со знаком «-».

Магнитный компас КИ-13

Магнитный компас КИ-13 является автономным дублирующим измерителем компасного курса ВС. КИ-13 установлен на каркасе фонаря кабины летчиков по продольной оси ВС. Предназначен для определения магнитного курса полета ВС.

Принцип действия основан на использовании свойств свободно подвешенного магнита, устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Чувствительный элемент прибора состоит из двух постоянных магнитов, закрепленных в картушке. На картушке закреплена шкала, отградуированная от 0 до 360 0 , с оцифровкой через 30 0 и ценой деления 5 0 . Внутренняя часть компаса заполняется лигроином, что позволяет демпфировать колебания картушки и уменьшить трение. В нижней части прибора имеется девиационное устройство для устранения полукруговой девиации. Компас имеет индивидуальный подсвет шкалы.

КИ-13 работает следующим образом. В прямолинейном горизонтальном полете картушка со шкалой с помощью двух параллельно расположенных стержней устанавливается в плоскости магнитного меридиана Земли и сохраняет относительно Земли неизменное направление. При повороте ВС относительно плоскости магнитного меридиана картушка со шкалой остаются в неизменном положении, а курсовая черта поворачивается вместе с корпусом прибора на тот же угол, что и ВС, показывая по шкале новый компасный курс.

Ошибки магнитного компаса КИ-13.

КИ-13 имеет следующие ошибки:

· застой картушки;

· увлечение картушки жидкостью;

· девиация;

· креновая девиация;

· северная поворотная ошибка.

Застой картушки – это угол, на который не доходит картушка до магнитного меридиана при медленном возвращении к нему. Причиной застоя меридиана является трение оси об опору. Застой картушки может наблюдаться при полетах в северных широтах ввиду малого значения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли .

Увлечение картушки жидкостью проходит при разворотах вследствие инерции жидкости. После прекращения разворота жидкость еще некоторое время по инерции продолжает вращение, что приводит к запаздыванию прихода картушки к меридиану. При длительных виражах увеличение картушки может достигать скорости виража. Время успокоения картушки после сильного увлечения жидкостью до 2 минут.

Девиация – это основная методическая ошибка КИ-13, которая возникает вследствие воздействия на магнитную систему компаса магнитного поля ВС. Это приводит к тому, что магнитная система устанавливается вдоль компасного меридиана и КИ-13 указывает компасный курс. Величина и характер девиации зависят от магнитного поля ВС.

Девиация ΔК представляет собой сумму 3 составляющих: круговой ΔК КР, полукруговой ΔК п / КР и четвертной ΔК ЧЕТВ:

Δ К= Δ К КР + Δ К п / КР + Δ К ЧЕТВ

Круговая девиация ΔК КР от курса ВС не зависит и имеет постоянную величину. ΔК КР называется установочной ошибкой.

ΔК КР (установочная ошибка) компенсируется поворотом КИ-13 в месте крепления.

При развороте ВС на 360 0 ΔКп/ КР два раза меняет свой знак, два раза достигает нуля и два раза максимум, то есть меняется по синусоидальному закону.

ΔК п / КР устраняется штурманом на 4 основных курсах 0; 90; 180; 270 0 с помощью девиационного устройства в нижней части компаса.

ΔК ЧЕТВ при развороте ВС на 360 0 четыре раза меняет свой знак, четыре раза достигает максимума и четыре раза приходит к нулю.

ΔК ЧЕТВ для КИ -13 не устраняется, но списывается штурманом на 8 курсах 0; 45; 90; 135; 180; 225; 270; 315 0 и заносится в график поправок, который устанавливается в кабине пилотов.

Для отсчета магнитного курса по КИ – 13 необходимо в показания компасного курса КИ -13 внести поправку из графика установленного в кабине пилотов.

Креновая девиация – это разность показаний КИ-13 при горизонтальном и наклонном положении ВС. Креновая девиация появляется в полете при поперечных и продольных кренах, когда плоскость картушки имеет угол относительно плоскости ВС. Креновая девиация на ВС в практике не учитывается.

В горизонтальном полете плоскость картушки КИ-13 горизонтальна и расположена в плоскости магнитного меридиана. На магнитную систему компаса действует только горизонтальная составляющая , которая является направляющей силой для магнитных компасов.

Вертикальная составляющая магнитного поля Земли перпендикулярна плоскости картушки и никакого воздействия на магнитную систему не оказывает. При разворотах ВС на северных или южных курсах картушка под действием центробежной силы вместе с ВС отклоняется от плоскости меридиана на угол крена. При этом магнитная система компаса, оказываясь под воздействием двух составляющих – горизонтальной и вертикальной , устанавливается по равнодействующей и измеряет курс с ошибкой ΔМК. Эта ошибка носит название северной поворотной ошибки. Величина ее особенно велика при полетах в северных широтах, где угол магнитного наклонения Θ приближается к 80 0 - 90 0. Северная поворотная ошибка зависит не только от угла магнитного наклонения Θ, но и от угла крена ВС при развороте. Учитывается северная поворотная ошибка следующим образом. При выводе ВС из крена на северных курсах надо не доводить ВС до намеченного курса на величину крена разворота, а на южных курсах, наоборот проворачивать ВС на ту же величину крена. На курсах 90 0 и 270 0 северная поворотная ошибка равна нулю, так как вертикальная составляющая совпадает с плоскостью магнитного меридиана Земли. После перехода ВС в горизонтальный полет действие вертикальной составляющей земного магнетизма прекращается и показания компаса восстанавливаются.

Использование КИ-13

Перед вылетом внешним осмотром проверить прибор – крепление, уровень лигроина. Проверить наличие в кабине графика девиации.

Перед выруливанием на старт убедится, что КИ -13 указывает магнитный курс стоянки (с учетом ΔК ЧЕТВ).

На исполнительном старте после установки ВС вдоль оси ВПП проверить соответствие показаний КИ -13 курсу ВС (также с учетом ΔК ЧЕТВ).

В полете магнитный компас КИ – 13 является дублирующим курсовым прибором и используется экипажем при отказах ГМК-1А.

Однако в полете экипаж обязан постоянно сличать показания КМ – 8, УГР – 4УК и КИ -13, что позволит своевременно обнаружить отказ курсовой системы ГМК – 1А. При полете в неспокойной атмосфере наблюдаются колебания картушки КИ -13, которые могут достигать ±15 0 ÷ 20 0 . Поэтому при отсчете курса по КИ – 13 показания необходимо усреднять. Компас работает нормально при кренах ВС до 17 0 , свыше – картушка компаса задевает за внутренние части прибора, и он становится неработоспособн

Характеристикой магнитного поля Земли, как и всякого магнитного поля, служит его напряженность или ее составляющие. Для разложения вектора на составляющие обычно используют прямоугольную систему координат, в которой ось х ориентируют по направлению географического меридиана (при этом положительным считается направление оси х к северу), ось у – по направлению параллели (положительным считается направление оси у к востоку). Ось z таким образом направлена сверху вниз от точки наблюдения (рис. 3.8). Проекция вектора на ось х носит название северной составляющей Н х, проекция на ось у – восточной составляющей Н у и проекция на ось z – вертикальной составляющей Н z . Эти проекции, как правило, обозначают X, Y, Z, соответственно. Проекцию на горизонтальную плоскость называют горизонтальной составляющей Н. Вертикальная плоскость, в которой лежит вектор , называется плоскостью магнитного меридиана. В плоскости географического меридиана лежат, очевидно, оси х и z, поэтому угол D между плоскостями географического и магнитного меридианов называется магнитным склонением. Угол между горизонтальной плоскостью и вектором носит название магнитного наклонения J. Наклонение положительно, когда вектор направлен вниз от земной поверхности, что имеет место в северном полушарии, и отрицательно, когда направлен вверх, т. е. в южном полушарии.

Склонение D, наклонение J, горизонтальная составляющая Н, северная Х, восточная Y и вертикальная составляющая Z носят название элементов земного магнетизма. Ни один из

элементов земного магнетизма не остается постоянным во времени, а непрерывно меняет свою величину от часа к часу и от года к году. Такие изменения получили название вариаций элементов земного магнетизма.

Медленные вариации элементов земного магнетизма получили название вековых. Вековые вариации элементов связаны с источниками, лежащими внутри земного шара. Быстротечные вариации периодического характера имеют своим источником электрические токи в высоких слоях атмосферы.

Геомагнитное поле подразделяют на три основные части:

1) главное магнитное поле и его вековые вариации, имеющие внутренний источник в ядре Земли;

2) аномальное поле, обусловленное совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитоактивной оболочкой Земли;

3) внешнее поле, связанное с внешними источниками – токовыми системами в околоземном пространстве.

Главное и аномальное поля называют постоянным геомагнитным полем. Поле внешнего происхождения называется переменным электромагнитным полем, поскольку оно является не только магнитным, но и электрическим.

Вклад главного поля составляет в среднем более 95 %, аномальное поле вносит 4 % и доля внешнего поля – менее 1 % .

Теоретическая модель в форме магнита-диполя, помещенная в центр Земли, создает на ее поверхности магнитное поле, которое сравнительно хорошо совпадает с реальным геомагнитным полем.

Однако более точно это поле воспроизводится, если такой «магнит – диполь» повернуть на угол 11.5° относительно оси вращения планеты, и еще более точно – при смещении его на 450 км в сторону Тихого океана.

Точки пересечения поверхности земного шара с осью смещенного магнита-диполя называются геомагнитными полюсами.

Координаты геомагнитных полюсов не совпадают, таким образом, с координатами географических полюсов земного шара, и соответственно геомагнитный экватор (линия на поверхности Земли, для всех точек которой наклонение дипольного поля равно нулю) – не совпадает с географическим экватором. Положение магнитных полюсов не является постоянным, а непрерывно меняется.

Вблизи магнитных полюсов вертикальная составляющая принимает максимальное значение, равное примерно 49.75 А/м, а горизонтальная составляющая в этой области равна нулю.

На магнитном экваторе величина вертикальной составляющей делается равной нулю, а горизонтальная составляющая принимает наибольшее значение (максимальное значение она принимает вблизи Зондских островов, равное примерно 31.83 А/м ).

Для того чтобы ясно представить себе картину распределения элементов земного магнетизма по поверхности земного шара, пользуются графическим методом изображения – методом построения карт изолиний, т.е. кривых, соединяющих на карте точки с одинаковыми значениями изучаемого параметра магнитного поля.

Магнитные карты строятся как для данной области, так и для целой страны и, наконец, для всего земного шара. В последнем случае они носят название мировых карт .

Рассмотрение мировых карт изолиний и карт изолиний отдельных районов приводит к заключению, что магнитное поле на поверхности Земли является суммой нескольких полей, имеющих различные причины, а именно:

– поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара, называемого дипольным (моделируется приведенным выше магнитом-диполем), – ;

– поля, вызываемого внутренними причинами, связанными с неоднородностью глубоких слоев земного шара, получившего название недипольного (его называют также полем мировых аномалий);

– поля, обусловленного намагниченностью верхних частей земной коры, – ;

– поля, вызываемого внешними причинами, – ;

– поля вариации , причины генерации которого связываются также с источниками, расположенными вне земного шара, т.е.

Сумма полей дипольного и недипольного

образует, как отмечалось выше, главное магнитное поле Земли.

Поле представляет собой аномальное поле, которое подразделяется на поле регионального характера, распространяющееся на большие площади, и поле местного характера, ограниченное небольшими площадями. В первом случае оно называется региональной аномалией, а во втором – локальной аномалией.

Часто сумму полей однородного намагничивания, поля мировых аномалий и внешнего поля

называют нормальным полем. Так как очень мало и практически им можно пренебречь, то нормальное поле практически совпадает с главным полем. С этой точки зрения, наблюдаемое поле, если исключить из него поле вариаций, является суммой нормального (или главного) и аномального:

.

Таким образом, если известно распределение нормального поля на поверхности Земли, то можно определить аномальную часть магнитного поля.

Обычно интенсивность нормального поля во много раз больше, чем интенсивность региональных и локальных аномалий. Есть, правда крайне редко, участки земной поверхности,

на которых эти аномалии по интенсивности близки к главному магнитному полю Земли. Но и среди этих участков уникален район Курской магнитной аномалии , где «возвышаются» десятки магнитных «Эверестов».

Магнитное поле Земли относится к слабым полям , и напряженность ее нормального поля (модуль напряженности) изменяется в зависимости от регионов в широких пределах. Так на полюсах, как уже было отмечено, она достигает 49.5 А/м, в районе Москвы – 39.8 А/м, в районе Комсомольска-на-Амуре – 43.8 А/м. Наибольшего значения на территории нашей страны она достигает в районе Иркутска, Якутии – 48.54 А/м, на Сахалине – 40.59 А/м.

В настоящее время большое внимание уделяют и магнитным вариациям, поскольку помимо научного значения они представляют интерес как явление, оказывающее влияние на практическую деятельность людей и на их здоровье. Так, при возникновении вариаций значительной амплитуды – магнитных бурь – нарушается радиосвязь, ухудшается работа многих технических устройств, изменяется скорость протекания физиологических процессов. Например, в июле 1959 г. в результате сильной магнитной бури была прервана радиосвязь между Европой и Америкой, наблюдались нарушения электрической сигнализации на железных дорогах многих стран, вышли из строя даже некоторые электротехнические системы (нарушалась изоляция кабелей и обмоток трансформаторов).

Установлено также, что интенсивные изменения геомагнитного поля не безразличны для животных и растений. Бесспорно теперь и влияние вариаций магнитного поля Земли на здоровье людей. Так, когда в одном из городов напряженность магнитного поля возросла на протяжении суток в три раза, смертельные исходы увеличились в 1.8 раза.

Магнитные вариации меняются в разные дни различно. Иногда изменения происходят плавно, подчиняясь определенной закономерности, иногда они имеют беспорядочный характер и тогда периоды, амплитуды и фазы вариаций непрерывно меняют свое значение. В первом случае вариации называются спокойными или невозмущенными, а во втором – возмущенными.

К числу невозмущенных вариаций относятся солнечно-суточные, лунно-суточные и годовые.

Возмущенная часть вариаций магнитного поля также состоит из целого ряда вариаций, которые, накладываясь одна на другую, в сумме дают неправильные колебания всех элементов земного магнетизма около среднего значения. Некоторые из этих вариаций имеют вполне определенный период, другие меняют свой период от одного колебания к другому. Кроме того, имеются вариации непериодического характера. Поэтому возмущенные вариации классифицируют также на периодические, непериодические и неправильные флуктуации. К числу периодических относятся возмущенные солнечно-суточные вариации с периодом солнечных суток и короткопериодические колебания, у которых период колеблется от долей секунд до десятков минут. Из непериодических известна вариация под названием апериодическая возмущенная, которая проявляется во время магнитных бурь главным образом в изменении горизонтальной составляющей. Неправильные флуктуации элементов земного магнетизма представляют основную часть магнитных возмущений.

Помимо этого существуют вариации, которые нельзя отнести ни к одному из этих трех типов. Эти вариации получили название бухтообразных.

Магнитные возмущения могут иметь локальный характер и наблюдаться только в ограниченном секторе долгот и широт или же, достигая большой интенсивности, охватывать одновременно всю Землю . В последнем случае их называют магнитными бурями или мировыми бурями .

Принято выделять магнитные бури с внезапным началом и бури с постепенным началом. В первом случае на фоне спокойного хода всех элементов внезапно происходит скачок, отмечаемый в пределах одной-двух минут на всех станциях земного шара. Особенно резко такой скачок проявляется в величине горизонтальной составляющей, которая увеличивается на десятки гамм (внесистемная единица напряженности магнитного поля, равная одной сто

тысячной эрстеда; 1g = 10 -5 Э = 0.795775×10 -3 А/м). Во втором случае возмущения возникают в виде постепенного увеличения амплитуды всех элементов.

Бури по интенсивности (по величине амплитуды) принято делить на слабые, умеренные и большие . При большой буре амплитуды, например, у горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля могут достигать 3000g (2.39 А/м ) и более .

Под частотой магнитных бурь понимают их количество, приходящееся на тот или иной период времени (год, сезон, сутки). Частота магнитных бурь зависит от многих факторов и, прежде всего, от солнечной активности. В годы максимальной солнечной активности частота бурь наибольшая : от 23 (в 1894 г.) до 41 (в 1938 г.) бури в год, а в годы минимальной солнечной активности она опускается до нескольких бурь в год. Кроме этого частота бурь зависит от времени года. Бури чаще возникают в периоды равноденствий.

Следует отметить также одну из основных закономерностей в появлении магнитных бурь, а именно их 27-дневную повторяемость .

В последние годы была также установлена связь магнитных бурь с параметрами солнечного ветра.