Действие магнитного компаса основано на свойстве его чувствительного элемента указывать направление магнитного меридиана.
Первые магнитные компасы (конец XII в.) представляли собой намагниченную железную пластинку, которая укреплялась на поплавке, помещенном в сосуд с водой. В начале XIV в. конструкция компаса была существенно изменена. На стрелке стали укреплять бумажный диск с нанесенными на нем делениями (румбами), а саму стрелку насаживать на вертикальную иглу. Такой компас являлся прототипом современного магнитного компаса.
В конце XV в. мореплаватели обнаружили, что стрелка магнитного компаса указывает не точное направление север—юг, а составляет с этим направлением некоторый угол, который получил название магнитного склонения.
В конце XVIII в. с развитием «железного» судостроения было замечено, что под влиянием магнетизма судового железа стрелка компаса отклоняется от магнитного меридиана на угол, величина которого изменяется при перемене судном курса. Это явление было названо девиацией магнитного компаса. Для уничтожения девиации в конструкцию магнитного компаса был введен девиационный прибор.
След от сечения плоскости истинного горизонта вертикальной плоскостью, проходящей через линию NS свободно подвешенной магнитной стрелки, называется магнитным меридианом. В общем случае магнитный меридиан не совпадает с истинным меридианом.
Угол, составленный истинным и магнитным меридианами, называется склонением (d).
Если северный конец магнитной стрелки отклонен от истинного меридиана к востоку, то склонение считается положительным, если же к западу, то – отрицательным. В соответствии с этим положительному склонению приписывают остовоенаименование, а отрицательному — вестовое.
В разных точках земной поверхности склонение неодинаково и может принимать значения от 0 до ±180°.
Важно отметить, что в общем случае направление на норд магнитный не совпадает с направлением на северный магнитный полюс.
Вариации склонения и их виды.
Магнитное поле Земли состоит из главного магнитного поля и поля магнитных вариаций. Главное магнитное поле не является постоянным. Наблюдения в обсерваториях показывают, что оно из года в год медленно изменяется.
Изменения среднегодовых значений элементов земного магнетизма называются вековыми вариациями.
В Лондоне, например, с 1580 г. склонение, достигнув максимума 11°Ost, стало уменьшаться и, перейдя через нуль, вновь стало увеличиваться вплоть до 1820 г. когда наступил максимум 24°W. После этого вновь началось изменение склонения, которое продолжается до настоящего времени.
Изменение среднегодовых значений элементов земного магнетизма за промежуток в один год называется вековым ходом. Вековой ход склонения указывается на навигационных картах.
Вследствие изменения главного магнитного поля координаты магнитных полюсов Земли также изменяются. Так, в 1600 г. северный магнитный полюс Земли находился на расстоянии около 1300 км от северного географического полюса, а теперь его удалённость от географического полюса возросла приблизительно до 2000 км. В настоящее время координаты магнитных полюсов примерно следующие северный магнитный полюс – 72°N; 96°W, южный магнитный полюс – 70°S; 150°Ost.
Природа главного магнитного поля Земли, так же как и причины вековых вариаций, полностью не выяснена, однако многочисленные гипотезы предполагают, что они связаны с процессами происходящими внутри Земли. Поле магнитных вариаций также является переменным полем.
Наблюдения магнитных вариаций показывают, что они имеют плавный характер, но бывают дни, когда периоды и амплитуды этих вариаций непрерывно изменяются, не подчиняясь никакой закономерности. В соответствии с этим магнитные вариации подразделяются на спокойные и возбуждённые.
К числу спокойных вариаций относятся солнечно суточные и лунно-суточные.
– солнечно суточными вариациями – называется изменение элементов земного магнетизма в течение солнечных суток (в Петербурге за сутки склонение изменяется в пределах 16 , максимум в 8 ч. местного времени и минимум 14 ч.).
– лунно-суточные вариации протекают с периодом равным половине лунных суток, и имеют очень малую интенсивность.
Возбуждённые вариации имеют гораздо большую интенсивность, чем спокойные. Магнитные возмущения могут наблюдаться одновременно на всём земном шаре, но могут иметь и локальный характер.
Магнитные бури.
Магнитные возмущения могут наблюдаться одновременно на всем земном шаре, но могут иметь и локальный характер. Возбужденные вариации, наблюдаемые одновременно на всем земном шаре, называются магнитными бурями.
Одна из характерных особенностей магнитных бурь — внезапность их появления. При этом склонение может изменяться на несколько градусов, а полная сила Т земного магнетизма — на 1000 гамм и более. Продолжительность магнитных бурь колеблется от двух до трех суток.
В последние годы с помощью ракет и искусственных спутников Земли установлено, что источником поля магнитных вариаций являются токи индукционного характера, возникающие в высоких слоях атмосферы — от ста до нескольких тысяч километров. Такие токи вызываются главным образом потоками заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем.
Магнитные аномалии.
На мировых картах в отдельных районах существуют значительные отступления в ходе изодинанам, т.е. искажения земного магнитного поля. Эти искажения поля называютсямагнитными аномалиями.
Магнитные аномалии происходят от залежей под поверхностью Земли, пород, способных намагничиваться. К числу таких пород относятся в первую очередь минералы, имеющие в своём составе железо.
Эти породы намагничиваются в магнитном поле Земли и создают добавочное магнитное поле, т.е. магнитную аномалию.
Магнитные аномалии на картах обводят сплошной жирной чертой, внутри района указывают возможные колебания магнитного склонения. Если границы района определены недостоверно, то указывают пунктиром.
Отдельные аномальные точки склонения обозначают звёздочкой с указанием наименования и значения склонения.
Наиболее крупной магнитной аномалией на земном шаре является Курская магнитная аномалия, образованная залежами кварцитовых магнетитов на глубине от 100 до нескольких сотен метров. В районе Курской магнитной аномалии Z доходит местами до 150 А/м.
Магнитные аномалии имеются на морях Баренцевом, Белом, Балтийском, Чёрном, Охотском и др. Эти аномалии обозначены на навигационных картах.
Девиация магнитного компаса.
Если установить магнитный компас на судне, построенном целиком из немагнитных материалов, то картушка компаса установится линией NS в плоскости магнитного меридиана. В этом случае для определения по компасу истинных направлений достаточно исправить его показания магнитным склонением, выбранным с навигационной карты. Однако корпус и механизмы современного морского судна изготовляются из ферромагнитных материалов, которые обладают свойствами твердого и мягкого в магнитном отношении железа. Намагнитившись в магнитном поле Земли, судовое железо образует магнитное поле судна, которое искажает поле Земли. Поэтому картушка компаса, установленного на судне, показывает не магнитный меридиан, а компасный меридиан.
Компасным меридианом называется след от сечения плоскости истинного горизонта вертикальной плоскостью, проходящей через линию NS картушки компаса.
Угол, составленный компасным и магнитным меридианами, называется девиацией магнитного компаса.
Если N картушки компаса отклонен от магнитного меридиана к востоку, то девиация считается положительной, если же к западу, то отрицательной. Положительной девиации приписывают остовое наименование, отрицательной—вестовое.
Таким образом, для получения истинных направлений по компасу, установленному на судне, его показания надо исправить общей поправкой, являющейся алгебраической суммой склонения и девиации: ?МК=d+?.
Использование магнитного компаса на судне усложняется тем, что его девиация не является величиной постоянной, а изменяется в процессе плавания от ряда причин и, в частности, от перемены судном курса и магнитной широты. Действительно, твердое в магнитном отношении судовое железо, намагнитившись при постройке судна, приобретает постоянный магнетизм и действует на картушку магнитного компаса некоторой постоянной по величине силой. При изменении судном курса эта сила вместе с судном изменяет свое направление относительно магнитного меридиана и поэтому на разных курсах вызывает неодинаковую по величине и знаку девиацию. Мягкое же в магнитном отношении судовое железо при перемене судном курса перемагничивается, так как оно при этом изменяет свое положение относительно вектора напряженности магнитного поля Земли. Следовательно, на различных курсах судна мягкое судовое железо действует на картушку компаса не постоянной, а переменной по величине и направлению силой и также вызывает неодинаковую девиацию.
Твёрдые в магнитном отношении материалы обладают сильно выраженной способностью удерживать в себе остаточную намагниченность (целеродистые и хромистые стали, стали с большим содержанием кобальта).
Мягкие в магнитном отношении материалы почти не обладают способностью удерживать в себе остаточную намагниченность (судостроительная сталь, железо «Армса», сплав «Пермолой»).
При перемене судном магнитной широты изменяется напряженность магнитного поля Земли и намагниченность мягкого судового железа, что также является одной из причин изменения девиации.
Величина девиации зависит также от места установки компаса на судне. На современном морском судне девиация путевых компасов может достигать 90°. При большой величине девиации магнитный компас становится практически непригодным для использования его в качестве курсоуказателя. Действительно, при значительной напряженности магнитного поля судна в том месте, где установлен компас, магнитное поле Земли может оказаться на некоторых курсах почти полностью компенсированным магнитным полем судна. В этом случае картушка компаса окажется в состоянии безразличного равновесия, и компас перестанет работать. Поэтому магнитные компасы имеют специальные устройства, при помощи которых компенсируют магнитное поле судна в месте установки компаса, или, как принято говорить, уничтожают девиацию компаса. Полностью уничтожить девиацию не представляется возможным, поэтому после ее уничтожения приходится вычислять таблицу остаточной девиации, которой пользуются для исправления показаний магнитного компаса.
Таким образом, для использования магнитного компаса на судне необходимо уметь уничтожать девиацию и вычислять таблицу остаточной девиации. Для решения этих вопросов необходимо знать характер сил, действующих на картушку компаса, установленного на судне, а также характер производимых ими девиаций, т. е. теорию девиации, основанием для которой являются так называемые уравнения Пуассона.
