Hiệu đính : KS. TTr Bùi Văn Vinh
TS. TTr Nguyễn Viết Thành
la bàn từ Hàng Hải
đại học hàng hải 2006
Bài mở đầu 1
Chương 1 : Khái niệm cơ bản về từ trường 3
1.1. Từ tính và nam châm 3
1.2. Cường độ từ trường của nam châm thẳng. 5
1.3. Sự tác dụng lẫn nhau của hai thanh nam châm đặt trong từ trường đều. 8 1.4. Vật thể sắt từ - Phương pháp luyện sắt từ thành nam châm. 11
1.5. Từ trường của trái đất - độ lệch địa từ. 14
1.6. Nguyên tắc làm việc của la bàn từ. 18
Chương 2: Lý luận độ lệch la bàn 20
2.1 Từ trường tàu- độ lệch la bàn từ. 20
2.2. Phương trình Passon. 21
2.3. Hệ số sắt non. 25
2.4. Các lực tác dụng đối với la bàn. 29
2.5. Độ lệch và công thức độ lệch cơ bản. 35
2.6. Nguyên lý độ lệch tàu nghiêng. 40
Chương 3: La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch 45
3.1 Cấu tạo la bàn từ của Liên Xô. 45
3.2. Cấu tạo la bàn từ của Nhật Bản. 53
3.3. Kiểm tra la bàn từ. 59
3.4. Đặt la bàn từ trên tàu. 64
3.5. Các thiết bị khử độ lệch la bàn. 67
3.6. La bàn từ hàng hải truyền mặt số. 82
3.7. Truyền mặt số và hệ thống truy theo. 87
Chương 4: Phương pháp khử độ lệch la bàn từ 89
4.1. Sự cần thiết phải khử độ lệch. 89
4.2. Nguyên tắc khử độ lệch la bàn. 89
4.3. Xác định đầu của thanh nam châm khử độ lệch. 90
4.4. Phương pháp Ery khử độ lệch la bàn. 91
4.5. Khử độ lệch cảm ứng. 96
4.8. Khử gần đúng bằng phương pháp cô lông ga trên hai hướng đi la bàn chính
vuông góc với nhau. 103
4.9. Khử Độ lệch gần đúng trên hai hướng từ chính ngược nhau. 104 4.10. Những nguyên nhân làm độ lệch bán vòng thay đổi. 106
4.11. Khử độ lệch khi tàu thay đổi vĩ độ từ. 108
4.12. Khử độ lệch khi tàu nghiêng. 109
Chương 5: Công tác hiệu chỉnh la bàn và phương pháp lập bảng độ lệch còn lại 112 5.1. Những trường hợp cần thiết phải hiệu chỉnh la bàn 112
5.2. Thứ tự khử các lực độ lệch 112
5.3. Công tác hiệu chỉnh la bàn từ 114
5.4. Phương pháp lập bảng độ lệch còn lại 115
Sự phát triển và tầm quan trọng của la bàn từ trên tàu biển
La bàn từ là một thiết bị hàng hải có tác dụng dùng để chỉ hướng đi và xác định vị trí tàu trên biển. Căn cứ vào tính chất định hướng của thành phần nhạy cảm theo hướng kinh tuyến từ. Con người đã lợi dụng tính chất này để chế tạo la bàn từ đầu tiên vào cuối thế kỉ XII. La bàn được cấu tạo gồm một tấm sắt từ gắn vào một chiếc phao, được thả vào trong một chậu nước.
Đầu thế kỉ XIV, cấu tạo la bàn từ được thay đổi. Kim từ của la bàn được gắn vào một chiếc phao. Cả phao và kim từ được đỡ trên một đỉnh kim trụ thẳng đứng. Trên mặt phao được gắn thêm một vành tròn bằng giấy hoặc bằng đồng, trên đó được chia hướng theo từng ca và từng độ từ 0O đến 360O. Toàn bộ hệ thống kim từ được thả vào một chậu dung dịch gồm cồn và nước cất.
Cuối thế kỉ XV, các nhà khoa học hàng hải đã phát hiện ra kim la bàn không chỉ chính xác theo hướng bắc, nam thật mà chỉ lệch đi một góc, góc đó được gọi là độ lệch
địa từ.
Cuối thế kỉ XVIII cùng với sự phát triển của ngành đóng tàu bằng sắt thép. La bàn từ
được trang bị trên tàu, các nhà hàng hải đã phát hiện ra la bàn chỉ hướng mang sai số lớn. Nguyên nhân gây ra sai số la bàn là do ảnh hưởng của từ trường sắt thép trên tàu tác dụng vào kim la bàn làm kim la bàn chỉ lệch khỏi kinh tuyến từ một góc, góc này gọi là độ lệch riêng la bàn. Để khử bớt góc lệch này, người ta đưa thêm các thiết bị khử vào thân la bàn.
Hiện nay trên các tàu hiện đại, ngoài la bàn từ trên tàu còn được trang bị thêm nhiều thiết bị chỉ hướng hiện đại khác như: la bàn con quay, hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ thống SATELLITE COMPASS, hoạt động với độ chính xác cao, song điều đó không làm giảm vai trò của la bàn từ trên tàu biển. Do ưu điểm đặc biệt là độ tin cậy rất cao nên la bàn từ được các nhà hàng hải gọi là la bàn chuẩn. Nếu thiếu la bàn chuẩn trên tàu, theo quy phạm của đăng kiểm hàng hải thì tàu đó không đủ điền kiện chạy biển.
dụng truyền chỉ số hướng đi của la bàn tới máy lái tự động để tự động điều khiển tàu.
Các loại la bàn từ được trang bị trên tàu biển +La bàn chuẩn được đặt trên boong thượng
+La bàn lái được đặt trong buồng lái hoặc được thay thế bằng la bàn điện +La bàn xuồng được đặt trên xuồng cứu sinh
+La bàn lái sự cố được đặt trong buồng lái sự cố
Đặc điểm của la bàn từ trang bị trên tàu biển Việt Nam gồm nhiều loại Nhật, Liên Xô, Đức, Trung Quốc v.v. Về cấu tạo la bàn cơ bản giống nhau, còn các thiết bị khử tuỳ theo từng loại la bàn, từng nước sản xuất được bố trí khác nhau.
Giáo trình la bàn từ này sẽ giới thiệu cơ bản về lý thuyết, cấu tạo và phương pháp khử độ lệch la bàn. Ngoài ra giáo trình còn giới thiệu sơ lược về nguyên lý cấu tạo la bàn truyền mặt số.
Giáo trình này làm tài liệu nghiên cứu và học tập cho sinh viên Đại học Hàng hải ngành Điều khiển tàu biển, đồng thời có thể làm tài liệu nghiên cứu và tham khảo cho những người làm công tác hàng hải, công tác đánh cá trên biển.
Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng song giáo trình này không tránh khỏi thiếu sót rất mong được sự đóng góp và phê bình của bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn
Người biên soạn: Nguyễn Văn Hòa Bộ môn Hàng hải - Khoa Điều khiển tàu biển
S(- )
Hình 1.1 Vị trí từ cực trên thanh Nam châm (+)N
2l 1/12
1/12
Từ cực Phần trung tính Từ cực
• •
Chương 1
khái niệm cơ bản về từ trường 1.1 Từ tính và nam châm
1.1.1 Khái niệm.
Bộ phận chính của la bàn từ là thành phần nhạy cảm. Thành phần nhạy cảm gồm các thanh nam châm vĩnh cửu, chúng kết cấu với nhau thành một hệ thống gọi là hệ thống kim từ.
Lực định hướng của thành phần nhạy cảm được phát sinh dưới sự ảnh hưởng của từ trường trái
đất. Từ trường của trái đất được hình thành do sự cấu tạo và hoạt động của lòng đất gồm nhiều mỏ quặng, kim loại. Những loại quặng hút được mạt sắt gọi là sắt từ. Các loại vật thể khác có tính chất như trên: sắt, thép và một số hợp kim có tính chất từ được luyện từ theo phương pháp nhân tạo. Những vật thể có từ tính như vậy gọi là nam châm. Vậy những vật thể hút được sắt, thép gọi là vật thể có từ tính. Sắt, thép mang từ tính gọi là nam châm.
Nam nam châm gồm hai loại: - Nam châm tự nhiên - Nam châm nhân tạo.
1.1.2 Tính chất của nam châm.
Giả sử đưa một thanh sắt Fe2O3vào trong một từ trường, sau một thời gian thích hợp đưa thanh sắt ra khỏi từ trường, trong thanh sắt tồn tại một lượng từ dư làm thanh sắt trở thành nam châm vĩnh cửu có những tính chất sau:
- Thanh nam châm có 2 điểm tập trung từ lực mạnh nhất gọi là từ cực. Từ cực cách đầu thanh nam châm 1 khoảng bằng 1/12 của 2 (2l là khoảng cách 2 cực thanh nam châm).
- Đường đi qua hai từ cực gọi là trục từ.
- Bộ phận giữa thanh nam châm không có từ tính gọi là phần trung tính.
Treo thanh nam châm bằng một sợi chỉ thì một đầu thanh nam châm quay về hướng bắc
địa lý người ta quy định đó là đầu bắc (N) sơn màu đỏ, còn đầu kia thanh nam châm là đầu nam (S) sơn màu xanh (mang tính chất giữ hướng).
- Hai đầu thanh nam châm cùng tên thì đẩy nhau khác tên thì hút nhau.
- Từ cực nam châm không thể cắt rời được, ta cắt một thanh nam châm thành nhiều đoạn thì mỗi đoạn thành một nam châm mới.
1.1.3 Sức từ, từ khối , mô men từ.
- Sức từ: Lực đẩy và lực hút giữa hai cực gọi là sức từ. Quy định sức tác dụng cực cùng tên là (+) và sức tác dụng giữa hai cực khác tên là (-).
- Từ khối của nam châm là khối lượng từ chứa ở hai cực của nam châm. Ký hiệu: m
* Chú ý : Sức từ và từ khối của thanh nam châm có dấu ngược nhau, trị số tuyệt đối bằng nhau.
- Mô men từ : M là tích số giữa từ khối của nam châm với khoảng cách hai cực : Ta có công thức:
M = 2mL (1.1) Trong hệ thống : cm, gam , giây, đơn vị mô men từ là : CgsM - Định luật Culông :
Qua thí nghiệm Culông chứng minh lực tác dụng giữa hai cực của 2 thanh nam châm tỷ lệ thuận với tích số từ khối của chúng và tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách giữa hai từ khối. Ta có:
F = 2 2 1
d m m
à
(1.2)m1 , m2 là khối lượng từ chứa ở hai cực của thanh nam châm . d là khoảng cách giữa hai cực từ.
à : là hệ số dẫn từ phụ thuộc vào điều kiện môi trường : à = 1 : môi trường trong chân không .
à < 1 : môi trường phản từ lực tác dụng lớn hơn trong chân không . à > 1 : môi trường thuận từ lực tác dụng nhỏ hơn trong chân không .
1.1.4 Từ trường - Cường độ từ trường - Đường sức từ . 1.1.4.1 Từ trường
- Từ trường của thanh nam châm là khoảng không gian bao quanh nam châm mà ở đó có từ lực tác dụng. Trên hình vẽ ta thấy từ trường của một thanh nam châm thẳng. Nếu trên tấm bìa các tông được đặt trên một thanh nam châm, ta rắc trên đó các mạt sắt đồng thời rung nhẹ cho các mạt sắt di chuyển, thì dưới tác dụng của từ trường
các mạt sắt được phân bố theo quy luật có dạng đường cong. Đường cong đó gọi là đường sức từ (hình 1.2).
N S
Hình 1.2 Đường sức từ
1.1.4.2 Cường độ từ trường
Giá trị cơ bản biểu thị đặc tính của từ trường là cường độ từ trường ký hiệu là H. Vậy cường độ từ trường tại một điểm là một lực tác dụng lên 1 đơn vị từ khối (+) đặt tại điểm đó.
Ta có công thức sau :
m
H = F (1.3)
- Biểu thị: Nếu từ cực có từ khối là 1 đơn vị tại 1 điểm trong từ trường bị tác dụng bởi lực F
Trong hệ thống C.g.s.M , đơn vị H là Erstet ký hiệu Oe. Trong đơn vị quốc tế, đơn vị cường độ từ trường được tính là Ampemet (A/M) . 1A/M = 4π.10-3Oe .
-Véc tơ cường độ từ trường (H
r ) luôn tiếp tuyến với đường sức từ.
1.1.4.3 Đường sức từ
- Đường sức từ là một đường nối liền giữa các hướng của cường độ từ trường tại các điểm, trong từ trường đều đường sức có dạng đường thẳng, trong từ trường không đều đường sức có dạng cong. (hình 1.2)
-Trong thực tế hàng hải cho phép coi từ trường của trái đất ở không gian tàu chiếm chỗ là từ trường đều. Với giả thiết như vậy đơn giản rất nhiều cho việc nghiên cứu la bàn .
- Đường sức từ luôn đi vào ở cực nam (S) và đi ra ở cực bắc (N).
*Chú ý : Sự biến dạng của đường sức :
+ Trong từ trường thanh nam châm đặt một vật liệu bằng kim loại thì đường sức từ bị biến dạng. Chứng tỏ giúp ta giả thích ở những khu vực có nhiều mỏ quặng kim loại có khả năng nhiễm từ mạnh sẽ làm cho dường sức từ của từ trường trái đất biến dạng mạnh dẫn đến hiện tượng nhiễu loạn từ, thậm trí sinh ra bão từ gây tổn thất nặng cho các thiết bị điện, trạm biến
áp điện trên bờ cũng như các thiết bị điện trên tàu.v.v...
+ Đường sức không xuyên qua hình trụ rỗng bằng kim loại nên tầu ngầm không đặt được la bàn vì ở đây la bàn từ không có khả năng định hướng.
1.2 Cường độ từ trường của nam châm thẳng
Trong la bàn từ người ta sử thường sử dụng các thanh nam châm thẳng, có tiết diện vuông hoặc tròn. Những thanh nam châm như vậy thì trục từ thường trùng với trục hình học của nó. Sau đây người ta nghiên cứu ba trường hợp cường độ từ trường của thanh nam châm thẳng tác dụng lên một điểm. Ba trường hợp này thường phổ biến trên tàu như sau .
1.2.1 Xét cường độ từ tại một điểm ở trên đường trung trực của thanh nam châm.
- Xét thanh nam châm thẳng NS có từ khối là ± m. Khoảng cách 2 cực là 2l. Xét điểm B trên đường trung trực thanh NS có từ khối +1 đơn vị.
Khoảng cách OB = d. Giả thiết d >> l .
- Gọi cường độ từ trường của thanh nam châm tác dụng lên điểm B là H1, gọi lực tác dụng 2 cực lên điểm B là FN và FS hợp lực của hai lực này là :
S
N F
F H
r r r
+
1 = .
áp dụng định luật Culông ta có :
) (d2 l2 F m
FN S
= +
=
Xét về độ lớn :
H1 = FNcosθ + FScosθ = cosθ(FS+FN).
Mặt khác ta có :
2 / 3 2 2 3 3
2 2 6 3
2 2 2
2 2 1 2
2 2
) 1 ) (
1 ) (
( ) 2 ( 2
cos
d d l
M
d d l
M l
d ml l
d m l
d H l l d
l
+
= +
= + + =
+
=
⇒ + θ =
Từ giả thiết d>>l ⇒ 2
2
d
l ≅ 0 ⇒ H1 = 3 d M .
Vậy véc tơ cường độ từ trường H1 có hướng song song với trục thanh nam châm và có chiều hướng về cực S.
*Chú ý : Nếu điểm A nằm gần trung tâm thanh nam châm thì tỷ số 2
2
d
l không được bỏ qua và trong trường hợp đó ta tính toán theo công thức gần đúng sau :
) 2 1 3
( 2
2 1 3
d l d
H = M ư (1.4)
Có được công thức trên khi ta đã triển khai thành phần 3 3/2
2
) 1
( + ư
d
l thành chuỗi và lấy hai số hạng đầu.
1.2.2 Cường độ từ trường của thanh nam châm tác dụng lên một điểm trên đường trục từ (Hình 1.4)
- Xét thanh nam châm thẳng NS có từ khối là ± m .(Hình 1.4) Khoảng cách 2 cực là 2l.
Từ khối điểm A +1 đơn vị . Khoảng cách từ A đến trung tâm thanh nam châm OA = d. Giả
thiết d>>L.
- Xét cường độ từ trường tác dụng lên điểm A là H2:
Ta gọi lực từ tác dụng của cực N là FN, cực S là FS . Theo định luật cu lông ta có:
2l
S d
A
FS O
FN
N
Hình 1.4
1/12 1/12
d Fs
H1
FN
B
N S
(-)m (+)m
θ
o 2 l
Hình 1.3
FN = 2 ) (d l
m
ư
+ ; FS = 2 ) (d l
m +
ư .
S
N F
F H
r r r
+
2 = ⇒ H2 = FN + FS = 2
) (d l
m
ư
+ + 2
) (d l
m +
ư .
2 2 2 4
2 2
2 2
2 2 2
2 2
2
) 1 (
2 2
) (
) ( ) (
d d l
l dl d
l dl md
l d
l d m l d H m
ư
ư +
ư +
= +
ư
ư
ư
= + .
2 2 2 3 2 2 2 4 2
) 1 (
2 )
1 (
4
d d l
M
d d l
H mld
ư
=
ư
=
2 2
d
l rất nhỏ cho nên ta có thể bỏ qua ⇒ 2 2 3 d H = M - M là mô men từ của thanh nam châm.
Vậy véc tơ cường độ từ trường H2 có phương trùng với phương của trục dọc thanh nam châm, chiều từ đầu N đi ra.
*Chú ý : Nếu điểm A ở gần thanh nam châm thì không được bỏ qua thành phần 2
2
d l khi
đó ta tính theo công thức :
) 2 1 2 (
2 2 2 3
d l d
H = M + (1.5)
Công thức này đã được khai triển thành phần 2 2
2
) 1
( ư ư
d
l thành chuỗi và chỉ lấy hai số hạng đầu.
1.2.3 Cường độ từ trường của thanh nam châm thẳng tác dụng lên một điểm nằm ở vị trí bất kỳ.(Hình 1.5)
Từ hình vẽ ta có :
M1 = M.sinφ ; M2 = M.cosφ.
ở đây φlà góc hợp bởi giữa trục thanh NS và hướng OC . - Xét thanh nam châm NS có từ khối ± m,
khoảng cách giữa hai cực là 2l . Xét điểm C ở vị trí bất kỳ có từ khối +1đơn vị, gọi khoảng cách OC = d, giả thiết d>>l . Giả sử thanh nam châm NS có mô
men là M. Ta chiếu véc tơ M lên 2 hướng OC và hướng vuông góc với OC ta được M1và M2 bằng cách đó ta thay thanh nam châm NS thành 2 thanh nam châm N'S' và N"S". Một thanh N'S' có điểm C nằm trên đường trung trực.Một thanh N"S" có điểm C nằm trên đường trung trực .
Hình 1.5 (+)m
C H1
d
- (m) φ
H2
H
N S
M2
M1
- Cường độ từ trường thanh nam châm N'S' tác dụng lên điểm C là H1. Theo chứng minh phần b ta có :
ϕ
3 sin
3 1
1 d
M d
H = M = .
- Cường độ từ trường thanh nam châm N"S"tác dụng lên điểm C là H2 . Ta có :
ϕ 2 cos 2
3 3
2
2 d
M d
H = M =
Tổng hợp H1 và H2 có cường độ từ trường H gây ra ở điểm C là : + ⇒
=H1 H2 HV
r r r
độ lớn thì H2V = ( 3 sinϕ)2 ( 3 cosϕ)2 d
M d
M +
H2V = ( )2.(sin2 4cos2 )
3 ϕ+ ϕ
d M
H2V = ( 3)2.(1ưcos2ϕ+4cos2ϕ) d
M
2ϕ
3 1+3cos
=
⇒
d
HV M . (1.6)
1.3. Sự tác dụng lẫn nhau của hai thanh nam châm đặt trong từ trường đều.
NA = 2lsinδ
Dưới tác dụng của mô men quay này, kim nam châm sẽ quay và định hướng dọc theo hướng của véc tơ cường độ từ trường H
r
. Giá trị mô men quay ký hiệu là P được tính theo công thức .
P = 2lmHsinδ (4) (1.7)
* La bàn từ được đặt trong từ trường của trái đất.
Trong quá trình xét coi từ trường của trái đất là đều,
được tiến hành sử dụng một thanh nam châm thẳng đặt cố định trong thân la bàn, và một kim nam châm đặt trên chậu la bàn có khả năng quay quanh trọng tâm của nó.
Để đơn giản ta biểu diễn thanh nam châm và kim nam châm dưới dạng sơ đồ (Hình 1.6).
Nếu kim nam châm NS có mô men là 2ml, đặt trong từ trường đều có cường độ từ trường H , thì chúng chịu tác dụng của hai lực là +mH và -mH (Hình 1.6). Các lực +mH , -mH tạo với nhau thành một ngẫu lực với cách tay đòn là NA .
Hd H
-mH
+mH
A δ n
2l
Hình 1.6
Giả sử tại một vị trí nào đó trong không gian xung quanh kim nam châm ta đặt một thanh nam châm thẳng N-S cố định , có mô men từ là M (hình 1.7) .
Cường độ từ trường của thanh nam châm N-S ở trọng tâm của thanh nam châm ta tính
được theo công thức đã nghiên cứu ở 1.2 . ϕ
3 sin
1 d
H = M và 2 cosϕ
2 3
d H = M
- ở đây H1 r
có hướng vuông góc với đường 001và H2 r
có hướng song song với 001. Do vậy lực tác dụng của thanh nam châm N-S lên kim nam châm có thể tính được là: ± mH1 và ± mH2 các lực này tạo ra những ngẫu lực và được tính theo công thức (1.7) là : 2lmH1cos(ψ -δ) và
2lmH1sin(ψ -δ) .
Tính tất cả 3 mô men làm quay kim nam châm và tổng hợp lại ta có : 2lmHsinδ-2lmH1cos(ψ-δ) - 2lmH2sin(ψ-δ) = 0
hay : Hsinδ-H1cos(ψ-δ) - H2sin(ψ-δ) = 0 .
Thay giá trị H1 và H2 vào ta có điều kiện toán học cân bằng của kim nam châm : Hsinδ- 3
d
M sin φ.cos(ψ-δ) - 2 3 d
M cosφsin(ψ-δ) = 0 (1.8)
Dưới đây ta nghiên cứu 2 trường hợp đặc biệt về lực tác dụng lẫn nhau của kim nam châm và thanh nam châm thẳng dưới tác dụng của từ trường đều H - vị trí Gay-lys-Sắc thứ nhất và thứ hai .
+ Vị trí Gay-Lys-Sắc thứ nhất.
Trục của thanh nam châm nằm vuông góc với hướng từ trường đều H hay trọng tâm của kim nam châm nằm trên đường trục của thanh nam châm. Vị trí này tương ứng với vị trí nam châm khử độ lệch tàu nghiêng trong thân la bàn từ.
Trong trường hợp này góc φ = 0, ψ = 90o. Thay giá trị này vào biểu thức (1.8) ta có:
Hsinδ - 2 3 d
M cosδ = 0
+mH
Hình 1.7
Ψ-δ δ
+mH2
+mH1 N H H
S
-mH -mH1
-mH2 N
S
ϕ o
hay H = 2 3 d
M cotgδ (1.9)
Công thức (1.9) dùng trong thực tiễn để xác định thành phần nằm ngang của từ trường trái đất .
Để xác định H ta tiến hành như sau : đặt một thanh nam châm thẳng có mô men từ M , ở trong từ trường trái đất H . Trên khoảng cách d đã biết đặt một kim nam châm ở vị trí Gay- Lys-Sắc thứ nhất , đo góc lệch δ của kim nam châm theo công thức (1.9) ta tính được H.
Công thức (1.9) cũng được sử dụng để tính Mômen từ của thanh nam châm thẳng khi đã biết từ trường H, khoảng cách d, góc lệch δ. Tính Mômen từ M từ công thức (1.9).
H = Hd3tg 2
1 δ.
+ Trong trường hợp này φ = 90o , ψ = 0 thay φ và ψ vào biểu thức cân bằng của kim nam châm ta có :
0 cot
0 cos
sinδ ư 3 δ = ⇒ = 3 gδ = d
H M d
H M (1.10) .
Công thức (1.10) dùng để xác định thành phần từ trường của quả đất và mô men từ thanh nam châm .
s
N
H
O O1
ψ = 90
δ
d
H
H2
Hình 1.8
Hình 1.9
O O1
δ
S H
N
H1
ψ
N S
+Vị trí Gay-Lys-Sắc thứ hai : Thanh nam châm đặt vuông góc với từ trường H hay trọng tâm kim nam châm nằm trên đường vuông góc với trục thanh nam châm và đi qua trung điểm của thanh . Vị trí này tương ứng với vị trí nam châm khử độ lệch bán vòng (hình 1.9).
1.4 Vật thể sắt từ - Phương pháp luyện sắt từ thành nam châm 1.4.1 Tính chất của vật thể sắt từ .
Tất cả các chất tuỳ theo giá trị độ từ thẩm à của chúng mà người ta có thể chia ra thành 3 loại:
- Các chất phản từ , ứng với à < 1.
- Các chất thuận từ , ứng với à > 1.
- Các chất sắt từ , ứng với à >> 1.
1.4.1.1 Các chất sắt từ .
Các chất sắt từ có độ từ thấm rất lớn (à >> 1), nên nó có khả năng từ hoá đặc biệt . Khả năng từ hoá đặc biệt của vật thể sắt từ có thể được giải thích như sau :
+ Vật thể sắt từ được cấu tạo bởi vô số các nam châm phân tử. Nếu các nam châm phân tử chuyển động hỗn loạn thì lực tác dụng giữa chúng trong trường hợp tổng quát bằng 0 và vật thể không có từ tính. Các nam châm phân tử tác dụng tương hỗ và giữa chúng ở vị trí cân bằng.
+ Nếu ta đem vật thể sắt này đặt vào trong một từ trường, dưới tác dụng của các lực , các nam châm phân tử bị định hướng theo hướng xác định, nghĩa là nó bị từ hoá. Sau khi tất cả các nam châm phân tử đã định hướng theo từ trường ngoài thì nó ở tình trạng bão hoà từ và không có khẳ năng từ hoá hơn nữa .
+ Nếu ta triệt tiêu từ trường từ hoá bên ngoài, thì do lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử lại làm chúng chuyển động hỗn loạn trở về tình trạng đầu. Nhưng do hiện tượng định hướng song song của các nam châm phân tử, mặt khác lực tác dụng tương hỗ giữa chúng phát sinh không hoàn toàn như tình trạng ban đầu, do vậy chúng vẫn còn một lượng từ dư khi từ trường bên ngoài triệt tiêu, chúng có thể trở thành nam châm .
1.4.1.2 Các chất thuận từ .
Các chất thuận từ có độ từ thẩm à >1đơn vị, chất này bị từ hoá theo hướng của từ trường ngoài. Nhưng do chuyển động nhiệt phân tử ở trong chất thuận từ đã làm giảm khả năng định hướng của nam châm phân tử , vì vậy chất thuận từ bị từ
hoá yếu không dùng làm nam châm vĩnh cửu .
1.4.1.3 Các chất phản từ : à < 1đơn vị.
Các chát phản từ có các nam châm phân tử bị từ hoá
theo hướng ngược lại với từ trường từ hó, nên khả năng từ hoá của nó nhỏ hơn một đơn vị .
O
+B
Hình 1.10 Đường cong từ trễ b a
c
f
e -H
-B d
+H
1.4.2 Đặc tính từ hoá của sắt từ .
Cho một thỏi sắt từ vào trong lòng một ống dây và cho dòng điện chạy qua cuộn dây đó.
Ban đầu tăng dần cường độ từ trường H thì cảm ứng từ B cũng tăng, theo tỷ lệ thuận khi cường
độ từ trường H đạt tới cường độ từ trường của cuộn dây thì cảm ứng từ B không tăng nữa, đạt giá trị lớn nhất. Điểm a là điểm bão hoà từ (hình 1.10). Nếu sau đó ta giảm từ từ cường độ từ trường H, thì cảm ứng từ B cũng giảm dần không theo đường cũ mà theo một đường khác gọi là đường trễ ab, khi H giảm về 0. Hiện tượng trễ này cũng cho ta thấy vật thể sắt từ có tính chất từ hoá đặc biệt, đoạn ob gọi là từ dư.
Ta tiếp tục từ hoá ngược, tức là đổi chiều dòng điện trong cuộn dây. Khi tăng cường độ từ hoá ngược thì cảm ứng từ B cũng giảm dần theo đường cong bc. Khi cường độ từ trường đạt giá trị oc thì cảm ứng từ B triệt tiêu, đoạn oc gọi lực giữ từ. Tiếp tục tăng H theo hướng oc thì
B cũng tăng theo đến điểm d thì B không tăng nữa. Điểm d gọi là điểm bão hoà từ. Ta tiếp tục giảm H về không thì thỏi sắt từ vẫn tồn tại cảm ứng từ theo đoạn de (điểm e đối xứng điểm b).
Tiếp tục tăng H thì B tăng theo (đoạn ef ). Tiếp tục tăng H thì đường cong lại về trùng điểm a.
Vậy đường cong (oabcdefa) là đường cong từ trễ biểu thị quá trình từ hoá của sắt trong từ trường. Lực giữ từ oc là đặc tính quan trọng nhất của vật liệu sắt từ .
1.4.3 Vật liệu nam châm từ .
Căn cứ vào lực giữ từ (hay còn gọi là lực kháng từ) người ta chia vật liệu sắt từ làm hai loai : sắt từ cứng và sắt từ mềm.
1.4.3.1 Sắt từ cứng.
Sắt từ cứng là những vật liệu sắt từ có lực kháng từ lớn, tức là có khả năng giữ từ lớn , nó được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Các sắt từ cứng đặc biệt là thép các bon thép crôm và thép có chứa nhiều co-ban. Sắt từ cứng tương ứng với vật liệu sắt từ có lực kháng từ lớn hơn 20 oe .
1.4.3.2 Sắt từ mềm.
Sắt từ mềm là những vật liệu sắt từ có lực kháng từ nhỏ, hầu như không có khả năng dữ
lại từ tính . Những vật liệu sắt từ được gọi là sắt từ mềm khi lực kháng từ nhỏ hơn 2 oe . Dưới đây là lực kháng từ của một số vật liệu sắt từ :
Hợp kim Platin - Coban 4000 oe Hợp kim Platin - Sắt 15000 oe Hợp kim "Magnhit" 550 oe Hợp kim "Vickal" 500 oe Thép Co-ban 220 oe Thép Von - Fram 60 oe
Thép đóng tàu 8 oe Sắt"Armko" 0,8 oe Hợp kim"Pecmaloi" 0,05 oe .
* La bàn từ có các thiết bị khử độ lệch được chế tạo từ sắt từ cứng và sắt từ mềm như sau : + Các vật liệu sắt từ cứng như các thanh khử độ lệch bán vòng, khử độ lệch lệch tàu nghiêng và hệ thống kim từ của một số la bàn. Các loại nam châm nàyđược chế tạo bằng thép Vonfram , thép Crôm , thép Coban và một số hợp kim đặc biệt khác, các chất này có lực kháng từ lớn tới 100 oe .
+ Người ta thường chế tạo các thỏi nam châm có tiết diện tròn hoặc vuông, kích thước tiết diện rất nhỏ so với chiều dài của chúng , đầu bắc sơn màu đỏ, đầu nam sơn màu đen hoặc trắng . Mô men từ của thanh nam châm có thể được ghi ngay trên thân thanh nam châm cùng với năm sản suất , số liệu suất xưởng . Các thanh nam châm để khử độ lệch có mô men từ rất lớn có thể đạt tới 35000 đơn vị C.G.S.M tuỳ theo từng nước sản xuất, tuỳ theo khoảng cách đặt thanh khử với một số la bàn .
+ Để chế tạo nam châm có mô men từ lớn người ta tiến hành chế tạo sắt từ và cho từ hoá
đặc biệt. Đầu tiên người ta đem tôi bằng cách nung chúng lên 8000C - 12000C (nung tới nhiệt
độ nào đó là tuỳ thuộc vào loại hợp kim chế tạo thanh nam châm). Sau đó bỏ nhanh chúng ra ngoài không khí hoặc cho vào nước vào dầu (cho vào loại môi trường nào tuỳ loại hợp kim).
Sau khi tôi xong, các thanh nam châm được đem làm ổn định cấu tạo bằng cách luộc chúng ở trong nước sôi (1000C) . Bằng cách này đảm bảo ổn định thành phần hoá học của thanh nhanh hơn so với nhiều phương pháp khác. Một giờ luộc thanh sắt từ như vậy có tác dụng bằng để thường hoá ngoài không khí bằng mấy năm .
Sau khi đã ổn định cấu tạo người ta đem từ hoá chúng. Để từ hoá được chúng, với thép Vonfram và thép Crôm , cường độ từ trường từ hoá phải đạt tới 400 oe đến 500 oe , còn thép Coban thì phải từ 1000 oe đến 1500 oe.
Sau khi từ hoá xong người ta đem nam châm đi ổn định từ tính, tức là loại trừ các từ trường cục bộ nảy sinh trong các giờ đầu tiên. Mặt khác ổn định từ tính còn có tác dụng làm cho thanh nam châm ít nhạy cảm với các dao động cơ học và các từ trường bên ngoài, như thế cũng có nghĩa là ổn định được mô men từ của thanh nam châm .
ổn định từ hay còn gọi là già từ được người ta thực hiện bằng cách đặt thanh nam châm vào trong một cuộn dây có dòng điện xoay chiều chạy qua. Tần số dao động của dòng điện
được chọn tương ứng với các pha dao động điện hoặc dao động cơ học trên tàu thường tác dụng vào la bàn. Sau khi cho dòng điện vào người ta dần dần giảm dòng điện về 0 .
Bằng cách ổn định như vậy các thanh nam châm sẽ có khả năng ít nhạy cảm với các hiện tượng va đập , rung động. Mô men từ của chúng giữ được cố định khi biên độ dao động nhiệt
tới 300C và khi cường độ từ trường ngoài thay đổi tới 2 oe ứng với nam châm Vonfram và Crôm , tới 3 oe ứng với nam châm Coban - Crôm .
Các thanh nam châm vĩnh cửu thường được bảo vệ trong hộp gỗ đặc biệt, các nam châm
để cách nhau không nhỏ hơn 5 cm , tuỳ theo mô men từ lớn hay nhỏ. Các lực cùng tên để khác phía trong hộp gỗ không nên dính các thanh nam châm với nhau vì làm như thế khi tách chúng ra sẽ không đảm bảo được cố định từ tính theo thời gian. Để tránh hiện tượng rỉ người ta thường sơn cực bắc màu đỏ, cực nam màu xanh... không nên để nam châm ở nơi có nhiệt độ cao, nơi có từ trường cường độ lớn hơn 3 oe . Các thanh nam châm không được đặt gần các vật bằng sắt .
* Sắt từ mềm để khử độ lệch phần tư, độ lệch cảm ứng người ta sử dụng sắt từ mềm.
Chúng được chế tạo thành các thỏi có tiết diện tròn, quả cầu hoặc các tấm hình chữ nhật. Các thỏi và tấm được chế tạo bằng sắt non có lực kháng từ nhỏ hơn 1,5 oe còn quả cầu được chế tạo bằng gang có lực kháng từ nhỏ hơn 3,5 oe. Để chống rỉ người ta có thể đem sơn màu xanh,
đen.v.v...
1.5 Từ trường của trái đất - độ lệch địa từ
1.5.1 Khái niệm địa từ trường.
Qua thí nghiệm, khi treo một kim nam châm tự do trên bề mặt của trái đất ở bất kỳ vị trí nào cũng quan sát thấy một đầu kim nam châm luôn định hướng. Từ thí nghiệm trên chứng tỏ trái đất luôn có từ trường. Từ trường luôn bao quanh bề mặt trái đất, trên không gian, trong lòng đất và cả dưới nước biển đều phát hiện thấy có từ lực tác dụng. Từ trường của quả đất có ý nghĩa rất lớn trong cuộc sống con người. Trong không gian hàng nghìn kilômét bao quanh mặt đất, từ trường của quả đất cũng như môi trường ngăn tia sáng vũ trụ xuyên vào quả đất.
Do đó nó bảo vệ đươc cuộc sống của các sinh vật trên mặt đất khỏi bị huỷ diệt do phóng xạ.
Nghiên cứu từ trường của quả đất cho phép chúng ta khái quát những nét cơ bản để xây dựng bề mặt quả đất, phát hiện ra những vỉa quặng có ích, nghiên cứu các hiện tượng phát sinh từ mặt trời và không gian vũ trụ. Một ví dụ rõ ràng nhất là con người đã biết lợi dụng từ trường của quả đất để chế tạo ra địa bàn giúp con người đi trong rừng, đi trên sa mạc, chế tạo ra la bàn để đi lại trên biển.
Trong năm vật lý địa cầu 1957-1958 các nhà khoa học đã nghiên cứu và thí nghiệm dùng các máy móc đo từ tính, đo được các yếu tố từ trường trên mặt đất. Trong thực tế thì từ trường của quả đất khá phức tạp, để đơn giản, cho phép ta coi từ trường của quả đất như một nam châm khổng lồ, có cực nam(S) nằm ở gần địa cực bắc, cực bắc(N) của nam châm nằm ở gần địa cực nam của trái đất. Đường đi qua hai cực từ gọi là trục từ Pm P'm (hình 1.11), trục từ nghiêng với trục trái đất một góc là 12 độ . Cực từ của nam châm hàng năm có thay đổi vị trí.
Ví dụ: Khảo sát năm 1950 : cực bắc từ (φ = 720N, λ =960W ) . Cực nam từ((φ = 700S , λ
=150020'E) cực từ Pm ở gần địa cực bắc có từ tính nam và cực từ P'm ở gần địa cực nam có từ tính bắc nên kim nam châm của la bàn luôn hướng về phía cực Pm. Thế nhưng khi gọi tên ta gọi cực Pm là cực bắc và cực P'm là cực nam tương ứng với tên của cực địa lý:
- Theo lý thuyết sức từ đi vào ở cực nam Pm , từ trường mang dấu dương , đi ra ở cực bắc P'm, từ trường mang dấu âm .
1.5.2 Các phân lực địa từ và ảnh hưởng của nó . Xét điểm A bất kỳ trên bề mặt trái đất , chịu tác dụng của cường độ địa từ trường ký hiệu là T.
Véc tơ cường độ từ trường (T r
) ở tại mỗi điểm luôn tiếp tuyến với đường sức từ. Nếu Tại điểm A ta treo một kim nam châm thì trục kim nam châm sẽ nằm theo hướng của véc tơ (T
r
) và lệch với mặt phẳng nằm ngang một góc θ , góc θ gọi là độ từ nghiêng . Nếu đầu bắc kim nam châm chúi xuống thì góc θ mang dấu dương , nếu đầu bắc kim nam châm ngẩng lên thì góc θ mang dấu âm. Như vậy ở cực thì góc θ=± 900 , T
r đi vào ở cực bắc và đi ra ở cực nam. ở xích đạo θ = 00, đường nối các
điểm có θ = 00 gọi là xích đạo từ, xích đạo từ có dạng đường cong không đều nó ở gần xích
đạo địa lý. Các điểm có cùng độ từ nghiêng θ nối lại gọi là vĩ độ từ . Phân tích véc tơ cường độ từ trường T thành hai thành phần.
- Thành phần nằm ngang : H . - Thành phần thẳng đứng : Z
Thành lập công thức biểu thị mối quan hệ giữa các phân lực : Ta có: T2 = H2 + Z2
A
Z
d H Hd
Nt
T θ
Hình 1.12 Các phân lực địa từ Pm
P’m PN
PS
12o
A T H
Z
Hình 1.11 Từ trường Trái
đất
H = Tcos θ Z = Tsin θ tg θ =
H Z
=> Nhận xét : Phân lực H gọi là phân lực định hướng nghĩa là dưới tác dụng của phân lực nằm ngang H luôn kéo kim nam châm của la bàn chỉ hướng bắc địa từ (Nd) , kinh tuyến đi qua gọi là kinh tuyến địa từ , kinh tuyến địa từ được chọn làm mốc tính hướng đi và phương vị
địa từ.
Qua công thức ta thấy nếu điểm A ở xích đạo thì θ = 0 ⇒ H = T = HMax (khoảng 0,4 oe), Z = 0 chứng tỏ la bàn hoạt động ở vùng xích đạo , gần xích đạo khả năng định hướng tốt nhất.
Khi vĩ độ càng tăng thì H càng giảm , ở cực thì θ = 900 ⇒ H = 0 chứng tỏ la bàn không có khả
năng hoạt động .
- Phân lực Z không có tác dụng định hướng . 1.5.3 Độ lệch địa từ (Hình 1.13)
Do trái đất có từ trường, lực địa từ tác dụng vào kim nam châm la bàn làm kim la bàn không chỉ hướng bắc thật ký hiệu (Nt) mà chỉ sang một hướng khác gọi là bắc địa từ (Nd) , kinh tuyến đi qua gọi là kinh tuyến địa từ, kinh tuyến
địa từ được chọn làm mốc để tính hướng đi địa từ (Hd) và phương vị địa từ (Pd) vậy góc lệch giữa kinh tuyến
địa từ và kinh tuyến thật gọi là độ lệch địa từ d .
Nếu đầu bắc kim nam châm lệch về phía đông (E) so với kinh tuyến thật thì d mang tên đông (E) và lấy dấu (+) . Nếu bắc kim nam châm lệch về phía tây so với kinh tuyến thật d thì mang tên tây (W) lấy dấu (-).
ở những điểm khác nhau trên mặt đất, độ lệch địa từ có giá trị khác nhau, nó có thể biến thiên từ 00 đến ± 1800WE .
Giá trị và sự phân bố từ trường trên bề mặt trái đất được người ta biểu thị bằng các bản
đồ đặc biệt gọi là bản đồ từ. Các bản đồ này được xây dựng theo định kỳ vì từ trường của trái
đất thay đổi theo thời gian . Ví dụ bản đồ từ xây dựng năm 1995 có nghĩa là các tài liệu sử dụng được tính từ lúc 0h00m ngày 01/ 01/1995 theo kinh tuyến gốc . Trên bản đồ vùng được vẽ các đường đẳng trị . Mỗi đường đẳng trị yếu tố từ trường có một tên gọi riêng . Đường đẳng trị
độ lệch địa từ gọi là đường đẳng độ lệch địa từ , đường đẳng trị các lực T , H và Z gọi là đường
đẳng từ .
Nd
S
dE(+) N
dW(-)
Nd Nt
Hình 1.13
Các bản đồ từ trường có hai loại, một loại tỷ lệ xích lớn , một loại có tỷ lệ xích nhỏ . Những bản đồ có tỷ lệ xích lớn được dựng cho một vùng nhỏ, mạng lưới đường đẳng trị dầy
đặc nó chỉ tất cả các từ trường đặc biệt ở vùng này. Bản đồ tỷ lệ xích nhỏ được xây dựng cho một vùng biển lớn hoặc cho toàn bộ thế giới, trên đó biểu thị khái quát các đường đẳng trị , các yếu tố từ trường .
Các yếu tố từ trường trái đất không cố định mà luôn luôn thay đổi, nguyên nhân gây ra sự thay đổi này thì cho tới nay khoa học vẫn chưa giả đáp được thoả mãn. Từ trường của trái
đất được phát sinh do hai loại từ trường : Từ trường chính và từ trường biến đổi .
Từ trường chính cũng không phải là cố định, khi quan sát liên tục nhiều năm , người ta thấy nó thay đổi chậm . Sự thay đổi giá trị trung bình trong năm gọi là sự thay đổi thế kỷ . Sự thay đổi giá trị từ trường trung bình trong một ngàyđêm gọi là sự thay đổi ngày đêm , thường rất nhỏ nên trong thực tiễn người ta bỏ qua .
Sự thay đổi mang tính chu kỳ năm này qua năm khác được ghi sẵn trên hải đồ đi biển, theo từng hoa địa từ cho từng khu vực. Hoa địa từ là một vòng tròn chia độ từ 00 đến 3600 trong vòng tròn ghi sẵn các giá trị độ lệch địa từ, năm khảo sát địa từ và lượng thay đổi hàng năm .
Ví dụ: Trên hải đồ Việt Nam có ghi: Tại khu vực biển Long Châu ĐLĐT : 0055w - 1995 có nghĩa là độ lệch địa từ khảo sát năm 1995 là d = 0055w hàng năm không thay đổi. (hình 1.14).
Ví dụ : trên hải đồ Anh có ghi : Tại khu vực biển Hồng Kông là : MagVar 2005w-1990 (4'W) có nghĩa là độ lệch địa từ khảo sát năm 1990 là d = 2005W , thay đổi theo hàng năm 4'W. (Hình1.15)
Từ trường biến đổi thì độ lệch địa từ cũng biến đổi liên tục có tính chất đều đặn nhưng có những ngày chúng thay đổi đột biến cả về chu kỳ lẫn biên độ. Sự thay đổi đột biến có cường độ rất lớn, có thể xảy ra mọi nơi trên trái đất hay một vài địa phương người ta gọi là bão từ. Thời gian bão từ có thể xảy ra từ hai đến ba ngày đêm.
Trong những năm gần đây nhờ có vệ tinh nhân tạo của trái đất, người ta đã biết đươc nguồn gốc của sự biến đổi từ trường là do dòng cảm ứng xuất hiện ở tầng cao của khí quyển
Hình 1.14 180o
270o ĐLĐT : 0o 55’w – 1995. 90o
Hàng năm không thay đổi
0o
Hình 1.15
270o 90o
0o
Mag Var 2o0 5’w-1990(4’w)
180o
tới vài nghìn kilômét. Những dòng như vậy chủ yếu là dòng các phân tử mang điện từ mặt trời
đến. Nghiên cứu từ trường trái dất ở nước ta chưa có cơ quan nào tiến hành một cách quy mô.
ở nước ngoài đã có nhiều nhà bác học, nhiều cơ quan nghiên cứu như : viện từ trường trái đất, viện nghiên cứu tầng điện li và sự lan truyền của sóng vô tuyến . vv.
1.6 nguyên tắc làm việc của la bàn từ
Nếu ta đã biết, thành phần nhạy cảm của la bàn là kim từ . Khi kim la bàn được treo tự do thì trục kim của nó sẽ định hướng dọc theo véc tơ cường độ từ trường (T
r
) của trái đất và chỉ ra mặt phẳng kinh tuyến từ. Nhưng kim từ treo tự do không thể sử dụng làm thành phần nhạy cảm cho la bàn từ hàng hải được , bởi vì khi độ từ nghiêng lớn (ở vĩ độ cao ) xác định hướng nằm ngang theo kim nghiêng rất khó khăn. Vì vậy trong các la bàn từ hàng hải người ta tìm cách treo thành phần nhạy cảm sao cho nó chỉ tự động xoay trong mặt phẳng nằm ngang (hình 1.16), thể hiện một kim từ được treo như vậy . Trục kim tạo vói thanh phần nằm ngang của từ trường trái đất , nghĩa là với kinh tuyến từ một góc δ .
Từ trường trái đất ở trong không gian kim nam châm chiếm chỗ có thể coi như là từ trường đều. Với điều kiện này theo công thức (1.7) kim từ chịu tác dụng một mômen quay P.
P = 2lmHsinδ (1.11)
ở đây 2l là chiều dài kim từ và m là từ khối mỗi lực kim từ
Biết 2lm = M là mômen từ của kim nam châm do đó P = MHsinδ .
Dưới tác dụng của mômen quay P kim nam châm xoay về phía kinh tuyến từ. Xong do có ma sát ở điểm đỡ cho nên kim sẽ ổn định trên hướng khác với kinh tuyến
từ. Theo công thức trên thì kim từ chỉ ổn định khi δ = 0 tức là sinδ = 0 , do vậy P = 0 .
Mô men P gọi là mômen quay của kim la bàn từ . Trong thực tế do điều kiện ổ đỡ thành phần nhạy cảm chưa lý tưởng cho nên vẫn tồn tại một lực ma sát làm triệt tiêu bởi mômen quay P. Tức là kim từ sẽ ổn định ở vị trí ứng với một góc δ nhỏ , góc này gọi là góc i' ký hiệu là .
Vật liệu ma sát triệt tiêu bởi lực P l à : Q Q = M.H.sin
δ
T
Z +mH
S
M Nt
N
Hình 1.16 -m H
Với nhỏ nên có thể viết Q = MH . Hay = MH
Q
La bàn nào càng có góc i' nhỏ thì la bàn ấy càng tốt .
+ Muốn giảm i' ta làm giảm lực ma sát Q ở điểm ổ đỡ đạt giá trị nhỏ nhất. Để đạt được yêu cầu này người ta gắn kim từ vào đáy mồt chiếc phao kín nước bằng nhựa hoặc bằng đồng, sau đó thả chúng vào dung dịch cồn và nước cất. Toàn bộ thành phần nhạy cảm được đỡ trên một kim trụ . Đỉnh kim trụ và ổ đỡ người ta gắn kim loại cứng. Với điều kiện hoạt động như
trên lực ma sát đạt giá trị nhỏ nhất .
+ Mặt khác để giảm góc i' ta tăng mômen từ của kim nam châm, bằng cách người ta chế tạo kim từ không phải là một thanh nam châm mà bằng một cặp hay nhiều căp thanh nam châm đặt song song, cùng cực, cùng từ lực, đối xứng qua trọng tâm kim la bàn. Hệ thống nam châm như vậy sẽ đảm bảo mô men từ lớn nhất .
+ Giá trị mômen quay P của kim la bàn còn phụ thuộc vào vĩ độ. Khi tàu ở xích đạo thì
H lớn nhất nên P cũng lớn nhất khi tàu về cực thì H = 0, nên mô men quay P nhỏ nhất và có góc ì lớn nhất, la bàn định hướng rất kém .
+ Góc i' của la bàn hiện đại cho phép ≤ 002 khi H = 0,05 0e ở nhiệt độ +150C .
Chương 3
La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch
3.1 cấu tạo la bàn từ của Liên xô
ở nước ta hiện nay các phương tiện vận tải trên biển cũng như các tàu khai thác cá biển
được nhập từ rất nhiều nước, không những của các nước xã hội chủ nghĩa như Liên Xô , Ba Lan ... mà còn của các nước tư bản chủ nghĩa như Nhật , Na Uy , Thuỵ Điển ...
Trên các con tàu như vậy đều có trang bị la bàn từ hàng hải, la bàn của mỗi nước có kết cấu không hoàn toàn giống nhau. Song về mặt nguyên lí làm việc, vật liệu chế tạo và lý thuyết khử
đô lệch về cơ bản là giống nhau.
ở đây trong khuôn khổ của một giáo trình tác giả chỉ giới thiệu cấu tạo của hai loại la bàn từ Liên Xô và của Nhật được thế giới công nhận có rất nhiều ưu điểm, được sử dụng rộng rãi trên thế giới .
3.1.1 Cấu tạo la bàn loại YKП - M (127 mm) .
La bàn từ được sử dụng bên cạnh la bàn điện (la bàn con quay) trang bị trên tàu để chỉ hướng đi và xác định vị trí tàu theo phương pháp quan trắc phương vị của mục tiêu trên mặt
đất hoặc phương vị thiên thể .
La bàn dùng để kiểm tra hướng đi của tàu và xác định vị trí tàu gọi là la bàn chuẩn được
đặt ở phía trên ca pin thượng, nằm trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua trục dọc tàu, ở xa các trang bị bằng sắt, thép không bị cản trở khi quan sát về mọi phía.
La bàn từ đặt ở trước hay cạnh vô lăng lái, khi không có la bàn điện thì la bàn này làm nhiệm vụ chỉ hướng cho người điều khiển tàu gọi là la bàn chỉ đường hay la bàn lái. Trên nhiều con tàu, ngoài la bàn chuẩn và la bàn lái còn được trang bị thêm la bàn dự phòng đặt ở buồng lái sự cố và la bàn trên xuồng cứu sinh .
Cấu tạo toàn bộ của la bàn 127 mm gồm có : Chậu và mặt số, vòng phương vị, thân, đế và các nam châm để khử độ lệch bán vòng, độ lệch nghiêng ; các thanh sất non để khử độ lệch bán vòng thứ , độ lệch phần tư và độ lệch cảm ứng, ngoài ra còn có nắp bảo vệ, các bu lông để gắn la bàn với boong tàu, các trang bị chiếu sáng, các bộ phận gá các vật liệu khử độ lệch .
3.1.1.1 Mặt số la bàn:
Mặt số la bàn là thành phần nhạy cảm của la bàn, nó được định hướng dưới sự tác dụng của từ trường trái đất và từ trường tàu. Nếu la bàn ở trên các con tàu vô từ tính thì trục NS của thành phần nhạy cảm nằm theo hướng kinh tuyến từ còn nếu đặt la bàn ở trên các tàu có từ tính thì trục NS của mạt số la bàn nằm dọc theo kinh tuyến la bàn .
Bộ phận cơ bản của mặt số là hệ thống nam châm, hệ thống này gồm 6 thanh được chia thành 3 cặp mỗi cặp nam châm được bố trí song song, cùng cực, cùng từ lực như sau :
a. Từng cặp có chiều dài bằng nhau bố trí đối xứng nhau qua cực NS của mặt số . b. Trọng tâm của từng nam châm nằm trên đường OW .
c. Đầu của tất cả các thanh nam châm nằm trên một vòng trong có tâm là trọng tâm của hệ thống nam châm .
d. Góc giữa trục NS của hệ thống và đường nối từ trọng tâm hệ thống tới các đầu thanh nam châm như sau :
Với hai thanh dài 80,7mm là 12052' . Với hai thanh dài 73,4mm là 38034' . Với hai thanh dài 45,8mm là 64017' .
Các nam châm được chế tạo bằng hợp kim có chất lượng từ hoá cao, mô men từ của nó cố định trong thời gian dài. Giá trị mô men từ của hệ thống nam châm khoảng 1500 ± 250 đơn vị C.G.S.M .
Hệ thống nam châm được hàn vào phía dưới một chiếc phao bằng đồng thau mỏng. ở phía trên phao được gắn vào một mặt khắc độ, mặt khắc độ được chế tạo bằng đồng thau mỏng hoặc nhôm. ở trong tâm của cả hệ thống nam châm và phao người ta làm một ổ đỡ hình nón, ở
đỉnh hình nón có một cái vít từ trên xuống ở đỉnh vít người ta gắn một miếng kim loại làm
"chân kính" đỡ. Toàn bộ hệ thống kim, phao, mặt số ở trong không khí nặng khoảng 105g , ở trong dung dịch cồn nặng khoảng 4g. Toàn bộ hệ thống nhạy cảm được đỡ trên một kim trụ,
đỉnh trụ cột gắn hợp kim cứng .
3.1.1.2 Chậu la bàn. (Hình 3.2)
Chậu la bàn được chế tạo bằng đồng thau nó được chia làm 2 ngăn (hình 3.2), ở giữa chậu có bộ phận để gắn kỉm trụ đỡ mặt số, chậu được sơn màu trắng như màu sơn của phao và mặt số. ở vành chậu phía trên có vòng khắc độ dùng để chỉ góc mạn, ở thành chậu có kẻ hai
đường vạch chuẩn màu đen, vạch phía trước chỉ hướng mũi tàu, vạch sau chỉ hướng về lái tàu.
Sơn dùng để sơn mặt số và thành chậu là loại sơn chứa natri và kali không bị cồn phá huỷ, không tham gia vào phản ứng hoá học với cồn và nước.
Hình 3.1 Cấu tạo mặt số la bàn
Để thuận tiện cho việc định hướng, mặt khắc độ được chia ra 360 gạch, mỗi gạch ứng với một độ, cứ cách 100 có một gạch dài. Trên mặt số ghi các hướng chính N , S , E , W và các hướng phần tư NE , SE , NW , SW.
Cấu tạo của bộ phận nhạy cảm được thể hiện : 1.Các kim từ; 2. Phao; 3. ổ đỡ kim trụ; 4.
Vít để gắn hợp kim; 5. Mặt khắc độ
Ngăn trên của chậu người tra gọi là buồng chính, nó dùng để chứa thành phần nhạy cảm thả ở trong dung dịch cồn.
Ngăn phía dưới gọi là buồng phụ, ngăn này có tác dụng khắc phục hiện tượng thay đổi thể tích của dung dịch khi nhiệt độ của dung dịch thay đổ , ở đáy của ngăn phụ có một màng ngăn mỏng bằng đồng thau, khi thể tích dung dịch tăng lên thì nó giãn ra, khi thể tích dung dịch giảm thì nó co vào.
Ngoài ra ngăn phụ còn chứa các cặn bẩn nổi và dầu các bọt khí khi trong dung dịch cồn có một ít bọt khí.
Phía mặt trên của chậu được gắn một tấm kính trong suốt có vòng đệm cao su kín nước và vành ép để ép chặt mặt kính. Trên mặt của chậu được gắn một vòng phương vị.
ở đây chậu người ta lắp một khối chì và có lắp bảo vệ khối chì. Khối chì có tác dụng luôn luôn giữ chậu ở vị trí thẳng đứng khi tàu dao động, tức là đảm bảo mặt chậu luôn luôn ở vị trí trên mặt nằm ngang khi tàu nghiêng.
Cũng ở đáy chậu, giữa khối chì có một lỗ để gắn bóng đèn chiếu sáng cho mặt số vào ban đêm hoặc lúc trời tối.
Chậu la bàn được đổ đầy dung dịch cồn 430, dung dịch này có khả năng không đông đặc ở nhiệt độ tới -260C .
Toàn bộ chậu được gắn vào một giá Các-đăng, nhờ có giá Các-đăng mà mặt chậu luôn luôn giữ ở trong mặt phẳng nằm ngang .
Trọng lượng của chậu (trừ vòng phương vị) nặng 8kg . 3.1.1.3 Vòng phương vị. (Hình 3.3)
Hình 3.3 Cấu tạo vòng phương vị 1.Khung dây vạch chuẩn, 2.Khung khe ngắm, 3.Các khung kính màu, 4.Hình trụ và cầu gắn Cô-lông-ga, 5.Giá vòng phương vị, 6.Lăng kính
B iể u x íc h la b à n 4
1 3 2
6
5 Chậy la bàn
9 10 11 12 13 15 14 16 9
8 7 6 4 5 3 1 2
Hình 3.2 Cấu tạo chậu la bàn từ M-127
1.Vạch hướng mũi, 2.Buồng chính, 3.Lỗ gắn kim trụ, 4.Kim trụ, 5.Mặt kính, 6.Vạch chắn tia sáng, 7.Giá đỡ kim trụ, 8.Vành phương vị, 9.Trục gá của chậu, 10.Thân chậu, 11.Màng nhăn, 12.Buồng phụ, 13.Khối chì, 14.Kính ở màng nhăn, 15.Đèn chiếu sáng
Vòng phương vị dùng để ngắm phương vị mục tiêu, phương vị thiên thể để xác định vị trí tàu, xác định sai số la bàn và giả các bài toán khác .v.v.
Vòng phương vị (hình 3.3) gồm các bộ phận cơ bản sau: Giá gắn lên chậu la bàn khe ngắm và lăng kính, dây vạch chuẩn, bộ phận giá gắn máy Cô-lông-ga, các kính màu.
Giá gắn lên chậu la bàn là một vành tròn bằng đồng thau, có lẫy để gắn vào vành của chậu, trên vành này có các đinh vít để gắn khung vạch chuẩn, khung khe ngắm và lăng kính có hai chốt để gắn cầu đỡ Cô-lông-
Khung vạch chuẩn được chế tạo hình chữ nhật ở giữa có một dây vạch chuẩn dây vạch chuẩn ở vị trí nằm trong mặt phẳng thẳng đứng, dây vạch chuẩn được định vị và kéo căng bằng hai đinh vít. ở ngoài khung vạch chuẩn có một khung kính hoặc tấm kim loại để bảo vệ, nó có thể nâng lên hoặc hạ xuống được. Ngoài ra nó còn có một cái gương để phục vụ cho việc lấy phương vị ở độ cao lớn hơn 260 .
Khe ngắm là bộ phận dùng để ngắm qua giữa mặt số và dây vạch chuẩn tới mục tiêu, khe ngắm giúp cho người quan sát nhìn mục tiêu hoặc thiên thể được dễ dàng khi thời tiết xấu hoặc ban đêm. Để lấy số chỉ trên mặt số được chính xác và nhanh, ở phía dưới khe ngắm có một lăng kính, lăng kính có tác dụng phóng đại số chỉ của mặt số và cho ta ngay số chỉ phương vị. Cả khe ngắm lẫn dây vạch chuẩn phải nằm trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua trọng tâm của thành phần nhạy cảm, người ta gọi là mặt phẳng ngắm .
Bộ phận ngắm Cô-lông-ga được chế tạo bằng đồng thau, nó gồm có một ống hình trụ để lòng vào đế máy Cô-lông-ga, ống hình trụ được gắn với cầu gắn vào vòng phương vị bằng 4
đinh vít, tâm của ống hình trụ khi gắn vào vòng phương vị phải nằm trong mặt phẳng ngắm . Kính mầu, ở phía trước khe ngắm có gắn 2 hoặc 3 màu hình tròn, nó có tác dụng lọc màu, làm giảm cường độ tia sáng khi ta quan sát mặt trời hoặc các thiên thể qua sáng, tuỳ theo mức độ chói khác nhau mà ta chọn kính màu cho phù hợp
Hình 3.4 Cấu tạo thân La bàn
3 2 1
3
4
5
6
3.1.1.4 Thân la bàn từ. (Hình 3.4)
Thân la bàn 127mm được chế tạo bằng hợp kim Nhôm - Silic. Thân la bàn gồm 3 phần : Phần trên, phần giữa và phần đế.
Phần trên dùng để gắn chậu la bàn và các bộ phận gắn các thanh sắt non khử độ lệch, nó có thể thay đổi vị trí theo chiều ngang.
Phần giữa dùng để đỡ phần trên cho cao, đồng thời ở trong ruột của nó có gắn một ống đồng thẳng đứng, trong ống đồng chứa nam châm khử độ lệch nghiêng, ngoài ra ống đồng còn làm nhiệm vụ đỡ các bộ phận gá các thanh nam châm khử độ lệch bán vòng, công tắc điều khiển ánh sáng cũng gắn vào phần này. Phần dưới là phần đế gắn vào boong tàu nó có 4 lỗ để gắn các bu-lông đế.
