Bài giảng La bàn từ hàng hải

Nội dung text: Bài giảng La bàn từ hàng hải

1. Biên soạn : K.S Nguyễn văn Hòa Hiệu đính : KS. TT r Bùi Văn Vinh TS. TT r Nguyễn Viết Thành la bàn từ Hàng Hải đại học hàng hải 2006
2. Mục lục Trang Bài mở đầu 1 Ch−ơng 1 : Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng 3 1.1. Từ tính và nam châm 3 1.2. C−ờng độ từ tr−ờng của nam châm thẳng. 5 1.3. Sự tác dụng lẫn nhau của hai thanh nam châm đặt trong từ tr−ờng đều. 8 1.4. Vật thể sắt từ - Ph−ơng pháp luyện sắt từ thành nam châm. 11 1.5. Từ tr−ờng của trái đất - độ lệch địa từ. 14 1.6. Nguyên tắc làm việc của la bàn từ. 18 Ch−ơng 2: Lý luận độ lệch la bàn 20 2.1 Từ tr−ờng tàu- độ lệch la bàn từ. 20 2.2. Ph−ơng 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 Ch−ơng 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 Ch−ơng 4: Ph−ơng 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. Ph−ơng pháp Ery khử độ lệch la bàn. 91 4.5. Khử độ lệch cảm ứng. 96
3. 4.6. Ph−ơng pháp Cô lông ga khử độ lệch la bàn. 98 4.7. So sánh −u nh−ợc điểm giữa hai ph−ơng pháp Ery và cô lông ga. 102 4.8. Khử gần đúng bằng ph−ơng pháp cô lông ga trên hai h−ớng đi la bàn chính 103 vuông góc với nhau. 4.9. Khử Độ lệch gần đúng trên hai h−ớng từ chính ng−ợc 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 Ch−ơng 5: Công tác hiệu chỉnh la bàn và ph−ơng pháp lập bảng độ lệch còn lại 112 5.1. Những tr−ờng 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. Ph−ơng pháp lập bảng độ lệch còn lại 115
4. Bài mở đầu 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 h−ớng đi và xác định vị trí tàu trên biển. Căn cứ vào tính chất định h−ớng của thành phần nhạy cảm theo h−ớng kinh tuyến từ. Con ng−ời đã lợi dụng tính chất này để chế tạo la bàn từ đầu tiên vào cuối thế kỉ XII. La bàn đ−ợc cấu tạo gồm một tấm sắt từ gắn vào một chiếc phao, đ−ợc thả vào trong một chậu n−ớc. Đầu thế kỉ XIV, cấu tạo la bàn từ đ−ợc thay đổi. Kim từ của la bàn đ−ợc gắn vào một chiếc phao. Cả phao và kim từ đ−ợc đỡ trên một đỉnh kim trụ thẳng đứng. Trên mặt phao đ−ợc gắn thêm một vành tròn bằng giấy hoặc bằng đồng, trên đó đ−ợc chia h−ớng theo từng ca và từng độ từ 0 O đến 360 O. Toàn bộ hệ thống kim từ đ−ợc thả vào một chậu dung dịch gồm cồn và n−ớc cất. Cuối thế kỉ XV, các nhà khoa học hàng hải đã phát hiện ra kim la bàn không chỉ chính xác theo h−ớng bắc, nam thật mà chỉ lệch đi một góc, góc đó đ−ợc 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 đ−ợc trang bị trên tàu, các nhà hàng hải đã phát hiện ra la bàn chỉ h−ớng mang sai số lớn. Nguyên nhân gây ra sai số la bàn là do ảnh h−ởng của từ tr−ờng 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, ng−ời ta đ−a thêm các thiết bị khử vào thân la bàn. Hiện nay trên các tàu hiện đại, ngoài la bàn từ trên tàu còn đ−ợc trang bị thêm nhiều thiết bị chỉ h−ớng hiện đại khác nh−: 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 −u điểm đặc biệt là độ tin cậy rất cao nên la bàn từ đ−ợc 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. 1
5. Cùng với sự phát triển của ngành hàng hải, la bàn từ ngày càng phát triển không ngừng. La bàn từ truyền mặt số ra đời đã đ−ợc sử dụng vào ngành hàng hải. Nó có tác dụng truyền chỉ số h−ớng đi của la bàn tới máy lái tự động để tự động điều khiển tàu. Các loại la bàn từ đ−ợc trang bị trên tàu biển +La bàn chuẩn đ−ợc đặt trên boong th−ợng +La bàn lái đ−ợc đặt trong buồng lái hoặc đ−ợc thay thế bằng la bàn điện +La bàn xuồng đ−ợc đặt trên xuồng cứu sinh +La bàn lái sự cố đ−ợc 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 n−ớc sản xuất đ−ợc bố trí khác nhau. Giáo trình la bàn từ này sẽ giới thiệu cơ bản về lý thuyết, cấu tạo và ph−ơng pháp khử độ lệch la bàn. Ngoài ra giáo trình còn giới thiệu sơ l−ợc 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 ng−ời 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 đ−ợc sự đóng góp và phê bình của bạn đọc. Xin chân thành cảm ơn Ng−ời biên soạn : Nguyễn Văn Hòa Bộ môn Hàng hải - Khoa Điều khiển tàu biển 2
6. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng Ch−ơng 1 khái niệm cơ bản về từ tr−ờng 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 h−ớng của thành phần nhạy cảm đ−ợc phát sinh d−ới sự ảnh h−ởng của từ tr−ờng trái đất. Từ tr−ờng của trái đất đ−ợc hình thành do sự cấu tạo và hoạt động của lòng đất gồm nhiều mỏ quặng, kim loại. Những loại quặng hút đ−ợc mạt sắt gọi là sắt từ. Các loại vật thể khác có tính chất nh− trên: sắt, thép và một số hợp kim có tính chất từ đ−ợc luyện từ theo ph−ơng pháp nhân tạo. Những vật thể có từ tính nh− vậy gọi là nam châm. Vậy những vật thể hút đ−ợc 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 đ−a một thanh sắt Fe 2O3vào trong một từ tr−ờng, sau một thời gian thích hợp đ−a thanh sắt ra khỏi từ tr−ờng, trong thanh sắt tồn tại một l−ợng từ d− 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). - Đ−ờng 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 h−ớng bắc địa lý ng−ời 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 h−ớng). - Hai đầu thanh nam châm cùng tên thì đẩy nhau khác tên thì hút nhau. - Từ cực nam châm không thể cắt rời đ−ợc, ta cắt một thanh nam châm thành nhiều đoạn thì mỗi đoạn thành một nam châm mới. 1/12 1/12 2l (+)N • • S( - ) Từ cực Phần trung tính Từ cực Hình 1.1 Vị trí từ cự c trên thanh Nam châm 3
7. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng 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 l−ợng từ chứa ở hai cực của nam châm. Ký hiệu: m * Chú ý : Sức từ và từ khối của thanh nam châm có dấu ng−ợc 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 ph−ơng khoảng cách giữa hai từ khối. Ta có: m1m2 F = 2 (1.2) àd m1 , m 2 là khối l−ợng 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 tr−ờng : à = 1 : môi tr−ờng trong chân không . à 1 : môi tr−ờng thuận từ lực tác dụng nhỏ hơn trong chân không . 1.1.4 Từ tr−ờng - C−ờng độ từ tr−ờng - Đ−ờng sức từ . 1.1.4.1 Từ tr−ờng - Từ tr−ờng 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 tr−ờng của S N một thanh nam châm thẳng. Nếu trên tấm bìa các tông đ−ợc đặt trên một thanh nam châm, ta rắc trên đó các mạt sắt đồng thời rung nhẹ cho các Hình 1.2 Đ −ờng sức từ mạt sắt di chuyển, thì d−ới tác dụng của từ tr−ờng các mạt sắt đ−ợc phân bố theo quy luật có dạng đ−ờng cong. Đ−ờng cong đó gọi là đ−ờng sức từ ( hình 1.2 ). 4
8. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng 1.1.4.2 C−ờng độ từ tr−ờng Giá trị cơ bản biểu thị đặc tính của từ tr−ờng là c−ờng độ từ tr−ờng ký hiệu là H. Vậy c−ờng độ từ tr−ờng tại một điểm là một lực tác dụng lên 1 đơn vị từ khối (+) đặt tại điểm đó. Ta có công thức sau : F H = (1.3) m - Biểu thị: Nếu từ cực có từ khối là 1 đơn vị tại 1 điểm trong từ tr−ờng 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 c−ờng độ từ tr−ờng đ−ợc tính là Ampemet (A/M) . 1A/M = 4 π.10 -3Oe . r -Véc tơ c−ờng độ từ tr−ờng ( H ) luôn tiếp tuyến với đ−ờng sức từ. 1.1.4.3 Đ−ờng sức từ - Đ−ờng sức từ là một đ−ờng nối liền giữa các h−ớng của c−ờng độ từ tr−ờng tại các điểm, trong từ tr−ờng đều đ−ờng sức có dạng đ−ờng thẳng, trong từ tr−ờng không đều đ−ờng sức có dạng cong. (hình 1.2) -Trong thực tế hàng hải cho phép coi từ tr−ờng của trái đất ở không gian tàu chiếm chỗ là từ tr−ờng đều. Với giả thiết nh− vậy đơn giản rất nhiều cho việc nghiên cứu la bàn . - Đ−ờng sức từ luôn đi vào ở cực nam (S) và đi ra ở cực bắc (N). *Chú ý : Sự biến dạng của đ−ờng sức : + Trong từ tr−ờng thanh nam châm đặt một vật liệu bằng kim loại thì đ−ờng 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 d−ờng sức từ của từ tr−ờng trái đất biến dạng mạnh dẫn đến hiện t−ợng 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 nh− các thiết bị điện trên tàu.v.v + Đ−ờng sức không xuyên qua hình trụ rỗng bằng kim loại nên tầu ngầm không đặt đ−ợc la bàn vì ở đây la bàn từ không có khả năng định h−ớng. 1.2 C−ờng độ từ tr−ờng của nam châm thẳng Trong la bàn từ ng−ời ta sử th−ờng sử dụng các thanh nam châm thẳng, có tiết diện vuông hoặc tròn. Những thanh nam châm nh− vậy thì trục từ th−ờng trùng với trục hình học của nó. Sau đây ng−ời ta nghiên cứu ba tr−ờng hợp c−ờng độ từ tr−ờng của thanh nam châm thẳng tác dụng lên một điểm. Ba tr−ờng hợp này th−ờng phổ biến trên tàu nh− sau . 1.2.1 Xét c−ờng độ từ tại một điểm ở trên đ−ờng 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 đ−ờng trung trực thanh NS có từ khối +1 đơn vị. 5
9. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng Khoảng cách OB = d. Giả thiết d >> l . - Gọi c−ờng độ từ tr−ờng 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 : r r r FN H1 = FN + FS . B H1 á p dụng định luật Culông ta có : m F = F = d Fs N S (d 2 + l 2 ) Xét về độ lớn : N θ S (+)m (-)m o H1 = F Ncos θ + F Scos θ = cos θ( FS+F N). 2 l Mặt khác ta có : Hình 1.3 l ⇒ l 2m 2ml M M cos θ = H1 = ( ) = = = 2 2 2 2 d 2 + l 2 2 2 3 2 l 2 d + l d + l (d + l ) 6 l 3 3 1( ) 2/3 d 1( + ) d + 2 d 2 d l 2 M Từ giả thiết d>>l ⇒ ≅ 0 ⇒ H = . d 2 1 d 3 Vậy véc tơ c−ờng độ từ tr−ờng H 1 có h−ớng song song với trục thanh nam châm và có chiều h−ớng về cực S. l 2 *Chú ý : Nếu điểm A nằm gần trung tâm thanh nam châm thì tỷ số không đ−ợc bỏ d 2 qua và trong tr−ờng hợp đó ta tính toán theo công thức gần đúng sau : M 3l 2 H = 1( − ) (1.4) 1 d 3 2d 2 l 2 Có đ−ợc công thức trên khi ta đã triển khai thành phần 1( + ) − 2/3 thành chuỗi và lấy d 3 hai số hạng đầu. 1.2.2 C−ờng độ từ tr−ờng của thanh nam châm tác dụng lên một điểm trên đ−ờng 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. 1/12 1/12 Từ khối điểm A +1 đơn vị . 2l A N Khoảng cách từ A đến trung S FN FS tâm thanh nam châm OA = d. Giả O d thiết d>>L. - Xét c−ờng độ từ tr−ờng tác Hình 1.4 dụng lên điểm A là H 2: Ta gọi lực từ tác dụng của cực N là F N, cực S là F S . Theo định luật cu lông ta có: 6
10. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng + m − m F = ; F = . N (d − l) 2 S (d + l) 2 r r r + m − m H = F + F ⇒ H = F + F = + . 2 N S 2 N S (d − l) 2 (d + l) 2 m(d + l) 2 − m(d − l) 2 d 2 + 2dl + l 2 − d 2 + 2dl − l 2 H = = m . 2 (d 2 − l 2 ) 2 l 2 d 4 1( − ) 2 d 2 4mld 2M H = = 2 l 2 l 2 d 4 1( − ) 2 d 3 1( − ) 2 d 2 d 2 l 2 2M rất nhỏ cho nên ta có thể bỏ qua ⇒ H = d 2 2 d 3 - M là mô men từ của thanh nam châm. Vậy véc tơ c−ờng độ từ tr−ờng H 2 có ph−ơng trùng với ph−ơng của trục dọc thanh nam châm, chiều từ đầu N đi ra. l 2 *Chú ý : Nếu điểm A ở gần thanh nam châm thì không đ−ợc bỏ qua thành phần khi d 2 đó ta tính theo công thức : 2M l 2 H = 1( + 2 ) (1.5) 2 d 3 d 2 l 2 Công thức này đã đ−ợc khai triển thành phần 1( − ) −2 thành chuỗi và chỉ lấy hai số d 2 hạng đầu. 1.2.3 C−ờng độ từ tr−ờng của thanh nam châm thẳng tác dụng lên một điểm nằm ở vị trí bất kỳ.( Hình 1.5 ) - Xét thanh nam châm NS có từ khối ± m, H H1 H2 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 C d, giả thiết d>>l . Giả sử thanh nam châm NS có mô M 2 men là M. Ta chiếu véc tơ M lên 2 h−ớng OC và φ (+)m - (m) h−ớng vuông góc với OC ta đ−ợc M 1và M 2 bằng N S M 1 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 Hình 1.5 nằm trên đ−ờng trung trực. Một thanh N"S" có điểm C nằm trên đ−ờng trung trực . Từ hình vẽ ta có : M1 = M.sin φ ; M 2 = M.cos φ. ở đây φlà góc hợp bởi giữa trục thanh NS và h−ớng OC . 7
11. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng ' ' - C−ờng độ từ tr−ờng thanh nam châm N S tác dụng lên điểm C là H 1. Theo chứng minh phần b ta có : M M H = 1 = sin ϕ . 1 d 3 d 3 - C−ờng độ từ tr−ờng thanh nam châm N"S"tác dụng lên điểm C là H2 . Ta có : 2M 2M H = 2 = cos ϕ 2 d 3 d 3 Tổng hợp H 1 và H 2 có c−ờng độ từ tr−ờng H gây ra ở điểm C là : r r r M M H = H + H ⇒ độ lớn thì H 2 = ( sin ϕ) 2 + ( cos ϕ) 2 V 1 2 V d 3 d 3 M H2 = ( ) 2 .(sin 2 ϕ + 4cos 2 ϕ) V d 3 M H2 = ( ) 2 .( 1− cos 2 ϕ + 4cos 2 ϕ) V d 3 M ⇒ H = 1+ 3cos 2 ϕ . (1.6) V d 3 1.3. Sự tác dụng lẫn nhau của hai thanh nam châm đặt trong từ tr−ờng đều. * La bàn từ đ−ợc đặt trong từ tr−ờng của trái đất. Hd Trong quá trình xét coi từ tr−ờng của trái đất là đều, H đ−ợc tiến hành sử dụng một thanh nam châm thẳng đặt +mH δ cố định trong thân la bàn, và một kim nam châm đặt trên A n chậu la bàn có khả năng quay quanh trọng tâm của nó. Để đơ n giản ta biểu diễn thanh nam châm và kim nam 2l châm d−ới dạng sơ đồ ( Hình 1.6) . Nếu kim nam châm NS có mô men là 2ml, đặt trong từ tr−ờng đều có c−ờng độ từ tr−ờng H , thì chúng chịu tác -mH dụng của hai lực là +mH và -mH ( Hình 1.6 ). Các lực Hình 1.6 +mH , -mH tạo với n hau thành một ngẫu lực với cách tay đòn là NA . NA = 2lsin δ D−ới tác dụng của mô men quay này, kim nam châm sẽ quay và định h−ớng dọc theo r h−ớng của véc tơ c−ờng độ từ tr−ờng H . Giá trị mô men quay ký hiệu là P đ−ợc tính theo công thức . P = 2lmHsin δ (4) (1.7) 8
12. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng 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 ) . +mH H H δ Ψ-δ N +mH 2 N ϕ +mH 1 o -mH 1 S -mH 2 S -mH Hình 1.7 C−ờng độ từ tr−ờng của thanh nam châm N-S ở trọng tâm của thanh nam châm ta tính đ−ợc theo công thức đã nghiên cứu ở 1.2 . M 2M H = sin ϕ và H = cos ϕ 1 d 3 2 d 3 r r - ở đây H1 có h−ớng vuông góc với đ−ờng 00 1và H 2 có h−ớng song song với 00 1. Do vậy lực tác dụng của thanh nam châm N-S lên kim nam châm có thể tính đ−ợc là: ± mH 1 và ± mH 2 các - lực này tạo ra những ngẫu lực và đ−ợc tính theo công thức (1.7) là : 2lmH 1cos( ψ δ) và - 2lmH 1sin( ψ δ) . Tính tất cả 3 mô men làm quay kim nam châm và tổng hợp lại ta có : - - - 2lmHsin δ 2lmH1cos( ψ δ) - 2lmH 2sin( ψ δ) = 0 - - - hay : Hsin δ H1cos( ψ δ) - H 2sin( ψ δ) = 0 . Thay giá trị H 1 và H 2 vào ta có điều kiện toán học cân bằng của kim nam châm : M 2M Hsin δ- sin φ. cos(ψ-δ) - cos φsin( ψ-δ) = 0 (1.8) d 3 d 3 D−ới đây ta nghiên cứu 2 tr−ờng hợp đặc biệt về lực tác dụng lẫn nhau của kim nam châm và thanh nam châm thẳng d−ới tác dụng của từ tr−ờng 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 h−ớng từ tr−ờng đều H hay trọng tâm của kim nam châm nằm trên đ−ờng trục của thanh nam châm. Vị trí này t−ơng ứng với vị trí nam châm khử độ lệch tàu nghiêng trong thân la bàn từ. Trong tr−ờng hợp này góc φ = 0, ψ = 90 o. Thay giá trị này vào biểu thức (1.8) ta có: 2M Hsin δ - cos δ = 0 d 3 9
13. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng 2M hay H = cotg δ (1.9) d 3 H H δ N ψ = 90 d H O O1 2 s Hình 1.8 Công thức (1.9) dùng trong thực tiễn để xác định thành phần nằm ngang của từ tr−ờng trái đất . Để xác định H ta tiến hành nh− sau : đặt một thanh nam châm thẳng có mô men từ M , ở trong từ tr−ờng 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 đ−ợc H. Công thức (1.9) cũng đ−ợc sử dụng để tính Mômen từ của thanh nam châm thẳng khi đã biết từ tr−ờng H, khoảng cách d, góc lệch δ. Tính Mômen từ M từ công thức (1.9). 1 H = Hd 3tg δ. H 2 δ N +Vị trí Gay -Lys -Sắc thứ hai : Thanh nam châm đặt vuông góc với từ tr−ờng H hay O1 H trọng tâm kim nam châm nằm trên đ−ờng 1 vuông góc với trục thanh nam châm và đi qua S trung điểm của thanh . Vị trí này t−ơng ứng ψ với vị trí nam châm khử độ lệch bán vòng N O S (hình 1.9). Hình 1.9 + Trong tr−ờng hợp này φ = 90 o , ψ = 0 thay φ và ψ vào biểu thức cân bằng của kim nam châm ta có : M M H sin δ − cos δ = 0 ⇒ H = cot gδ = 0 (1.10) . d 3 d 3 Công thức (1.10) dùng để xác định thành phần từ tr−ờng của quả đất và mô men từ thanh nam châm . 10
14. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng 1.4 Vật thể sắt từ - Ph−ơng 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 ng−ời ta có thể chia ra thành 3 loại: - Các chất phản 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 đ−ợc giải thích nh− sau : + Vật thể sắt từ đ−ợc 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 tr−ờng hợp tổng quát bằng 0 và vật thể không có từ tính. Các nam châm phân tử tác dụng t−ơng hỗ và giữa chúng ở vị trí cân bằng. + Nếu ta đem vật thể sắt này đặt vào trong một từ tr−ờng, d−ới tác dụng của các lực , các nam châm phân tử bị định h−ớng theo h−ớng xác định, nghĩa là nó bị từ hoá. Sau khi tất cả các nam châm phân tử đã định h−ớng theo từ tr−ờng ngoài thì nó ở tình trạng bão hoà từ và không có khẳ năng từ hoá hơn nữa . + Nếu ta triệt tiêu từ tr−ờng từ hoá bên ngoài, thì do lực tác dụng t−ơng hỗ giữa các phân tử lại làm chúng chuyển động hỗn loạn trở về tình trạng đầu. Nh−ng do hiện t−ợng định h−ớng song song của các nam châm phân tử, mặt khác lực tác dụng t−ơng hỗ giữa chúng phát sinh không hoàn toàn nh− tình trạng ban đầu, do vậy chúng vẫn còn một l−ợng từ d− khi từ tr−ờng 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 h−ớng của từ tr−ờng ngoài. Nh−ng do chuyển động nhiệt phân tử ở trong chất thuận từ đã làm giảm khả năng định h−ớng của nam châm phân tử , vì vậy chất thuận từ bị từ +B hoá yếu không dùng làm nam châm vĩnh cửu . a 1.4.1.3 Các chất phản từ : à < 1đơn vị. b +H Các chát phản từ có các nam châm phân tử bị từ hoá -H c O f theo h−ớng ng−ợc lại với từ tr−ờng từ hó, nên khả năng từ e hoá của nó nhỏ hơn một đơn vị . d -B Hình 1.10 Đ−ờng cong từ trễ 11
15. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng 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 c−ờng độ từ tr−ờng H thì cảm ứng từ B cũng tăng, theo tỷ lệ thuận khi c−ờng độ từ tr−ờng H đạt tới c−ờng độ từ tr−ờng 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 c−ờng độ từ tr−ờng H, thì cảm ứng từ B cũng giảm dần không theo đ−ờng cũ mà theo một đ−ờng khác gọi là đ−ờng trễ ab, khi H giảm về 0. Hiện t−ợng trễ này cũng cho ta thấy vật thể sắt từ có tính chất từ hoá đặc biệt, đoạn ob gọi là từ d−. Ta tiếp tục từ hoá ng−ợc, tức là đổi chiều dòng điện trong cuộn dây. Khi tăng c−ờng độ từ hoá ng−ợc thì cảm ứng từ B cũng giảm dần theo đ−ờng cong bc. Khi c−ờng độ từ tr−ờng đạt giá trị oc thì cảm ứng từ B triệt tiêu, đoạn oc gọi lực giữ từ. Tiếp tục tăng H theo h−ớng 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 đ−ờng cong lại về trùng điểm a. Vậy đ−ờng cong (oabcdefa) là đ−ờng cong từ trễ biểu thị quá trình từ hoá của sắt trong từ tr−ờng. 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) ng−ời 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 đ−ợc 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 t−ơng 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 nh− không có khả năng dữ lại từ tính . Những vật liệu sắt từ đ−ợc gọi là sắt từ mềm khi lực kháng từ nhỏ hơn 2 oe . D−ới 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 12
16. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng 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 đ−ợc chế tạo từ sắt từ cứng và sắt từ mềm nh− sau : + Các vật liệu sắt từ cứng nh− 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 nàyđ−ợc 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 . + Ng−ời ta th−ờng chế tạo các thỏi nam châm có tiết diện tròn hoặc vuông, kích th−ớc 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 đ−ợc ghi ngay trên thân thanh nam châm cùng với năm sản suất , số liệu suất x−ởng . 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 n−ớc sản xuất, tuỳ theo khoảng cách đặt thanh khử với một số la bàn . + Để chế tạo nam châm có mô men từ lớn ng−ời ta tiến hành chế tạo sắt từ và cho từ hoá đặc biệt. Đầu tiên ng−ời ta đem tôi bằng cách nung chúng lên 800 0C - 1200 0C (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 n−ớc vào dầu (cho vào loại môi tr−ờng nào tuỳ loại hợp kim). Sau khi tôi xong, các thanh nam châm đ−ợc đem làm ổn định cấu tạo bằng cách luộc chúng ở trong n−ớc sôi (100 0C) . Bằng cách này đảm bảo ổn định thành phần hoá học của thanh nhanh hơn so với nhiều ph−ơng pháp khác. Một giờ luộc thanh sắt từ nh− vậy có tác dụng bằng để th−ờng hoá ngoài không khí bằng mấy năm . Sau khi đã ổn định cấu tạo ng−ời ta đem từ hoá chúng. Để từ hoá đ−ợc chúng, với thép Vonfram và thép Crôm , c−ờng độ từ tr−ờng 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 ng−ời ta đem nam châm đi ổn định từ tính, tức là loại trừ các từ tr−ờng 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 tr−ờng bên ngoài, nh− thế cũng có nghĩa là ổn định đ−ợc mô men từ của thanh nam châm . ổn định từ hay còn gọi là già từ đ−ợc ng−ời 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 đ−ợc chọn t−ơng ứng với các pha dao động điện hoặc dao động cơ học trên tàu th−ờng tác dụng vào la bàn. Sau khi cho dòng điện vào ng−ời ta dần dần giảm dòng điện về 0 . Bằng cách ổn định nh− vậy các thanh nam châm sẽ có khả năng ít nhạy cảm với các hiện t−ợng va đập , rung động. Mô men từ của chúng giữ đ−ợc cố định khi biên độ dao động nhiệt 13
17. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng tới 30 0C và khi c−ờng độ từ tr−ờng 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 th−ờng đ−ợc 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 nh− thế khi tách chúng ra sẽ không đảm bảo đ−ợc cố định từ tính theo thời gian. Để tránh hiện t−ợng rỉ ng−ời ta th−ờng sơn cực bắc màu đỏ, cực nam màu xanh không nên để nam châm ở nơi có nhiệt độ cao, nơi có từ tr−ờng c−ờng độ lớn hơn 3 oe . Các thanh nam châm không đ−ợc đặt gần các vật bằng sắt . * Sắt từ mềm để khử độ lệch phần t−, độ lệch cảm ứng ng−ời ta sử dụng sắt từ mềm. Chúng đ−ợc chế tạo thành các thỏi có tiết diện tròn, quả cầu hoặc các tấm hình chữ nhật. Các thỏi và tấm đ−ợc chế tạo bằng sắt non có lực kháng từ nhỏ hơn 1,5 oe còn quả cầu đ−ợc chế tạo bằng gang có lực kháng từ nhỏ hơn 3,5 oe . Để chống rỉ ng−ời ta có thể đem sơn màu xanh, đen.v.v 1.5 Từ tr−ờng của trái đất - độ lệch địa từ 1.5.1 Khái niệm địa từ tr−ờng. 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 h−ớng. Từ thí nghiệm trên chứng tỏ trái đất luôn có từ tr−ờng. Từ tr−ờng luôn bao quanh bề mặt trái đất, trên không gian, trong lòng đất và cả d−ới n−ớc biển đều phát hiện thấy có từ lực tác dụng. Từ tr−ờng của quả đất có ý nghĩa rất lớn trong cuộc sống con ng−ời. Trong không gian hàng nghìn kilômét bao quanh mặt đất, từ tr−ờng của quả đất cũng nh− môi tr−ờng ngăn tia sáng vũ trụ xuyên vào quả đất. Do đó nó bảo vệ đ−ơc cuộc sống của các sinh vật trên mặt đất khỏi bị huỷ diệt do phóng xạ. Nghiên cứu từ tr−ờng 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 t−ợng phát sinh từ mặt trời và không gian vũ trụ. Một ví dụ rõ ràng nhất là con ng−ời đã biết lợi dụng từ tr−ờng của quả đất để chế tạo ra địa bàn giúp con ng−ời 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 đ−ợc các yếu tố từ tr−ờng trên mặt đất. Trong thực tế thì từ tr−ờng của quả đất khá phức tạp, để đơn giản, cho phép ta coi từ tr−ờng của quả đất nh− 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. Đ−ờng 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. 14
18. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng Ví dụ: Khảo sát năm 1950 : cực bắc từ ( φ = 72 0N, λ =96 0W ) . Cực nam từ(( φ = 70 0S , λ =150 020'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 h−ớng về phía cực Pm. Thế nh−ng khi gọi tên ta gọi cực Pm là cực bắc và cực P'm là cực nam t−ơng ứng với tên của cực địa lý: - Theo lý thuyết sức từ đi vào ở cực nam Pm , từ tr−ờng mang dấu d−ơng , đi ra ở cực bắc P'm, từ tr−ờng mang dấu âm . T H P m P N A Z o 12 PS P’ m Hình 1.11 Từ tr−ờng Trái đất 1.5.2 Các phân lực địa từ và ảnh h−ởng của nó . Xét điểm A bất kỳ trên bề mặt trái đất , chịu tác dụng của c−ờng độ địa từ tr−ờng ký hiệu là T. Nt r Véc tơ c−ờng độ từ tr−ờng ( T ) ở tại mỗi điểm luôn tiếp tuyến với đ−ờng sức từ. Nếu Tại điểm A ta A d H Hd treo một kim nam châm thì trục kim nam châm sẽ θ r nằm theo h−ớng của véc tơ ( T ) và lệch với mặt phẳng nằm ngang một góc θ , góc θ gọi là độ từ Z T nghiêng . Nếu đầu bắc kim nam châm chúi xuống thì góc θ mang d ấu d−ơng , nếu đầu bắc kim nam Hình 1.12 Các phân lực địa từ châm ngẩng lên thì góc θ mang dấu âm. Nh− vậy ở cực r thì góc θ= ± 90 0 , T đi vào ở cực bắc và đi ra ở cực nam. ở xích đạo θ = 00, đ−ờng nối các điểm có θ = 00 gọi là xích đạo từ, xích đạo từ có dạng đ−ờng cong không đều nó ở gần xích đạo địa lý. Các điểm có cùng độ từ nghiêng θ n ối lại gọi là vĩ độ từ . Phân tích véc tơ c−ờng độ từ tr−ờng 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: T 2 = H 2 + Z 2 15
19. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng H = Tcos θ Z = Tsin θ Z tg θ = H => Nhận xét : Phân lực H gọi là phân lực định h−ớng nghĩa là d−ới tác dụng của phân lực nằm ngang H luôn kéo kim nam châm của la bàn chỉ h−ớng bắc địa từ (Nd) , kinh tuyến đi qua gọi là kinh tuyến địa từ , kinh tuyến địa từ đ−ợc chọn làm mốc tính h−ớng đi và ph−ơng vị địa từ. Qua công thức ta thấy nếu điểm A ở xích đạo thì θ = 0 ⇒ H = T = H Max (khoảng 0,4 oe), Z = 0 chứng tỏ la bàn hoạt động ở vùng xích đạo , gần xích đạo khả năng định h−ớng tốt nhất. Khi vĩ độ càng tăng thì H càng giảm , ở cực thì θ = 90 0 ⇒ H = 0 chứng tỏ la bàn không có khả năng hoạt động . - Phân lực Z không có tác dụng định h−ớng . 1.5.3 Độ lệch địa từ (Hình 1.13) Do trái đất có từ tr−ờng, lực địa từ tác dụng vào kim nam châm la bàn làm kim la bàn không chỉ h−ớng bắc thật ký hiệu (N t) mà chỉ sang một h−ớng khác gọi là bắc địa từ (N d) , kinh tuyến đi qua gọi là kinh tuyến địa từ, kinh tuyến Nd Nt Nd địa từ đ−ợc chọn làm mốc để tính h−ớng đi địa từ (Hd) và ph−ơng vị địa từ (P d) vậy góc lệch giữa kinh tuyến E địa từ và kinh tuyến thật gọi là độ lệch địa từ d . W d (+) d (-) N 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 S Hình 1.13 từ có giá trị khác nhau, nó có thể biến thiên từ 0 0 đến ± 0 E 180 W . Giá trị và sự phân bố từ tr−ờng trên bề mặt trái đất đ−ợc ng−ời ta biểu thị bằng các bản đồ đặc biệt gọi là bản đồ từ. Các bản đồ này đ−ợc xây dựng theo định kỳ vì từ tr−ờng 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 đ−ợc tính từ lúc 0 h00 m ngày 01/ 01/1995 theo kinh tuyến gốc . Trên bản đồ vùng đ−ợc vẽ các đ−ờng đẳng trị . Mỗi đ−ờng đẳng trị yếu tố từ tr−ờng có một tên gọi riêng . Đ−ờng đẳng trị độ lệch địa từ gọi là đ−ờng đẳng độ lệch địa từ , đ−ờng đẳng trị các lực T , H và Z gọi là đ−ờng đẳng từ . 16
20. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng Các bản đồ từ tr−ờng có hai loại, một loại tỷ lệ xích lớn , một loại có tỷ lệ xích nhỏ . Những bản đồ có tỷ lệ xích lớn đ−ợc dựng cho một vùng nhỏ, mạng l−ới đ−ờng đẳng trị dầy đặc nó chỉ tất cả các từ tr−ờng đặc biệt ở vùng này. Bản đồ tỷ lệ xích nhỏ đ−ợc xây dựng cho một vùng biển lớn hoặc cho toàn bộ thế giới, trên đó biểu thị khái quát các đ−ờng đẳng trị , các yếu tố từ tr−ờng . Các yếu tố từ tr−ờng 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 ch−a giả đáp đ−ợc thoả mãn. Từ tr−ờng của trái đất đ−ợc phát sinh do hai loại từ tr−ờng : Từ tr−ờng chính và từ tr−ờng biến đổi . Từ tr−ờng chính cũng không phải là cố định, khi quan sát liên tục nhiều năm , ng−ời 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 tr−ờng trung bình trong một ngàyđêm gọi là sự thay đổi ngày đêm , th−ờng rất nhỏ nên trong thực tiễn ng−ời ta bỏ qua . Sự thay đổi mang tính chu kỳ năm này qua năm khác đ−ợc 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 0 0 đến 360 0 trong vòng tròn ghi sẵn các giá trị độ lệch địa từ, năm khảo sát địa từ và l−ợng thay đổi hàng năm . o 0 o 0 o w o ĐLĐT : 0 55’ – 1995. o o w 270 90 270 o Mag Var 2 0 5’ -1990(4’w) 90 o Hàng năm không thay đổi o 180 180 o Hình 1.14 Hình 1.15 Ví dụ: Trên hải đồ Việt Nam có ghi: Tại khu vực biển Long Châu ĐLĐT : 0 055 w - 1995 có nghĩa là độ lệch địa từ khảo sát năm 1995 là d = 0 055w hàng năm không thay đổi. (hình 1.14). Ví dụ : trên hải đồ Anh có ghi : Tại khu vực biển Hồng Kông là : MagVar 2 005 w-1990 (4'W) có nghĩa là độ lệch địa từ khảo sát năm 1990 là d = 2 005W , thay đổi theo hàng năm 4'W. (Hình1.15) Từ tr−ờng biến đổi thì độ lệch địa từ cũng biến đổi liên tục có tính chất đều đặn nh−ng có những ngày chúng thay đổi đột biến cả về chu kỳ lẫn biên độ. Sự thay đổi đột biến có c−ờng độ rất lớn, có thể xảy ra mọi nơi trên trái đất hay một vài địa ph−ơng ng−ời 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, ng−ời ta đã biết đ−ơc nguồn gốc của sự biến đổi từ tr−ờng là do dòng cảm ứng xuất hiện ở tầng cao của khí quyển 17
21. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng tới vài nghìn kilômét. Những dòng nh− vậy chủ yếu là dòng các phân tử mang điện từ mặt trời đến. Nghiên cứu từ tr−ờng trái dất ở n−ớc ta ch−a có cơ quan nào tiến hành một cách quy mô. ở n−ớc ngoài đã có nhiều nhà bác học, nhiều cơ quan nghiên cứu nh− : viện từ tr−ờng 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 đ−ợc treo tự r do thì trục kim của nó sẽ định h−ớng dọc theo véc tơ c−ờng độ từ tr−ờng ( T ) của trái đất và chỉ ra mặt phẳng kinh tuyến từ. Nh−ng kim từ treo tự do không thể sử dụng làm thành phần nhạy cảm cho la bàn từ hàng hải đ−ợc , bởi vì khi độ từ nghiêng lớn (ở vĩ độ cao ) xác định h−ớng nằm ngang theo kim nghiêng rất khó khăn. Vì vậy trong các la bàn từ hàng hải ng−ời 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 đ−ợc treo nh− vậy . Trục kim tạo vói thanh phần nằm ngang của từ tr−ờng trái đất , nghĩa là với kinh tuyến từ một góc δ . Từ tr−ờng trái đất ở trong không gian kim nam Nt châm chiếm chỗ có thể coi nh− là từ tr−ờng đều. Với điều kiện này theo công thức (1.7) kim từ chịu tác dụng một +mH M mômen quay P. N P = 2lmHsin δ (1.11) δ ở đây 2l là chiều dài kim từ và m là từ khối mỗi lực T kim từ Biết 2lm = M là mômen từ của kim nam châm do đó S P = MHsin δ . Z -m H D−ới tác dụng của mômen quay P kim nam châm Hình 1.16 xoay về phía kinh tuyến từ. Xong do có ma sát ở điểm đỡ cho nên kim sẽ ổn định trên h−ớng khác với kinh tuyến từ. Theo công thức trên thì kim từ chỉ ổn định khi δ = 0 tức là sin δ = 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 ch−a lý t−ởng 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 nh ỏ , 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 18
22. Ch−ơng 1 Khái niệm cơ bản về từ tr−ờng Q Với nhỏ nên có thể viết Q = MH . Hay = MH 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 đ−ợc yêu cầu này ng−ời ta gắn kim từ vào đáy mồt chiếc phao kín n−ớc bằng nhựa hoặc bằng đồng, sau đó thả chúng vào dung dịch cồn và n−ớc cất. Toàn bộ thành phần nhạy cảm đ−ợc đỡ trên một kim trụ . Đỉnh kim trụ và ổ đỡ ng−ời ta gắn kim loại cứng. Với điều kiện hoạt động nh− 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 ng−ời 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 nh− 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 h−ớng rất kém . + Góc i' của la bàn hiện đại cho phép ≤ 002 khi H = 0,05 0e ở nhiệt độ +15 0C . 19
23. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch 3.1 cấu tạo la bàn từ của Liên xô ở n−ớc ta hiện nay các ph−ơng tiện vận tải trên biển cũng nh− các tàu khai thác cá biển đ−ợc nhập từ rất nhiều n−ớc, không những của các n−ớc xã hội chủ nghĩa nh− Liên Xô , Ba Lan mà còn của các n−ớc t− bản chủ nghĩa nh− Nhật , Na Uy , Thuỵ Điển Trên các con tàu nh− vậy đều có trang bị la bàn từ hàng hải, la bàn của mỗi n−ớc 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 đ−ợc thế giới công nhận có rất nhiều −u điểm, đ−ợc sử dụng rộng rãi trên thế giới . 3.1.1 Cấu tạo la bàn loại YK П - M (127 mm) . La bàn từ đ−ợc sử dụng bên cạnh la bàn điện (la bàn con quay) trang bị trên tàu để chỉ h−ớng đi và xác định vị trí tàu theo ph−ơng pháp quan trắc ph−ơng vị của mục tiêu trên mặt đất hoặc ph−ơng vị thiên thể . La bàn dùng để kiểm tra h−ớng đi của tàu và xác định vị trí tàu gọi là la bàn chuẩn đ−ợc đặt ở phía trên ca pin th−ợng, 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 tr−ớc hay cạnh vô lăng lái, khi không có la bàn điện thì la bàn này làm nhiệm vụ chỉ h−ớng cho ng−ời điều khiển tàu gọi là la bàn chỉ đ−ờng hay la bàn lái. Trên nhiều con tàu, ngoài la bàn chuẩn và la bàn lái còn đ−ợc 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 ph−ơng 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 t− 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 đ−ợc định h−ớng d−ới sự tác dụng của từ tr−ờng trái đất và từ tr−ờng tàu. Nếu la bàn ở trên các con tàu vô từ tính thì trục NS của thành phần nhạy cảm nằm theo h−ớng 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 đ−ợc chia thành 3 cặp mỗi cặp nam châm đ−ợc bố trí song song, cùng cực, cùng từ lực nh− sau : 45
24. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch 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 đ−ờng 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 đ−ờng nối từ trọng tâm hệ thống tới các đầu thanh nam châm nh− sau : Với hai thanh dài 80,7mm là 12 052' . Với hai thanh dài 73,4mm là 38 034' . Với hai thanh dài 45,8mm là 64 017' . Các nam châm đ−ợc chế tạo bằng hợp kim có chất l−ợng 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 đ−ợc hàn vào phía d−ới một chiếc phao bằng đồng thau mỏng. ở phía trên phao đ−ợc gắn vào một mặt khắc độ, mặt khắc độ đ−ợc chế tạo bằng đồng thau mỏng hoặc nhôm. ở trong tâm của cả hệ thống nam châm và phao ng−ời ta làm một ổ đỡ hình nón, ở đỉnh hình nón có một cái vít từ trên xuống ở đỉnh vít ng−ời 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 đ−ợc đỡ trên một kim trụ, đỉnh trụ cột gắn hợp kim cứng . Để thuận tiện cho việc định h−ớng, mặt khắc độ đ−ợc chia ra 360 gạch, mỗi gạch ứng với một độ, cứ cách 10 0 có một gạch dài. Trên mặt số ghi các h−ớng chính N , S , E , W và các h−ớng phần t− NE , SE , NW , SW. Cấu tạo của bộ phận nhạy cảm đ−ợc thể Hình 3.1 Cấu tạo mặt số la bàn hiện : 1.Các kim từ; 2. Phao; 3. ổ đỡ kim trụ; 4. Vít để gắn hợp kim; 5. Mặt khắc độ 3.1.1.2 Chậu la bàn. ( Hình 3.2) Chậu la bàn đ−ợc chế tạo bằng đồng thau nó đ−ợc chia làm 2 ngăn (hình 3.2), ở giữa chậu có bộ phận để gắn kỉm trụ đỡ mặt số, chậu đ−ợc sơn màu trắng nh− 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 đ−ờng vạch chuẩn màu đen, vạch phía tr−ớc chỉ h−ớng mũi tàu, vạch sau chỉ h−ớng 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 n−ớc. 46
25. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch Ngăn trên của chậu ng−ời tra gọi là buồng chính, nó dùng để chứa thành phần nhạy cảm thả ở trong dung dịch cồn. 1 2 3 4 5 6 7 8 1.Vạch h−ớng 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, 9 9 8.Vành ph−ơng vị, 9.Trục gá của chậu, 10 10.Thân chậu, 11.Màng nhăn, 12.Buồng 11 phụ, 13.Khối chì, 14.Kính ở màng nhăn, 12 15.Đèn chiếu sáng 13 16 15 14 Hình 3.2 CấuChậy tạo lachậu bàn la bàn từ M -127 Ngăn phía d−ới gọi là buồng phụ, ngăn này có tác dụng khắc phục hiện t−ợng 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 đ−ợc gắn một tấm kính trong suốt có vòng đệm cao su kín n−ớc và vành ép để ép chặt mặt kính. Trên mặt của chậu đ−ợc gắn một vòng ph−ơng vị. ở đây chậu ng−ời 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 đ−ợc đổ đầy dung dịch cồn 43 0, dung dịch này có khả năng không đông đặc ở nhiệt độ tới -26 0C . Toàn bộ chậu đ−ợc gắn vào một giá Các-đăng, nhờ có giá Các-đăng mà mặt chậu luôn luôn giữ ở trong mặt phẳng nằm ngang . Trọng l−ợng của chậu (trừ vòng ph−ơng vị) nặng 8kg . 3.1.1.3 Vòng ph−ơng vị. (Hình 3.3) 1 3 2 Hình 3.3 Cấu tạo vòng ph−ơng vị 1.Khung dây vạch chuẩn, 2.Khung khe 6 ngắm, 3.Các khung k ính màu, 4.Hình trụ 4 5 và cầu gắn Cô-lông-ga, 5.Giá vòng ph−ơng vị, 6.Lăng kính Biểu xích la bàn 47
26. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch Vòng ph−ơng vị dùng để ngắm ph−ơng vị mục tiêu, ph−ơng vị thiên thể để xác định vị trí tàu, xác định sai số la bàn và giả các bài toán khác .v.v. Vòng ph−ơng 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 đ−ợc 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 đ−ợc 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 đ−ợc. Ngoài ra nó còn có một cái g−ơng để phục vụ cho việc lấy ph−ơng vị ở độ cao lớn hơn 26 0 . Khe ngắm là bộ phận dùng để ngắm qua giữa mặt số và dây vạch chuẩn tới mục tiêu, khe ngắm giúp cho ng−ời quan sát nhìn mục tiêu hoặc thiên thể đ−ợc dễ dàng khi thời tiết xấu hoặc ban đêm. Để lấy số chỉ trên mặt số đ−ợc chính xác và nhanh, ở phía d−ới khe ngắm có một lăng kính, lăng kính có tác dụng phóng đại số chỉ của mặt số và cho ta ngay số chỉ ph−ơng vị. Cả khe ngắm lẫn dây vạch chuẩn phải nằm trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua trọng tâm của thành phần nhạy cảm, ng−ời ta gọi là mặt phẳng ngắm . Bộ phận ngắm Cô-lông-ga đ−ợc chế tạo bằng đồng thau, nó gồm có một ống hình trụ để lòng vào đế máy Cô-lông-ga, ống hình trụ đ−ợc gắn với cầu gắn vào vòng ph−ơng vị bằng 4 đinh vít, tâm của ống hình trụ khi gắn vào vòng ph−ơng vị phải nằm trong mặt phẳng ngắm . Kính mầu, ở phía tr−ớc khe ngắm có gắn 2 hoặc 3 màu hình tròn, nó có tác dụng lọc màu, làm giảm c−ờng 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 1 2 3.1.1.4 Thân la bàn từ. ( Hình 3.4) 3 3 Thân la bàn 127mm đ−ợc 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 4 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 5 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 6 lệch bán vòng, công tắc điều khiển ánh sáng cũng gắn vào phần này. Phần d−ới là phần đế gắn vào boong tàu nó có 4 lỗ để gắn Hình 3.4 các bu-lông đế. Cấu tạo thân La bàn 48
27. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch Phía trên của chậu la bàn có nắp bảo vệ, nắp bảo vệ có hai kính trong suốt phía tr−ớc và phía sau để quan sát khi đạy nắp bảo vệ. 3.1.1.5 Các thanh nam châm. Các thanh nam châm vĩnh cửu dùng để khử độ lệch bán vòng và độ lệch nghiêng, chúng đ−ợc đựng ở trong hộp gỗ. Các nam châm khử độ lệch bán vòng gồm 8 thanh có kích th−ớc khác nhau (bảng 3.1). Mô men từ số Kích th−ớc (mm) Số l−ợng (đơn vị CGSM) 200 x 12 x 12 10.000 2 200 x 10 x 10 8.000 2 Φ8 , L = 100 2.400 2 Φ8 , L = 60 1.000 2 Bảng 3.1 Vật liệu để chế tạo nam châm khử là hợp kim đặc biệt, có lực kháng từ lớn, khoảng vài trăm Oe . Do đó nó có tính từ hoá d− cao và ít thay đổi từ tính theo thời gian sử dụng. Tất cả các thanh khử đều đ−ợc sơn hai mầu, nửa màu bắc sơn màu đỏ, còn nửa đầu nam sơn màu đen hoặc trắng. 3.1.1.6 Sắt non. Các thanh sắt non dùng để khử độ lệch phần t−, nó đ−ợc chế tạo bằng hợp kim sắt từ có lực kháng từ nhỏ chỉ khoảng 1 đến 3Oe hoặc nhỏ hơn nữa .+ La bàn từ 127mm khi suất x−ởng đã có ngay hai thỏi sắt non khử độ lệch phần t− theo chiều dọc gắn ở phần trên của thân la bàn. Thỏi sát non dài 300mm, đ−ờng kính 22mm. + Ngoài ra ở la bàn còn các tấm sắt non để khử độ lệch cảm ứn , chúng có kích th−ớc, dài 100mm hay 130mm tiết diện 25 x 3 (mm), các tấm này đ−ợc đặt ngang ngay trong phần thân ở phía d−ới chậu la bàn. Tuỳ theo yêu cầu đặt mà trong thiết bị toàn bộ có thể bao gồm thanh khử độ lệch phần t− tiết diện chữ nhật hay quả cầu với các kích thứôc khác nhau. 3.1.1.7 Hệ thống chiếu sáng . La bàn YK П-M đ−ợc trang bị nguồn chiếu sáng mặt số từ phía d−ới đáy lên. Hệ thống chiếu sáng gồm : Biến trở, công tắc, đui đèn và bóng đèn. Dòng điện chiếu sáng đ−ợc lấy từ l−ới điện tàu. Nếu dòng điện tàu là dòng điện một chiều 24 vôn thì ng−ời ta sử dụng máy biến 49
28. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch l−u kiểu ПO-12 Φ, nếu dòng điện của tàu là 220 vôn thì sử dụng loại máy biến l−u kiểu ПO- 12A Φ . Sử dụng máy biến thế ta đ−a dòng điện xuống từ 5 đến 8 vôn. Hệ thống chiếu sáng của la bàn có thể đ−ợc sửa dụng dòng điện xoay chiều của tàu nh−ng trong tr−ờng hợp đó ngoài máy biến l−u cần phải có máy biến áp để hạ xuống 6 vôn , 12 vôn hay 24 vôn . Để có thể đổi dòng điện ng−ời ta sửa dụng hai loại bóng đèn chịu hiệu điện thế khác nhau ứng với tr−ờng hợp sử dụng dòng một chiều hay xoay chiều . Máy biến l−u phải đặt cách xa la bàn hơn 2.5m để khỏi ảnh h−ởng tới từ tính của la bàn . * Chú ý : La bàn kiểu YK П-M IM thân coa 142cm , trọng l−ợng toàn bộ 68,5kg nó d−ợc sử dụng làm la bàn chuẩn . La bàn kiểu YK П-M3M thân cao 126cm , nặng 64kg , dùng làm la bàn chỉ đ−ờng. 3.1.2 Cấu tạo la bàn chuẩn của Liên Xô loại KMO-T Hiện nay trên các tâù của Liên Xô đều đ−ợc trang bị loại la bà mã hiệu KMO-T1 có thiết bị truyền ảnh h−ởng của mặt số, từ la bàn chuẩn xuống buồng lái. Loại la bàn này vừa làm nhiệm vụ của la bàn chuẩn vừa làm nhiệm vụ của la bàn lái. 3.1.2.1 Một số la bàn KMO-T Mặt khác la bàn KMO-T về cơ bản cấu tạo giống nh− mặt số la bàn YKII-M, chỉ có khác là mômen từ của hệ thống kim nhỏ hơn một chút, nó chỉ khoảng 1300 đơn vị CGSM. Đặc điểm của mặt số này là ở trên vành khắc độ tất cả các vạch chia độ và các số t−ơng ứng là các lỗ rỗng ánh sáng có thể xuyên qua dễ dàng hoặc phía d−ới đ−ợc gắn một số ng−ợc với các số chia t−ơng ứng mặt trên. 3.1.2.2 Chậu la bàn ( Hình 3.5) 1 2 3 4 5 6 7 ở mặt trên và phía đáy d−ới của chậu đ−ợc bít kín bằng các tấm kính trong chậu đổ đầy dung dịch 64% n−ớc cất, 36% cồn. Trong chậu đ−ợc chia làm hai ngăn bằng một tấm kính tròn. Ngăn trên chứa thành phần nhạy cảm và kim đỡ. ở xung quanh chậu phần trên ng−ời ta gắn một tấm màn đứng. 9 Khoảng không gian giữa màn và thành của chậu Hình 62 1.Kính mặt chậu, 2.Kính đáy8 chậu, để chứa các bọt khí. Không khí xuất hiện trong 3.Kính chia chậu, 4.Lỗ gắn kim trụ, chậu do nguyên nhân nào đó sẽ đi qua lỗ của 5.Kim trụ, 6. Màn ngăn thành chậu, 7.Vòng góc mạn, 8.Nút đáy chậu, thành màn rồi lên vòm phía trên của chậu. Khi 9.Buồng phụ chậu quay trong mặt phẳng nằm ngang thì các khí đ−ợc dấu kín ở khoảng giữa màn và thành chậu . 50
29. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch Lỗ vít để đổ chất lỏng vào chậu đ−ợc bố trí bên cạnh thành chậu. Để khắc phục tình trạng thay đổi thể tích của chất lỏng do sự thay đổi nhiệt độ ng−ời ta đặt một vòng đàn hồi, vòng này nằm giữa tấm kính đáy và tấm kính phân chia chậu. Do có vòng đàn hồi này mà thể tích của chậu thay đổi đ−ợc theo sự thay đổi thể tích của chất lỏng khi nhiệt độ thay đổi . Trụ đỡ mặt số là một kim trụ tiêu chuẩn, nó đ−ợc vặn vào qua lỗ vít ở tấm kính phân chia chậu. Chậu và khớp các-đăng treo chậu vào phần thân chính đ−ợc thể hiện trên hình 62. 3.1.2.3. Thân la bàn KMO-T (Hình 3.6) Thân la bàn này đ−ợc chế tạo bằng hợp kim Titan vô từ tính, ở trong thân đặt các thiết bị khử độ lệch. trong đó có các thanh nam châm để khử độ lệch bàn vòng và độ lệch nghiêng cùng các bộ phận gá để thay đổi vị trí của chúng . Các thanh nam châm đ−ợc gắn trên bộ phận gá theo chiều dọc và chiều ngang. Các thanh dọc nằm theo h−ớng trục dọc tàu còn các thanh ngang nằm theo h−ớng vuông góc với h−ớng trục dọc tầu. Các thanh khử dọc ký hiệu là (B), còn các thanh ngang ký hiệu là (C) . Hình 3.6 1. Nắp bảo vệ, 2.Chậu la bàn, 3. Thỏi sắt non ,4. ốp giữ các bộ gá sắt non, 5.Th−ớc, 6.Nam châm khử độ lệch nghiêng, 7. ống gắn bộ gá thanh khử, 8.Thân la bàn, 9.Các thanh khử phụ, 10.Tay ặn điều chỉnh vị trí thanh khử độ lệch nghiêng, 11.ê cu, 12.Bộ gá nam châm khử độ lệch bán vòng, 13.Vị trí đặt bộ phận khử độ lệch điện tử, 14.Vạch chia đánh dấu vị trí các bộ gá, 15.Tấm sắt non mỏng, 16. êcu vặn đai ốc Khi la bàn làm việc do điều kiện từ không tốt dẫn đến tình trạng là với 4 thanh khử lực B’ λH và C’ λH nh− trên không đảm bảo đ−ợc, ng−ời ta khắc phục tình trạng này bằng cách gắn thêm các thanh phụ dọc theo trục dọc tàu và h−ớng vuông góc với trục dọc tàu (hình 63). Thanh nam châm khử độ lệch nghiêng đ−ợc cho vào trong lòng ống đồng thau nằm giữa thân la bàn. Để điều chỉnh vị trí thanh khử này lên trên hoặc xuống d−ới ng−ời ta trang bị bộ phận tay vặn dạng trục vít . Độ lệch phần t− đ−ợc khử bằng hai thanh sắt non dọc. Hai tấm sắt non mỏng khử độ lệch cảm ứng. Các thanh cảm ứng đ−ợc gắn ngang phía d−ới chậu la bàn. Các thanh khử đ−ợc bố trí ngoài thân thấp hơn mặt số, hai thanh có tiết diện chữ nhật, còn hai thanh khác có tiết diện hình tròn. 51
30. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch Bộ phận gá các thanh sắt non có thể nằm chéo góc với mặt phẳng trục dọc tàu để có thể đồng thời khử độ lệch phần t− do cả D’ λH và E’ λH gây ra . ở trong thân la bàn phía d−ới chân có một khoang để chứa các thiết bị khử độ lệch điện từ. Phía trên của mặt chậu có nắp bảo vệ . 3.1.2.4 Hệ thống quang học . Hệ thống quang học bao gồm đèn chiếu sáng, kính bảo vệ hai thấu kính, kính sấy và g−ơng phản chiếu. Một số bộ phận nằm ở trong ống thép phía d−ới. Thân la bàn ng−ời ta đặt ở phía trên (buồng hoa tiêu), ống hệ thống quang học và g−ơng phản chiếu có phần d−ới chui qua mặt boong th−ờng đi xuống buồng điều khiển vào phía tr−ớc tay lái. Nh− thể hiện trên hình 3.7 g−ơng phản chiếu, phản chiếu ánh sáng từ bóng đèn qua mặt số đi tới g−ơng. Do đó hình ảnh mặt số đ−ợc thể hiện trong g−ơng rất rõ ràng , nghĩa là các vạch chia và các số t−ơng ứng thể hiện rõ ràng rất dễ quan sát . ống hệ thống quang học có hai phần, phần trên cố định phần d−ới có thể di chuyển lên xuống đ−ợc nhờ có phần di động này mà ta có thể điều chỉnh vị trí của g−ơng sao cho phù hợp với tầm quan sát của ng−ời điều khiển tàu. Ngoài ra phần phía d−ới còn có thể xoay theo chiều thẳng đứng, g−ơng phản chiếu có thể thay đổi đ−ợc góc nghiêng . Khi nhiệt độ ngoài không khí thấp hơn vài độ thì hệ thống g−ơng xuất hiện các giọt n−ớc làm mờ mặt kính. Để khắc phục hiện t−ợng này ng−ời ta gắn vào hệ thống g−ơng một bộ phận để sấy. Nó đ−ợc đặt trong ống của hệ thống g−ơng. Để có thể làm đ−ợc việc này ng−ời ta cho dòng điện chạy qua một màng mỏng dẫn điện trong suốt gắn giữa hai tấm kính. Thay đổi c−ờng độ dòng điện đi qua bằng cách điều chỉnh chiết áp ta có nhiệt độ sấy cần thiết . Điện cung cấp cho la bàn là dòng xoay chiều của l−ới điện tàu, có điện thế 127 vôn và 220 vôn, còn nguồn dự phòng là 24 vôn. Để giảm hiệu điện thế dòng điện xoay chiều ng−ời ta dùng biến áp còn với dòng điện một chiều dùng biến trở . Để có cửa vào hệ thống quang học và nơi đặt các thiết bị khử ở thân la bàn ng−ời ta làm hai cửa mở. Hình 3.7 Hệ thống quang học của la bàn KMO-T 1. Mặt số, 2. đèn chiếu sáng mặt số, 3. Kính bảo vệ, 4. thấu kính phía trên,5. thân la bàn, 6. thấu kính phía d−ới, 7. tấm kính sấy, 8. ống của hệ thống quang học, 9. g−ơng phản chiếu Hình 3.8 Hình dạng chung của la bàn KMO-T 1. Cái hãm ống quang học, 2. tay gạt cơ khí nậng hạ ống quang học, 3. của m ở thân trên,4. chiết áp, 5. của mở thân d−ới, 6. phần ống cố định, 7. hộp chiết áp, 8. công tắc chiết áp, 9. phần trên của ống di động, 10. vòng đai giữ ống , 11. phần ống d−ới,12. g−ơng phản chiếu, 13. êcu định vị g−ơng . Hình 3.8 Hình 3.9 52
31. La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch 3.2 Cấu tạo la bàn từ của nhật saura-Keiky-Japan La bàn có g−ơng phản xạ loại MR-150A đ−ợc trang bị làm la bàn chuẩn trên các tàu chạy tuyến ven biển, cận hải có cấu tạo nh− sau : Hình 3 9 STT Tên thiết bị Số l−ợng 1 Thân la bàn chuẩn 1 2 Nắp đậy la bàn 1 Chậu la bàn 3 Hộp đặt thỏi sắt non Flinder’s bar 2 chậu la bàn 4 Hộp giá nhựa đặt sắt non khử độ lệch D 1 5 Đồng hồ đo độ nghiêng 2 6 Lỗ tra khóa điều chỉnh độ lệch B, C 2 7 Chốt hãm ống quang học 1 8 Thân ống quang học 1 9 Chốt hãm vành đai giữ ống g−ơng 2 10 Êcu định vị g−ơng 1 11 G−ơng phản chiếu 1 12 Đèn chiếu sáng 1 13 Đầu nối dây đèn chiếu sáng 1 14 Chiết áp điều chỉnh độ sáng 1 53
32. La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch (Hình 3.10) La bàn loại R165-NA là loại la bàn đời mới sản xuất năm 2004 do hãng OSAKA-NUNO TaLI SEIKI CO.LTD chế tạo. La bàn này đ−ợc trang bị trên các tàu đóng mới có trọng tải lớn tại Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng và Nhà máy đóng tàu Hạ Long, có cấu tạo nh− sau: Hình 3.10 1 Nắp đậy la bàn 1 3 Vít chốt giữ lắp la bàn 2 5 Đèn chiếu sáng 1 6 Cửa sổ lắp đèn 1 7 Lắp bảo vệ cửa lỗ nam châm bán vòng 2 8 Hộp đặt thỏi sắt non Flinder’s 1 9 Chậu la bàn 1 10 Hộp đặt lá sắt non khử độ lệch phần t− 2 11 Thấu kính phía trên 1 12 Thân ống quang học 1 13 Chốt định vị ống quang học 1 15 Vít chốt nẹp ống g−ơng phản chiếu 2 16 Thấu kính phía d−ới 1 17 G−ơng phản chiếu 1 18 Thân la bàn 1 19 Đế la bàn 1 54
33. La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch (Hình 3.11) La bàn loại T-150,T-165, T-180 do hãng Saura-Keyki chế tạo đ−ợc trang bị làm la bàn lái trên tàu nhỏ hoặc thay thế la bàn điện trên tàu lớn. (Hình 3.11) Hình 3.11 Sơ đồ kích th−ớc la bàn lái Model A B C D E F G H I J K L M Trọng l−ợng T150IIF 460 380 300 140 264 187 250 235 130 150 202 230 215 11kg T165IIF 490 420 330 160 295 209 250 255 135 165 228 260 235 14 kg T180IIF 490 420 330 160 295 209 250 255 135 175 228 260 235 14 kg 55
34. La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch (Hình 2.12) La bàn loại hình vòm có mặt số kim từ đ−ợc bảo vệ bằng mặt kính hình vòm có khả năng hoạt động tốt trên các tàu có tốc độ cao nên loại la bàn SC-100G th−ờng đ−ợc trang bị trên tàu cao tốc. Hình 3.12 PB -100a La bàn này đ−ợc trang bị trên xuồng cứu sinh. Boat compass La bàn SAURA-KEIKI do Nhật Bản chế tạo đ−ợc trang bị trên các tàu thuyền nhỏ hoặc trên tàu đánh cá. STT Tên thiết bị Số l−ợng Hình 3.13 1 Thân la bàn 1 2 Nắp đậy la bàn 1 3 Mặt chiếu sáng 1 4 Giá xách la bàn 1 5 Chốt hãm 1 6 Nhãn hiệu la bàn 1 7 Lỗ đèn dầu 1 8 1 56
35. La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch (Hình 3.14) La bàn SAURA -KEIKI do Nhật Bản chế tạo đ−ợc trang bị trên các tàu thuyền nhỏ hoặc trên tàu đánh cá, v.v ( ) - Hình 3.14a Hình 3.14a – Hình 3.14b Hì nh 3.14b (Hình 3.15) – – Hình 3.15 Hình 3.15 57
36. La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch (Hình 3.16) La bàn loại sách tay HB-65 GII do Nhật Bản chế tạo. La bàn này đ−ợc trang bị trên xuồng cứu sinh có tác dụng để chỉ h−ớng và đo ph−ơng vị xác định vị trí tàu trên biển . X: Vị trí dự đoán A: Mục tiêu AX: Ph−ơng vị đo tại thời điểm 1 AY: Ph−ơng vị đo tại thời điểm 2 XG: Khoảng cách tàu chạy từ thời điểm 1 đến thời điểm 2 A’X’: Đ−ờng ph−ơng vị dịch chuyển P: Vị trí thay thế AP: Ph−ơng vị đo lần 1 BP: Ph−ơng vị đo lần 2 CP: Ph−ơng vị đo lần 3 Hình 3.16a P: Vị trí xác định – Hình 3.16b 58
37. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch 3.3 KIểM TRA LA BàN Từ 3.3.1 Loại trừ bọt khí ở trong chậu la bàn . 3.3.2 Kiểm tra vị trí nằm ngang của mặt chậu. 3.3.3 Kiểm tra tính ì của mặt số.
38. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch ở
39. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch 3.3.4 Kiểm tra vòng ph−ơng vị 3.3.5 Kiểm tra chung chậu la bàn.
40. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch PL PL = Pd = ∆∆∆P = G G = ∆∆∆G= H−ớng N Ntb N tb I II (I+II)/2 PL Ntb /8 Pd N -PL Ntb I II (I+II)/2 Gtbi - G tbi-1 Bảng 4. ∆ ∆ ± ở ∆ 3.3.6 Kiểm tra các thiết bị khử độ lệch.
41. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch
42. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch 3.4 đặt la bàn từ trên tàu k λ
43. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch đ ± ±
44. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch ± ±
45. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch ở 3.5 Các thiết bị khử độ lệch la bàn 3.5.1 Máy đo từ lực Cô lông ga 3.5.1.1 Nguyên lý cấu tạo máy đo từ lực Cô lông ga. Nguyên lý đo phân lực H và H' Hình 3.17 Nam châm đo Nam châm phụ Hình 3.17
46. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch hình vẽ nét đứt Nguyên lý đo phân lực thẳng đứng Z (Z'). ( Hình 3.18 ) n
    Hinh 3.18 Hình 3.19 á - - 3.5.1.2 Cấu tạo máy đo từ lực Cô lông ga Hình 3.19 hình 3.19
47. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch ± ± hình 3.20
48. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch ± 1. Nam châm ổn định, dùng để triệt tiêu dao động của mặt số khi đo từ lực. 2. Kính lúp để soi đỉnh kim trụ. 3. Thỏi đá mài hình hộp để mài đỉnh kim trụ 4. Tuốc - nơ - vít ống dùng để tháo và gắn kim trụ khi kiểm tra nó ở trong chậu la bàn. 5. Tuốc - nơ - vít đồng thau, sử dụng để điều chỉnh máy Cô lông ga. 6. Sợi dây dùng để thay thế dây vạch chuẩn khi chúng bị biến hình 7. Các đinh vít dự trữ của bộ phận gá thanh đo Cô lông ga 8. Giấy kiểm nhận * Cách sử dụng Cô lông ga đo từ lực
49. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch ± ± ở
50. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch Hình 3.22 * Đo lực thẳng đứng Z và Z' bằng Cô lông ga
51. Ch−ơng 3 La bàn từ hàng hải và các thiết bị khử độ lệch * Cách kiểm tra điều chỉnh máy Cô lông ga ± * Kiểm tra vị trí của thanh nam châm phụ. ± ± 3.5.2 Chậu và mặt số nghiêng