Что делать, если девиация магнитного компаса вдруг, «в результате попадания молнии» стала очень большой, например, больше 60 градусов? Нужно ли ее уничтожать или можно продолжить движение, составив девиационные таблицы?
Чтобы ответить на поставленный вопрос, стоит, хотя бы на пальцах, разобраться, «как ЭТО работает?» Как и почему работает магнитный компас?
Магнитные свойства ферромагнетиков
Основной частью магнитного компаса является его чувствительный элемент. Под воздействием магнитного поля Земли чувствительный элемент занимает в пространстве положение параллельное силовым линиям. При этом конец стрелки, указывающий на север, называется северным, а противоположный ему – южным. Условно принято считать, что в северном полюсе магнита сосредоточен магнетизм положительного наименования, а в южном – отрицательного.
Сила, с которой магнитное поле воздействует на магнитную стрелку компаса, называется напряженностью магнитного поля. Напряженность — величина векторная, т.е. имеющая не только величину, но и направление, и направлена она по касательной к магнитным силовым линиям окружающего магнитного поля.
Магнитные силовые линии
Прямая линия, соединяющая концы магнитной стрелки, называется магнитной осью. В компасах применяют магниты в виде прямолинейных брусков различного сечения. У таких магнитов магнитная ось, как правило, совпадает с геометрической продольной осью.
Важной характеристикой компасных магнитов является магнитный момент. Это физическая величина, пропорциональная длине магнита и количеству магнетизма, сосредоточенного в нем. Магнитный момент используется для расчетов напряженности магнитного поля вокруг магнита. Чем сильнее магнит намагничен и чем он длиннее, тем большую напряженность он создает.
Отсюда следует важный практический вывод: чем больше у стрелки магнитного компаса магнитный момент, тем она чувствительнее к воздействию магнитного поля Земли, а значит, показания такого компаса будут более точными.
Как мы помним, магнитный момент пропорционален длине магнитной стрелки. Поэтому, в теории, чтобы изготовить хороший чувствительный магнитный компас, необходима длинная магнитная стрелка. Однако, технически сложно изготовить однородный магнит большой длинны, да еще к тому же поместить его в корпус соответствующего диаметра. Такой компас будет очень неудобным и громоздким.
Чтобы не делать длинных магнитных стрелок, в современных магнитных компасах вместо одной стрелки используют несколько параллельных намагниченных брусков, закрепленных на картушке. Иными словами, современный морской магнитный компас не имеет магнитной стрелки как таковой. В место нее используется круглая картушка с закрепленными на ней параллельными намагниченными брусками. Такое техническое решение позволяет компенсировать неоднородность намагниченности каждого отдельного бруска, а также получить компас приемлемого диаметра с хорошей магнитной чувствительностью за счет суммирования магнитных моментов каждого бруска в отдельности.
Картушка магнитного компаса
По своим физическим свойствам, материалы, используемые в магнитно-компасном деле (их еще называют ферромагнетики), могут быть твердыми в магнитном отношении или мягкими.
Твердые в магнитном отношении ферромагнетики – это такие материалы, которые хорошо намагничиваются и после прекращения воздействия внешнего магнитного поля обладают хорошей остаточной намагниченностью. Такие материалы используются для изготовления постоянных магнитов.
Мягкие в магнитном отношении ферромагнетики не обладают способностью сохранять остаточную намагниченность. Они легко перемагничиваются под воздействием внешних полей. Такие материалы, конечно же, не используют для изготовления магнитных стрелок, но применяют для других задач в магнитно-компасном деле.
Любопытно, что способность намагничиваться зависит не только от физических свойств материалов-ферромагнетиков, из которых изготавливаются магниты, но и от их размеров и геометрической формы. Для оценки способности тел намагничиваться и размагничиваться используют такие физические характеристики как магнитная восприимчивость и коэффициент размагничивания. Чем больше у вещества магнитная восприимчивость, тем легче его намагнитить. Коэффициент размагничивания – это величина, зависящая от формы тела и определяющая влияние внутреннего размагничивающего поля тела на его магнитное состояние. Чем выше коэффициент размагничивания, тем меньше магнитная восприимчивость.
У коэффициента размагничивания есть одно очень любопытное свойство: чем больше длина тела по сравнению с другими его размерами, тем меньше коэффициент размагничивания. Поэтому для линейных брусков этот коэффициент незначителен. Именно поэтому магниты в картушке компаса – это вытянутые бруски.
Существует еще ряд любопытных свойств магнитов. Так, например, если магнит при намагничивании встряхивать, то он намагнитится сильнее. Это обусловлено тем, что сотрясения ослабляют силы трения между молекулами магнита и поэтому облегчают их определенную ориентацию под действием внешнего магнитного поля. И, наоборот, при размагничивании, сотрясения магнита способствуют обратному процессу.
Также, в силу тех же молекулярных процессов, магнитные свойства зависят от температуры. При сильном нагревании, магнитные свойства материалов ослабевают, и в какой-то момент магнит может перестать быть магнитом. Температуру, при которой тело теряет свои магнитные свойства, называют точкой Кюри. Например, для никеля, точка Кюри составляет 360°С.
Как изготавливают магниты для стрелок магнитного компаса? Как я уже писал, для изготовления стрелок используют «твердое железо», — т.е. твердые в магнитном отношении ферромагнетики. Это сплавы вольфрамовой, кобальтовой хромистой стали и специальных сплавов.
Сначала магнит закаливается, т.е. бруски нагревают до высокой температуры, а затем резко охлаждают. После закалки магнит варят в кипящей воде. Да! Да, это не опечатка! Его именно кипятят. Это делают для того, чтобы подвергнуть его структурной стабилизации. При кипячении стабилизируется химический состав: ускоряется выпадение карбидов. Один час нагревания магнита эквивалентен его естественному старению в течение нескольких лет.
После структурной стабилизации магниты намагничивают в индукционных катушках. По завершению намагничивания магниты теряют часть своего магнетизма, особенно в первые часы. Для обеспечения устойчивости магнитного момента нового магнита его подвергают магнитной стабилизации. Магнитная стабилизация, или магнитное старение, — это процесс частичного размагничивания магнита переменным магнитным полем. Прошедшие магнитную стабилизацию магниты становятся нечувствительными к ударам и сотрясениям, а их магнитный момент остается постоянным при колебаниях температуры.
Прошедшие такой технологический процесс магниты используют для изготовления магнитных стрелок и магнитов-уничтожителей полукруговой и креновой девиации.
«Мягкое железо», — слабые в магнитном отношении ферромагнетики используют для уничтожения четвертной девиации и индуктивной девиации. В качестве материалов применяют чугун и железо, из которых изготавливают шары, бруски квадратного сечения и прямоугольные пластины.
Нактоуз магнитного компаса с прямоугольными пластинами мягкого железа по бокам
Именно шары из «мягкого железа» можно наблюдать на нактоузах старинных магнитных компасов.
Нактоуз магнитного компаса барка «Игл» с шарами мягкого железа
Чтобы дальше вникнуть, как работает магнитный компас и почему его стрелка показывает на север, ну и, в конечном итоге, ответить на поставленный в начале статьи вопрос, нам нужно тщательно разобраться с таким понятием, как магнитное поле Земли, которое и является той самой силой, что заставляет стрелку указывать на север. Но об этом в следующей части…
Продолжение следует…
Используемые материалы: П.А. Нечаев, В.В. Григорьев «Магнитно-компасное дело», В.В. Воронов, Н.Н. Григорьев, А.В. Яловенко «Магнитные компасы»