Магнитный компас может указывать направление исключительно благодаря воздействию на него огромного магнита под названием Земля. Поэтому ответить на вопрос, поставленный в первой части конспекта «Что делать, если девиация магнитного компаса вдруг, «в результате попадания молнии» стала очень большой?», без представления о земном магнетизме затруднительно. Итак, планета Земля – второй участник процесса выработки курса с помощью магнитного компаса.
Магнитное поле Земли
Наша планета Земля представляет собой огромный магнит, создающий вокруг себя мощное магнитное поле. Магнитное поле Земли, в первом приближении, представляет собой поле намагниченного шара-диполя, помещенного в центре планеты и наклоненного к оси ее вращения примерно на угол 12°. Ось этого магнита пересекает земную поверхность в точках, расположенных неподалеку от географических полюсов, и эти точки соответственно называются северный магнитный полюс и южный магнитный полюс. В силу различных причин магнитное поле Земли имеет не одинаковую природу и сложную структуру и поэтому неоднородно.
Магнитное поле Земли
Любопытно, что, хотя северный магнитный полюс и называется «северным», однако, он имеет магнетизм южного наименования и ему приписывают знак «минус», а соответственно южный магнитный полюс – северного наименования и соответствующий ему знак — это «плюс».
Магнитные силовые линии исходят из южного магнитного полюса, имеющего знак плюс, и сходятся в точке северного магнитного полюса, имеющего знак минус.
Магнитные силовые линии
Напомню, что магнитное поле характеризуется напряженностью – векторной величиной, направленной по касательной к силовым линиям. Если мы подвесим намагниченную иголку на нитке – этакую модель магнитной стрелки, то эта свободно подвешенная магнитная стрелка под действием магнитного поля будет стремиться занять такое положение в пространстве, чтобы ее магнитная ось совпала по направлению с вектором напряженности магнитного поля Земли. И эта намагниченная игла будет располагаться под некоторым углом к земной поверхности, который называется магнитным наклонением. Если северный конец иглы опущен под горизонт, то такое наклонение принято считать положительным. Если приподнят, то — отрицательным.
На магнитных полюсах магнитное наклонение равно 90°, т.е. вектор напряженности магнитного поля перпендикулярен поверхности, и подвешенная игла будет висеть вертикально.
Линия на земной поверхности, где магнитное наклонение равно нулю называется магнитный экватор. В отличие от географического экватора, магнитный экватор представляет собой кривую линию.
Магнитный экватор на карте изолиний горизонтальной составляющей магнитного поля Земли
Полную силу Земного магнетизма можно разложить на составляющие – горизонтальную и вертикальную. Горизонтальная составляющая этой силы – это как раз та сила, которая заставляет стрелку магнитного компаса указывать на север. Очевидно, что в районе экватора эта составляющая максимальна, а в приполюсных районах она близка к нулю. Поэтому в приполюсных районах магнитный компас не работает, т.к. горизонтальная составляющая магнитного поля Земли слишком слаба.
След от сечения плоскости истинного горизонта и вертикальной плоскостью, проходящей через магнитную ось свободно подвешенной магнитной стрелки, называется магнитным меридианом. Обратите внимание, что магнитный меридиан, в отличие от географического меридиана, не является дугой большого круга, соединяющей по кратчайшему расстоянию полюса, а может иметь весьма извилистую форму вследствие неоднородности магнитного поля.
Магнитные меридианы
В общем случае магнитный меридиан и истинный меридиан не совпадают. Угол между ними называется магнитным склонением. Если северный конец магнитной стрелки отклонен от истинного меридиана к востоку, то склонение будет восточным и ему присваивается знак плюс. И наоборот, если стрелка отклонена к западу, то склонение будет соответственно западным и иметь знак минус.
Магнитное склонение
В разных точках земного шара склонение неодинаково и может принимать значение от нуля до 180 градусов.
Карта изогон – линий с равным значением магнитного склонения
Главное магнитное поле земли не является постоянным. Непрерывные наблюдения показывают, что оно из года в год изменяется. Вследствие этого меняются координаты магнитных полюсов, меняются значения элементов земного магнетизма, такие как магнитное склонение, положение магнитного экватора и другие.
В современный компьютерный век элементы земного магнетизма, подобно погоде, рассчитывают с помощью сложных математических моделей. Благодаря таким методам существует возможность рассчитать значение магнитного склонения на любую дату в любой точке Земного шара.
Величина магнитного склонения для Санкт-Петербурга
Мы кратко рассмотрели элементы земного магнетизма, но чтобы приблизиться к ответу на главный вопрос, заданный в начале статьи, нужно проанализировать более детально, каким образом магнитное поле Земли заставляет стрелку магнитного компаса указывать на север.
В отличие от свободно подвешенной намагниченной иголки, стрелка магнитного компаса может вращаться только в горизонтальной плоскости. Поэтому основной силой, заставляющей ее поворачиваться, является горизонтальная составляющая магнитного поля, которая, как уже было отмечено ранее, максимальна вблизи экватора и уменьшается до нуля у магнитных полюсов. Иными словами, создается вращательный момент, заставляющий магнитную стрелку возвращаться в положение, когда ее магнитная ось параллельна горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Земли. Этот момент силы называется вращающим моментом чувствительного элемента компаса. Вращающий момент чувствительного элемента компаса пропорционален магнитному моменту стрелки, горизонтальной составляющей земного магнетизма и зависит от угла отклонения оси чувствительного элемента от магнитного меридиана.
Вращающий момент магнитной стрелки
Когда магнитная стрелка находится «в меридиане», вращающий момент равен нулю. При отклонении стрелки от магнитного меридиана, появляющийся вращающий момент заставляет стрелку возвращаться в исходное положение равновесия. Из всего этого следует, что вращающий момент магнитной стрелки изменяется с широтой и в приполюсных районах стремится к нулю.
Итак, мы рассмотрели вторую составляющую процесса выработки курса с помощью магнитного компаса – магнитное поле Земли. Остается еще третий участник – наша яхта. Но мы расскажем об этом в следующей части.
Продолжение следует…
Использованные материалы: П.А.Нечаев, В.В.Григорьев «Магнитно-компасное дело», NATIONAL GEOSPATIAL-INTELLIGENCE AGENCY «HANDBOOK OF MAGNETIC COMPASS ADJUSTMENT», E.А.Жалковский, В.И.Никифоров «О картографировании главного геомагнитного поля Земли», В.В.Воронов, Н.Н.Григорьев, А.В. Яловенко «Магнитные компасы»
Первая часть: Магнитно-компасное дело. Краткий конспект. Часть 1