Филиал ВУНЦ ВВС «ВВА» им проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина в г. Сызрани Военная научно-исследовательская работа На тему: Изучение элементов земного магнетизма Выполнили: Кривобок Степан Сергеевич, курсант 2 курса Тюрин Илья Вячеславович, курсант 2 курса Белкин Алексей Александрович, курсант 2 курса Научный руководитель: Курилова Ирина Сергеевна, преподаватель 12 кафедры МиЕНД 1 Содержание: Общие сведения; Факторы, оказывающие влияние на магнитное поле Земли; Использование магнитного поля Земли; Ориентирование в пространстве с помощью магнитного поля Земли; Определение магнитного поля Земли с помощью тангенсгальванометра. 5.1 Устройство и назначение тангенс-гальванометра; 5.2 Элементы земного магнетизма; 5.3 Сущность эксперимента; 5.4 Результаты эксперимента; 6. Заключение. 1. 2. 3. 4. 5. 2 1. Общие сведения. Как известно земля представляет собой естественный шаровой магнит (Рис.1), а соответственно и имеет собственное магнитное поле. В свою очередь магнитное поле – это особый вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между заряженными частицами или телами. Данное явление известно людям уже давно и имеет огромное практическое и научное значение для всего человечества. Так, применяя естественные физические закономерности окружающего нас мира, люди научились ориентироваться в пространстве, используя магнитное поле Земли. Рис.1 Упрощенная модель магнитного поля земли. Магнитное поле Земли сформировалось приблизительно 3,45 миллиарда лет назад, согласно исследованию, проведенному в 2010 году. Изучение обладающих магнитными свойствами кристаллов, которые содержатся в древнейших породах, позволили учёным сделать вывод, что возраст магнитного поля Земли оценивается на 0,5 миллиарда лет раньше предыдущего исследования. Данные результаты были получены в ходе исследования кристаллов Циркона (Рис.2). Рис.2 Кристалл минерала Циркон 3 Учёные использовали магнитомеры высокого разрешения, позволяющие измерять слабые магнитные сигналы железосодержащих минералов. Полученные результаты не идеальны, поэтому позволяют оценить возникновение магнитного поля Земли в диапазоне 3,5 – 4,2 миллиарда лет назад. Данные исследования имеют высокое практическое значение, так как позволяют оценить, когда представилась возможность возникновения жизни на Земле. Древнее магнитное поле являлось естественным щитом против солнечного ветра. Солнечный ветер мог так же пробивать магнитное поле Земли и лишать её атмосферы и воды, что было губительно для зарождения жизни. 2. Факторы, оказывающие влияние на магнитное поле Земли. В настоящее время считается, что магнитное поле состоит из нескольких полей: ― поля, созданного токами, циркулирующими на больших глубинах в жидком ядре Земли (первое магнитное поле Земли, основное), а также намного более слабого, приблизительно в 20 тысяч раз, из-за движения заряженный частиц в гидросфере (второе магнитное поле Земли). Данные полученные с 3 спутников swarm, запущенных в 2013 году (Европейское космическое агентство) и находящихся на высоте 300 – 530 км над Землёй предоставили информацию для составления «второго» (Рис. 3) магнитного поля Земли. По флуктуациям второго магнитного поля можно определить направление движения масс воды на большой глубине, а также смоделировать климат Земли. Рис. 3 Карта магнитного поля Земли ― поля, обусловленного наличием токов большой силы, циркулирующих в атмосфере на высоте 100 км от поверхности Земли. Это 4 в основном токи, создаваемые протонами и электронами, испускаемыми Солнцем, называемое солнечным ветром. Это поле неустойчиво, его колебания наблюдаются в течение суток. При контакте магнитного поля Земли с заряженными частицами, испускаемыми Солнцем происходит перезамыкание силовых линий магнитных полей, которое становится причиной возникновения магнитных бурь на Земле. Магнитная буря на Земле – сильное возмущение в магнитном поле Земли, вследствие воздействия Солнца. Рис. 4 Влияние солнечного ветра на магнитное поле Земли 3. Использование магнитного поля Земли. О существовании магнитного поля Земли было известного ещё в глубокой древности, а первыми людьми, которые научились его использовать, считаются Китайцы. Изобретение компаса присуждено именно им. А во времена плавания Колумба (конец 15 века) было установлено, то магнитное склонение различно для разных точек Земли. Появление компаса представило человечеству возможность с легкостью ориентироваться в пространстве и находить верное направление для осуществления исследований неизвестных уголков нашей планеты. Стоит отметить, что магнитное поле не только позволило зародиться жизни на Земле, но и в повседневной жизни позволяет многим видам животных и птиц ориентироваться в пространстве. На удивление магнитное поле Земли способны чувствовать даже коровы. Данное явление возможно, как считают учёные, благодаря особому устройству глаза. То есть животные и птицы способны «видеть» магнитное поле Земли. 5 Магнитное поле неоднородно и имеет как в южном так и северном полушариях аномалии (Рис. 5). Рис.5 Индукция магнитного поля Земли Резкое изменение магнитного поля Земли позволило находить крупные месторождения ферромагнитных пород, находящихся на глубине. Большие скопления ферромагнитных пород под землёй называется магнитной аномалией. Одним из наиболее известных месторождений на территории России является Курская магнитная аномалия (КМА) (Рис.6). Рис.6 Курская магнитная аномалия 4. Ориентирование в пространстве с помощью магнитного поля Земли Простейшим прибором для ориентирования служит компас. Самым известным, который используется и поныне, является компас Адрианова. Корпус, магнитная стрелка и ремешок – его основные элементы (Рис.7). 6 Рис.7 Компас Адрианова Устройство данного компаса: кольцевой лимб с двумя кольцевые шкалами — внешней и внутренней. Внешняя шкала размечена в тысячных, при этом вся окружность поделена на 12 равных сегментов, разметка цифр идет против часовой стрелки с шагом 5 единиц. Внутренняя шкала размечена в градусах и поделена на 120 делений, то есть цена деления внутренней шкалы соответствует 3°. Прибор имеет целик и мушку, которые свободно вращаются на колбе устройства, для более точного визирования на ориентир. Но данный прибор применим только для ориентирования на местности, где отсутствует влияние внешних магнитных полей, создаваемых, например, металлическим корпусом вертолёта и размещёнными на нём радиоприборами. В таком случае необходимо использовать более совершенные приборы и придумывать новые способы ориентации в пространстве. Магнитный курс (МК) — угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и диаметральной плоскостью судна по направлению его движения. Ошибка магнитного компаса, обусловленная магнитным полем вертолёта, называется девиацией. Различают несколько видов: постоянная девиация, полукруговую, четвертичную и креновую. Как говорилось ранее, она обусловлена наличием ферромагнитных деталей в вертолёте, а также вертолётным оборудованием и постоянными токами в сетях электро- и радиооборудования. Для измерения и указания курса и углов разворота вертолёта используют курсовые системы, например ГМК-1А (Рис.8). При работе 7 совместно с радиокомпасами АРК-9 и АРК-15 ГМК-1А позволяет отсчитывать курсовой угол радиостанции и радиопеленг. Сложность устройства и многочисленность дополнительного оборудования, принцип действия которых основан на измерении индукции магнитного поля Земли (например, индукционный датчик ИД-3), позволяют с высокой точностью устанавливать верный курс при управлении вертолётом. Рис.8 Курсовая система ГМК-1А вертолёта МИ-8 Курсовая система является централизованным устройством, объединяющим гироскопические, магнитоиндукционные и астрономические датчики определения курса. Курсовая система предназначена для определения и индикации курса вертолета и выдачи электрических сигналов, пропорциональных значению курса, в различные устройства для решения задач навигации, пилотирования и других. Магнитный компас КИ-13 является автономным дублирующим измерителем компасного курса ВС. КИ-13 установлен на каркасе фонаря кабины летчиков по продольной оси ВС. Предназначен для определения магнитного курса полета ВС. 8 Рис.9 Магнитный компас КИ-13 Принцип действия основан на использовании свойств свободно подвешенного магнита, устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Чувствительный элемент прибора состоит из двух постоянных магнитов, закрепленных в картушке. На картушке закреплена шкала, отградуированная от 0° до 360°, с оцифровкой через 3° и ценой деления 5°. Внутренняя часть компаса заполняется лигроином, что позволяет демпфировать колебания картушки и уменьшить трение. В нижней части прибора имеется девиационное устройство для устранения полукруговой девиации. Компас имеет индивидуальный подсвет шкалы. 5. Определение магнитного поля Земли с помощью тангенсгальванометра. 5.1 Устройство и назначение тангенс-гальванометра. Тангенс–гальванометр состоит из нескольких кольцеобразных витков медной проволоки, расположенных в вертикальной плоскости. В центре витков расположена магнитная стрелка, установленная на шкале с градусными делениями, шкала служит для отсчета положений магнитной стрелки или ее отклонений. Расположив витки, тангенс–гальванометра в плоскости магнитного меридиана пропустим ток по виткам. В этом случае на магнитную стрелку будут действовать две пары сил. Одна пара сил создана действием магнитного поля земли – она будет стремиться вернуть стрелку в плоскость магнитного меридиана, т.к. силы этой пары направлены параллельно плоскости меридиана. Другая пара сил 9 будет создана действием магнитного поля кругового тока – она стремится расположить стрелку перпендикулярно к плоскости магнитного меридиана. Следовательно, на магнитную стрелку действуют два поля – поле Земли Hз и поле тока Нт. Под действием этих полей магнитная стрелка отклонится на угол α от магнитного меридиана и будет в равновесии при условии, что равнодействующая этих сил будет совпадать с направлением отклоненной стрелки. (Фото нашего тангенс-гальванометра) 5.2 Элементы земного магнетизма. Из всех элементов наибольшее значение имеет магнитное склонение. Магнитное склонение ∆𝐌 - угол, заключенный между северными направлениями истинного (географического) 𝐺 и магнитного 𝐺м меридианов в данной точке. Распределение магнетизма на земной поверхности показывают на специальных картах элементов земного магнетизма. Кривыми линиями на карте соединены точки с одинаковыми значениями того или иного элемента. Линия, соединяющая точки с одинаковым значением склонения, называется изогоной. Магнитное поле Земли подобно полю однородно намагниченного шара. Координаты магнитных полюсов: северного (в Южном полушарии) 78° южной широты и 111° восточной долготы и южного (в Северном полушарии) 78° северной широты и 69° западной долготы. Магнитная ось наклонена относительно географической на 110 и смещена на 1140 км в сторону Тихого океана. Магнитные полюсы и ось со временем изменяют свое положение. Линии магнитного поля выходят приблизительно из центра Земли через Южное полушарие и, обогнув Землю, возвращаются к ее центру через Северное полушарие (Рис.10). 10 Рис.10 Ход силовых линий магнитного поля Земли Магнитное поле Земли принято характеризовать тремя величинами, получившими название элементов земного магнетизма: ― горизонтальная составляющая вектора напряженности земного ⃗ Т; магнитного поля - 𝐻 ― угол магнитного склонения - ∆M; ― угол магнитного наклонения - I. Как и любую систему элементы земного магнетизма можно представить в разложении по осям координат (Рис.11). Рассмотрим земной магнетизм относительно точки 0 земной поверхности. Магнитное поле в ⃗ , направленным по точке 0 характеризуется вектором напряженности 𝐻 касательной к силовой линии магнитного поля Земли в сторону северного ⃗ может быть разложен на две магнитного полюса. Вектор напряженности 𝐻 ⃗ Т и вертикальную 𝐻 ⃗ 𝑧. составляющие: горизонтальную 𝐻 Рис.11 Элементы земного магнетизма То есть магнитное наклонение I - это угол, между вектором ⃗ Т и вектором напряженности 𝐻 ⃗ горизонтальной составляющей 𝐻 11 магнитного поля Земли. Из рисунка видно, что элементы земного магнетизма связаны между собой соотношением: 𝐻= 𝐻Т . cos 𝐼 Он изменяется от магнитного экватора к магнитным полюсам в пределах от 90°. В северном полушарии магнитное наклонение положительное, в Южном - отрицательное. Линия с нулевым наклонением называется магнитным экватором. Точки с максимальным наклонением называются северным и южным магнитным полюсами. Кривые, соединяющие точки с одинаковыми магнитными наклонениями называются изоклинами. Магнитное поле Земли, а, следовательно, и элементы земного магнетизма испытывают изменения по времени, что вызывает необходимость проведения магнитометрических измерений. По данным этих измерений составляются магнитные карты, на которые наносятся элементы земного магнетизма в виде изолиний. Полеты вблизи магнитного экватора характеризуются нулевым ⃗Т =𝐻 ⃗ и минимуму магнитным наклонением, а это, соответствуя максиму 𝐻 ⃗ 𝑧 = 0, создает благоприятные условия для работы магнитных компасов. 𝐻 Наоборот, в районах магнитных полюсов, где наклонение 90°, ⃗ Т = 0 и максимум 𝐻 ⃗𝑧 =𝐻 ⃗ , что не позволяет создаются минимум 𝐻 определять и выдерживать курс по магнитному компасу. Однако магнитный компас не потерял своего значения, им и по сегодняшний день снабжены самолеты и вертолеты. Магнитный способ включает использование свойства магнитной стрелки компаса устанавливаться в плоскости магнитного меридиана ⃗ Т ). (горизонтальной составляющей 𝐻 На магнитный компас действуют уже известные внешние магнитные поля, создаваемые вертолётом, поэтому стрелка магнитного компаса устанавливается не по направлению магнитного меридиана, а вдоль линий, которые называются компасным меридианом. Угол между северными направлениями магнитного и компасного меридианов называется девиацией компаса ∆K. Она отсчитывается от магнитного меридиана к востоку (вправо) со знаком плюс, а к западу (влево) ― со знаком минус. Величина девиации на различных курсах и для различных компасов переменна (Рис.12). 12 Рис.12 Склонения при расчёте курса Истинный курс ИК - угол между северным направлением географического меридиана и продольной осью вертолета. Магнитный курс МК - угол между северным направлением магнитного меридиана и продольной осью вертолета. Компасный курс КК - угол между направлением компасного меридиана и продольной осью вертолета. ∆M- магнитное склонение; ∆К - девиация; Зависимость между курсами: ИК=МК+∆M МК=КК+∆К ИК=КК+∆К+∆M 5.3 Сущность эксперимента. В основу эксперимента положено сравнение действия на магнитную ⃗ Т напряженности стрелку горизонтальной составляющей вектора 𝐻 магнитного поля Земли с действием магнитного поля известной ⃗ 0. напряженности 𝐻 Если в направлении, перпендикулярном к плоскости магнитного ⃗ 0 (Рис. 13), то меридиана, создавать добавочное поле с напряженностью 𝐻 магнитная стрелка отклонится от плоскости магнитного меридиана на некоторый угол α. 13 Рис.13 Отклонение магнитной стрелки при работе тангенсгальванометра На стрелку будет действовать два взаимно перпендикулярных магнитных поля, под действием указанных полей стрелка установится так, что ее ось будет совпадать с результирующим вектором H , ⃗ 0 и (𝐻 ⃗ Т ), согласно принципу суперпозиции полей. напряженностей 𝐻 Основной частью установки является тангенс-гальванометр, представляющий собой катушку с большим числом витков, установленную в вертикальной плоскости, в центре которой укреплена буссоль ― магнитная стрелка, вращающаяся на вертикальной оси над лимбом с делениями. Катушку устанавливают в плоскости магнитного меридиана. Витки включают в электрическую цепь, состоящую из источника регулируемого постоянного тока, амперметра и двойного ключа (Рис. 14). Если предположить, что магнитное поле Земли отсутствует, то при ⃗ 0 был включении тока I вектор напряженности магнитного поля катушки ⃗H бы направлен так, как показано на Рис.15, а (плоскость катушки перпендикулярна плоскости чертежа; значками « • » и «×» показывают направление тока в рамке). ⃗ 0 определяется по закону Био-Савара-Лапласа для Величина 𝐻 кругового тока, а направление силовых линий по правилу буравчика 𝐻0 = 14 𝐼𝑁 . 2𝑅 Рис.14 Схема тангенс-гальванометра Рис.15 Направление магнитной стрелки тангенс-гальванометра В магнитном поле Земли при отсутствии тока в рамке магнитная ⃗ Т , то есть стрелка в центре рамки покажет направление вектора 𝐻 расположится в плоскости геомагнитного меридиана. Если теперь совместить плоскость рамки с плоскостью геомагнитного меридиана (Рис.15, б), а затем включить ток через рамку, то магнитная стрелка повернется на угол α (Рис.15, в) и установится по направлению ⃗ =𝐻 ⃗0+𝐻 ⃗ Т ― согласно принципу результирующего вектора 𝐻 суперпозиции полей. 𝐻0 𝐻0 tg α = → 𝐻Т = . 𝐻Т tg α С учетом формулы закона Био-Савара-Лапласа получим рабочую формулу: 𝐻Т = 𝐼𝑁 2𝑅 tg α 15
