La bàn từ hàng hải part 1 pdf

1 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 hướng đi và xác định vị trí tàu trên biển.. Cuối thế

Biên soạn : K.S Nguyễn văn Hòa Hiệu đính : KS TTr Bùi Văn Vinh

TS TTr Nguyễn Viết Thành

la bàn từ Hàng Hải

đại học hàng hải 2006

Mục lục

Trang

1.3 Sự tác dụng lẫn nhau của hai thanh nam châm đặt trong từ trường đều 8 1.4 Vật thể sắt từ - Phương pháp luyện sắt từ thành nam châm 11

4.6 Phương pháp Cô lông ga khử độ lệch la bàn 98 4.7 So sánh ưu nhược điểm giữa hai phương pháp Ery và cô lông ga 102 4.8 Khử gần đúng bằng phương pháp cô lông ga trên hai hướng đi la bàn chính

4.9 Khử Độ lệch gần đúng trên hai hướng từ chính ngược nhau 104 4.10 Những nguyên nhân làm độ lệch bán vòng thay đổi 106

Chương 5: Công tác hiệu chỉnh la bàn và phương pháp lập bảng độ lệch còn lại 112 5.1 Những trường hợp cần thiết phải hiệu chỉnh la bàn 112

1

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 hướng đi và xác định vị trí tàu trên biển Căn cứ vào tính chất định hướng của thành phần nhạy cảm theo hướng kinh tuyến từ Con người đã lợi dụng tính chất này để chế tạo la bàn từ đầu tiên vào cuối thế kỉ XII La bàn được cấu tạo gồm một tấm sắt từ gắn vào một chiếc phao, được thả vào trong một chậu nước

Đầu thế kỉ XIV, cấu tạo la bàn từ được thay đổi Kim từ của la bàn được gắn vào một chiếc phao Cả phao và kim từ được đỡ trên một đỉnh kim trụ thẳng đứng Trên mặt phao được gắn thêm một vành tròn bằng giấy hoặc bằng đồng, trên đó được chia hướng theo từng ca và từng độ từ 0O đến 360O Toàn bộ hệ thống kim từ được thả vào một chậu dung dịch gồm cồn và nước cất

Cuối thế kỉ XV, các nhà khoa học hàng hải đã phát hiện ra kim la bàn không chỉ chính xác theo hướng bắc, nam thật mà chỉ lệch đi một góc, góc đó được gọi là độ lệch

địa từ

Cuối thế kỉ XVIII cùng với sự phát triển của ngành đóng tàu bằng sắt thép La bàn từ

được trang bị trên tàu, các nhà hàng hải đã phát hiện ra la bàn chỉ hướng mang sai số lớn Nguyên nhân gây ra sai số la bàn là do ảnh hưởng của từ trường sắt thép trên tàu tác dụng vào kim la bàn làm kim la bàn chỉ lệch khỏi kinh tuyến từ một góc, góc này gọi là độ lệch riêng la bàn Để khử bớt góc lệch này, người ta đưa thêm các thiết bị khử vào thân la bàn

Hiện nay trên các tàu hiện đại, ngoài la bàn từ trên tàu còn được trang bị thêm nhiều thiết bị chỉ hướng hiện đại khác như: la bàn con quay, hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ thống SATELLITE COMPASS, hoạt động với độ chính xác cao, song điều đó không làm giảm vai trò của la bàn từ trên tàu biển Do ưu điểm đặc biệt là độ tin cậy rất cao nên la bàn từ được các nhà hàng hải gọi là la bàn chuẩn Nếu thiếu la bàn chuẩn trên tàu, theo quy phạm của đăng kiểm hàng hải thì tàu đó không đủ điền kiện chạy biển

2

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 được sử dụng vào ngành hàng hải Nó có tác dụng truyền chỉ số hướng đi của la bàn tới máy lái tự động để tự động điều khiển tàu

Các loại la bàn từ được trang bị trên tàu biển

+La bàn chuẩn được đặt trên boong thượng

+La bàn lái được đặt trong buồng lái hoặc được thay thế bằng la bàn điện

+La bàn xuồng được đặt trên xuồng cứu sinh

+La bàn lái sự cố được đặt trong buồng lái sự cố

Đặc điểm của la bàn từ trang bị trên tàu biển Việt Nam gồm nhiều loại Nhật, Liên Xô, Đức, Trung Quốc v.v Về cấu tạo la bàn cơ bản giống nhau, còn các thiết bị khử tuỳ theo từng loại la bàn, từng nước sản xuất được bố trí khác nhau

Giáo trình la bàn từ này sẽ giới thiệu cơ bản về lý thuyết, cấu tạo và phương pháp khử độ lệch la bàn Ngoài ra giáo trình còn giới thiệu sơ lược về nguyên lý cấu tạo la bàn truyền mặt số

Giáo trình này làm tài liệu nghiên cứu và học tập cho sinh viên Đại học Hàng hải ngành Điều khiển tàu biển, đồng thời có thể làm tài liệu nghiên cứu và tham khảo cho những người làm công tác hàng hải, công tác đánh cá trên biển

Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng song giáo trình này không tránh khỏi thiếu sót rất mong được sự đóng góp và phê bình của bạn đọc

Xin chân thành cảm ơn

Người biên soạn: Nguyễn Văn Hòa

Bộ môn Hàng hải - Khoa Điều khiển tàu biển

Chương 1 Khái niệm cơ bản về từ trường

3

S(- )

Hình 1.1 Vị trí từ cực trên thanh Nam châm

(+)N

2l 1/12 1/12

•

•

Chương 1 khái niệm cơ bản về từ trường 1.1 Từ tính và nam châm

1.1.1 Khái niệm

Bộ phận chính của la bàn từ là thành phần nhạy cảm Thành phần nhạy cảm gồm các thanh nam châm vĩnh cửu, chúng kết cấu với nhau thành một hệ thống gọi là hệ thống kim từ Lực định hướng của thành phần nhạy cảm được phát sinh dưới sự ảnh hưởng của từ trường trái

đất Từ trường của trái đất được hình thành do sự cấu tạo và hoạt động của lòng đất gồm nhiều

mỏ quặng, kim loại Những loại quặng hút được mạt sắt gọi là sắt từ Các loại vật thể khác có tính chất như trên: sắt, thép và một số hợp kim có tính chất từ được luyện từ theo phương pháp nhân tạo Những vật thể có từ tính như vậy gọi là nam châm Vậy những vật thể hút được sắt, thép gọi là vật thể có từ tính Sắt, thép mang từ tính gọi là nam châm

Nam nam châm gồm hai loại: - Nam châm tự nhiên

- Nam châm nhân tạo

1.1.2 Tính chất của nam châm

Giả sử đưa một thanh sắt Fe2O3vào trong một từ trường, sau một thời gian thích hợp đưa thanh sắt ra khỏi từ trường, trong thanh sắt tồn tại một lượng từ dư làm thanh sắt trở thành nam châm vĩnh cửu có những tính chất sau:

- Thanh nam châm có 2 điểm tập trung từ lực mạnh nhất gọi là từ cực Từ cực cách đầu thanh nam châm 1 khoảng bằng 1/12 của 2 (2l là khoảng cách 2 cực thanh nam châm)

- Đường đi qua hai từ cực gọi là trục từ

- Bộ phận giữa thanh nam châm không có từ tính gọi là phần trung tính

Treo thanh nam châm bằng một sợi chỉ thì một đầu thanh nam châm quay về hướng bắc

địa lý người ta quy định đó là đầu bắc (N) sơn màu đỏ, còn đầu kia thanh nam châm là đầu nam (S) sơn màu xanh (mang tính chất giữ hướng)

- Hai đầu thanh nam châm cùng tên thì đẩy nhau khác tên thì hút nhau

- Từ cực nam châm không thể cắt rời được, ta cắt một thanh nam châm thành nhiều đoạn thì mỗi đoạn thành một nam châm mới

Chương 1 Khái niệm cơ bản về từ trường

4

1.1.3 Sức từ, từ khối , mô men từ

- Sức từ: Lực đẩy và lực hút giữa hai cực gọi là sức từ Quy định sức tác dụng cực cùng tên là (+) và sức tác dụng giữa hai cực khác tên là (-)

- Từ khối của nam châm là khối lượng từ chứa ở hai cực của nam châm Ký hiệu: m

* Chú ý : Sức từ và từ khối của thanh nam châm có dấu ngược nhau, trị số tuyệt đối bằng nhau

- Mô men từ : M là tích số giữa từ khối của nam châm với khoảng cách hai cực :

Ta có công thức:

Trong hệ thống : cm, gam , giây, đơn vị mô men từ là : CgsM

- Định luật Culông :

Qua thí nghiệm Culông chứng minh lực tác dụng giữa hai cực của 2 thanh nam châm

tỷ lệ thuận với tích số từ khối của chúng và tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách giữa hai từ khối Ta có:

F = 2

2 1

d

m m

m1 , m2 là khối lượng từ chứa ở hai cực của thanh nam châm

d là khoảng cách giữa hai cực từ

à : là hệ số dẫn từ phụ thuộc vào điều kiện môi trường :

à = 1 : môi trường trong chân không

à < 1 : môi trường phản từ lực tác dụng lớn hơn trong chân không

à > 1 : môi trường thuận từ lực tác dụng nhỏ hơn trong chân không

1.1.4 Từ trường - Cường độ từ trường - Đường sức từ

1.1.4.1 Từ trường

- Từ trường của thanh nam châm là khoảng

không gian bao quanh nam châm mà ở đó có từ

lực tác dụng Trên hình vẽ ta thấy từ trường của

một thanh nam châm thẳng Nếu trên tấm bìa các

tông được đặt trên một thanh nam châm, ta rắc

trên đó các mạt sắt đồng thời rung nhẹ cho các

mạt sắt di chuyển, thì dưới tác dụng của từ trường

các mạt sắt được phân bố theo quy luật có dạng đường cong Đường cong đó gọi là đường sức

từ (hình 1.2)

N S

Hình 1.2 Đường sức từ

Chương 1 Khái niệm cơ bản về từ trường

5

1.1.4.2 Cường độ từ trường

Giá trị cơ bản biểu thị đặc tính của từ trường là cường độ từ trường ký hiệu là H Vậy cường độ từ trường tại một điểm là một lực tác dụng lên 1 đơn vị từ khối (+) đặt tại điểm đó

Ta có công thức sau :

m

F

- Biểu thị: Nếu từ cực có từ khối là 1 đơn vị tại 1 điểm trong từ trường bị tác dụng bởi lực F

Trong hệ thống C.g.s.M , đơn vị H là Erstet ký hiệu Oe Trong đơn vị quốc tế, đơn vị cường độ từ trường được tính là Ampemet (A/M) 1A/M = 4π.10-3Oe

-Véc tơ cường độ từ trường ( Hr ) luôn tiếp tuyến với đường sức từ

1.1.4.3 Đường sức từ

- Đường sức từ là một đường nối liền giữa các hướng của cường độ từ trường tại các điểm, trong từ trường đều đường sức có dạng đường thẳng, trong từ trường không đều đường sức có dạng cong (hình 1.2)

-Trong thực tế hàng hải cho phép coi từ trường của trái đất ở không gian tàu chiếm chỗ

là từ trường đều Với giả thiết như vậy đơn giản rất nhiều cho việc nghiên cứu la bàn

- Đường sức từ luôn đi vào ở cực nam (S) và đi ra ở cực bắc (N)

*Chú ý : Sự biến dạng của đường sức :

+ Trong từ trường thanh nam châm đặt một vật liệu bằng kim loại thì đường sức từ bị biến dạng Chứng tỏ giúp ta giả thích ở những khu vực có nhiều mỏ quặng kim loại có khả năng nhiễm từ mạnh sẽ làm cho dường sức từ của từ trường trái đất biến dạng mạnh dẫn đến hiện tượng nhiễu loạn từ, thậm trí sinh ra bão từ gây tổn thất nặng cho các thiết bị điện, trạm biến

áp điện trên bờ cũng như các thiết bị điện trên tàu.v.v

+ Đường sức không xuyên qua hình trụ rỗng bằng kim loại nên tầu ngầm không đặt được

la bàn vì ở đây la bàn từ không có khả năng định hướng

1.2 Cường độ từ trường của nam châm thẳng

Trong la bàn từ người ta sử thường sử dụng các thanh nam châm thẳng, có tiết diện vuông hoặc tròn Những thanh nam châm như vậy thì trục từ thường trùng với trục hình học của nó Sau đây người ta nghiên cứu ba trường hợp cường độ từ trường của thanh nam châm thẳng tác dụng lên một điểm Ba trường hợp này thường phổ biến trên tàu như sau

1.2.1 Xét cường độ từ tại một điểm ở trên đường trung trực của thanh nam châm

- Xét thanh nam châm thẳng NS có từ khối là ± m Khoảng cách 2 cực là 2l Xét điểm B trên đường trung trực thanh NS có từ khối +1 đơn vị

Chương 1 Khái niệm cơ bản về từ trường

6

Khoảng cách OB = d Giả thiết d >> l

- Gọi cường độ từ trường của thanh nam châm tác dụng lên điểm B là H1, gọi lực tác dụng 2 cực lên điểm B là FN và FS hợp lực của hai lực này là :

S

N F F H

r r r

+

=

áp dụng định luật Culông ta có :

) (d2 l2

m F

+

=

=

Xét về độ lớn :

H1 = FNcosθ + FScosθ = cosθ(FS+FN)

Mặt khác ta có :

2 / 3 2

2 3 3 2

2 6 3

2 2 2

2 2 2 1 2 2

) 1 ( )

1 ( )

(

2 )

2 ( cos

d

l d M

d

l d

M l

d

ml l

d

m l

d

l H

l d

l

+

= +

= +

= + +

=

⇒ +

=

θ

Từ giả thiết d>>l ⇒ 2

2

d

l

≅ 0 ⇒ H1 = 3

d

M

Vậy véc tơ cường độ từ trường H1 có hướng song song với trục thanh nam châm và có chiều hướng về cực S

*Chú ý : Nếu điểm A nằm gần trung tâm thanh nam châm thì tỷ số 2

2

d

l

không được bỏ qua và trong trường hợp đó ta tính toán theo công thức gần đúng sau :

) 2

3 1 (

2 2 3

1

d

l d

M

Có được công thức trên khi ta đã triển khai thành phần 3 / 2

3

2

) 1

d

l

thành chuỗi và lấy hai số hạng đầu

1.2.2 Cường độ từ trường của thanh nam châm tác dụng lên một điểm trên đường trục từ (Hình 1.4)

- Xét thanh nam châm thẳng NS có từ khối là ± m (Hình 1.4)

Khoảng cách 2 cực là 2l

Từ khối điểm A +1 đơn vị

Khoảng cách từ A đến trung

tâm thanh nam châm OA = d Giả

thiết d>>L

- Xét cường độ từ trường tác

dụng lên điểm A là H2:

Ta gọi lực từ tác dụng của cực N là FN, cực S là FS Theo định luật cu lông ta có:

2l

S d

A

FS

O

FN

N

Hình 1.4

1/12 1/12

d Fs

H 1

F N

B

S

N

(-)m (+)m

θ

o

2 l Hình 1.3

Chương 1 Khái niệm cơ bản về từ trường

7

FN = 2

) (d l

m

ư

+ ; FS = 2

) (d l

m

+

ư

S

N F F H

r r r

+

=

) (d l

m

ư

+

) (d l

m

+

ư

2 2

2 4

2 2

2 2

2 2 2

2 2

2

) 1 (

2 2

) (

) ( ) (

d

l d

l dl d

l dl d

m l

d

l d m l d m H

ư

ư +

ư + +

=

ư

ư

ư +

2 2

2 3 2 2

2 4 2

) 1 (

2 )

1 ( 4

d

l d M d

l d

mld H

ư

=

ư

=

2

2

d

l

rất nhỏ cho nên ta có thể bỏ qua ⇒ 2 2 3

d

M

- M là mô men từ của thanh nam châm

Vậy véc tơ cường độ từ trường H2 có phương trùng với phương của trục dọc thanh nam châm, chiều từ đầu N đi ra

*Chú ý : Nếu điểm A ở gần thanh nam châm thì không được bỏ qua thành phần 2

2

d

l

khi

đó ta tính theo công thức :

) 2 1 ( 2

2 2 3

2

d

l d

M

Công thức này đã được khai triển thành phần 2

2

2

) 1

d

l

thành chuỗi và chỉ lấy hai số hạng đầu

1.2.3 Cường độ từ trường của thanh nam châm thẳng tác dụng lên một điểm nằm ở

vị trí bất kỳ.(Hình 1.5)

Từ hình vẽ ta có :

M1 = M.sinφ ; M2 = M.cosφ

ở đây φlà góc hợp bởi giữa trục thanh NS và hướng OC

- Xét thanh nam châm NS có từ khối ± m,

khoảng cách giữa hai cực là 2l Xét điểm C ở vị trí

bất kỳ có từ khối +1đơn vị, gọi khoảng cách OC =

d, giả thiết d>>l Giả sử thanh nam châm NS có mô

men là M Ta chiếu véc tơ M lên 2 hướng OC và

hướng vuông góc với OC ta được M1và M2 bằng

cách đó ta thay thanh nam châm NS thành 2 thanh

nam châm N'S' và N"S" Một thanh N'S' có điểm C

nằm trên đường trung trực.Một thanh N"S" có điểm

C nằm trên đường trung trực

Hình 1.5 (+)m

C

H 1

d

- (m)

φ

H 2

H

M 2

M 1