LA BÀN TỪ HÀNG HẢI TRƯỜNG GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM

TRẦN ANH NGÂN – TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT TPHCM 8 PHẦN MỘT: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TỪ Như chúng ta đã biết, nguyên lý làm việc của la bàn từ là dựa trên sự định hướng của kim nam châm trong từ t

Trang 1

LA BÀN TỪ

HÀNG HẢI

NEW EDITION

TRẦN ANH NGÂN

Trang 2

TRẦN ANH NGÂN – TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT TPHCM 2

LỜI GIỚI THIỆU

La bàn là một dụng cụ dùng để định hướng trên Trái Đất Nó sử dụng môt kim nam châm có thể tự do quay theo từ trường của Trái Đất, từ đó giúp xác định các hướng Đông, Tây, Nam, Bắc Ngay từ thế kỷ thứ 11, người Trung Hoa đã phát hiện ra tính chất này của đá nam châm và phát minh ra một dạng sơ khai của la bàn Và ngay lập tức, những nhà hàng hải đã nhận thấy tầm quan trọng của la bàn trong việc dẫn tàu trên biển, nơi mà việc xác định phương hướng là nhân tố sống còn Cuối thế kỷ 12, chiếc la bàn quen thuộc với những người thủy thủ được phát minh tại châu Âu, và từ đây, la bàn đã trở thành một biểu tượng gắn liền với những con tàu viễn dương, gắn liền với những người thuyền trưởng

Tuy nhiên, những la bàn trong thời kỳ này có cấu tạo đơn giản bao gồm một bản sắt từ ghép trên cái phao được đặt trong một cái chậu có nước Cho đến đầu thế kỷ 14, cấu tạo của la bàn mới được thay đổi, hoàn chỉnh hơn, và gọn nhẹ hơn Thời bấy giờ người ta quan niệm rằng kim nam châm của la bàn chỉ đúng hướng Bắc và Nam của quả đất Và những con thuyền buồm bằng gỗ được trang bị la bàn, với sự chỉ hướng của nó, đã rong ruổi khắp các đại dương trên thế giới

Cuối thế kỷ 15, những người đi biển đã phát hiện ra kim nam châm không phải chỉ đúng hướng Bắc-Nam của quả đất mà chỉ lệch đi một góc nào đó, người ta gọi đó là

độ lệch địa từ Vì vậy, đến thế kỷ 16, người ta bắt đầu làm những công tác xác định độ lệch địa từ và đầu thế kỷ 18 thì xuất hiện những bản đồ độ lệch địa từ đầu tiên

Cuối thế kỷ 18, với sự phát triển của ngành đóng tàu vỏ sắt, người ta phát hiện ra rằng dưới ảnh hưởng của sắt trên tàu thì kim la bàn chỉ lệch đi một góc nào đó so với kinh tuyến địa từ Đại lượng này thay đổi theo hướng đi của tàu và biến đổi khác nhau

ở những con tàu khác nhau Góc lệch này người ta gọi là độ lệch riêng la bàn Vì vậy,

để la bàn có thể làm việc chính xác tức là chỉ đúng hướng bắc địa từ thì phải tiến hành khử độ lệch la bàn Đầu thế kỷ 19, các nhà hàng hải đã dần hoàn thành việc khử độ lệch la bàn từ bằng việc thêm vào một số bộ phận trong cấu tạo của la bàn từ

Qua quá trình phát triển và hoàn thiện, la bàn từ trên tàu biển dần hoàn chỉnh về mặt cấu tạo và công tác khử độ lệch la bàn trở thành một nhiệm vụ của người sỹ quan hàng hải Đây là kết quả của một quá trình dày công nghiên cứu lý thuyết la bàn từ với sự đóng góp của nhiều nhà bác học trên thế giới như là E.P Kolong, A.N Crulov, N.N Oglobilinaki, P.A Domogarov

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con người đã phát minh ra la bàn con quay dùng để chỉ hướng trên tàu biển Với nguyên lý hoạt động hoàn toàn khác với la bàn từ, la bàn con quay không chịu ảnh hưởng của từ trường do sắt trên tàu gây

Trang 3

ra Khả năng làm việc chính xác của la bàn con quay và khả năng kết nối truy xuất dữ

liệu với một số thiết bị điện tử khác như máy lái tự động, GPS, đã làm lu mờ đi vai

trò của la bàn từ trên tàu biển Tuy nhiên, la bàn từ có một lợi thế cơ bản mà không có

la bàn con quay nào thay thế được, đó là khả năng làm việc liên tục không gián đoạn

và không phụ thuộc nguồn điện trên tàu, đã giúp cho la bàn từ vẫn là trang bị bắt

buộc trên tàu biển theo như quy định của quốc tế

Vì vậy, cho dù có sự trợ giúp của các trang thiết bị hiện đại, người sỹ quan hàng hải

vẫn cần phải nắm vững những kiến thức về độ lệch la bàn từ và thực hiện được công

tác khử độ lệch la bàn

Có nhiều phương pháp khử độ lệch la bàn được đưa ra, nhưng phổ biến ở Việt Nam và

trên thế giới là dùng phương pháp Ery và xác định độ lệch bằng chập tiêu

Về đề tài này, thì cũng đã được nhiều thầy, sinh viên và một số sỹ quan hàng hải,

những người đam mê và yêu thích môn la bàn từ này, nghiên cứu và biên dịch các tài

liệu nước ngoài Với mục đích là tìm hiểu và tổng hợp lại kiến thức của những bậc đàn

anh đi trước, tài liệu này sẽ đi sâu phân tích lý thuyết độ lệch la bàn từ và sau đó là

giới thiệu công tác khử độ lệch la bàn từ trên luồng Sài Gòn- Vũng Tàu và tại cửa

Vũng Tàu

Trang 4

MỤC LỤC

PHẦN MỘT :

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TỪ

1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TỪ: 8

1.1.1 TỪ TÍNH VÀ NAM CHÂM: 8

1.1.2 KHÁI NIỆM SỨC TỪ, TỪ KHỐI, ĐỊNH LUẬT COULOMB VÀ MÔMENT TỪ: 9

1.1.3 TỪ TRƯỜNG, CƯỜNG ĐỘ TỪ TRƯỜNG VÀ ĐƯỜNG SỨC TỪ: 11

1.2 CƯỜNG ĐỘ TỪ TRƯỜNG CỦA MỘT THANH NAM CHÂM THẲNG: 13

a Cường độ từ trường tại một điểm trên trục từ: 13

b.Cường độ từ trường tại một điểm ở trên đường trung trực của thanh nam châm: 14

c Cường độ từ trường tại một điểm bất kỳ trong từ trường: 15

1.3 SỰ TÁC DỤNG LẪN NHAU CỦA HAI THANH NAM CHÂM ĐẶT TRONG TỪ TRƯỜNG ĐỀU: 16

a Vị trí Gay-lys-sắc thứ nhất: 18

b.Vị trí Gay-lys-sắc thứ hai: 19

1.4 HIỆN TƯỢNG TỪ HÓA: 19

1.4 VẬT LIỆU SẮT TỪ, SẮT NON, SẮT GIÀ: 22

1.5 QUÁ TRÌNH KHỬ TỪ: 26

PHẦN HAI: ĐỊA TỪ TRƯỜNG, ĐỘ LỆCH ĐỊA TỪ, HOA ĐỊA TỪ 2.1 ĐỊA TỪ TRƯỜNG 28

2.1.1 Từ trường của Trái Đất: 28

2.1.2 Các phân lực địa từ và sự tác dụng của nó: 30

2.2 ĐỘ LỆCH ĐỊA TỪ: 31

2.3 HOA ĐỊA TỪ – CẤU TẠO VÀ CÁCH SỬ DỤNG: 32

2.4 BẢN ĐỒ CÁC YẾU TỐ ĐỊA TỪ: 34

PHẦN BA: LA BÀN TỪ HÀNG HẢI, CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 3.1 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ LA BÀN TỪ: 37

3.2 PHÂN LOẠI LA BÀN TỪ: 38

3.3 CẤU TẠO LA BÀN TỪ HÀNG HẢI: 40

3.3.1 Chân la bàn: 41

3.3.2 Chậu la bàn: 42

3.3.3 Các thanh nam châm và sắt non dùng để khử độ lệch la bàn từ: 44

3.3.4 Hệ thống quang học hay hệ thống kính chiếu vào buồng lái: 46

3.3.5 Vòng phương vị: 48

3.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA LA BÀN TỪ: 49

3.5 CẢM ỨNG ĐỊA TỪ VÀ ĐỘ LỆCH LA BÀN: 50

3.6 MỘT SỐ CHÚ Ý KHI SỬ DỤNG LA BÀN TỪ HÀNG HẢI: 52

Trang 5

PHẦN BỐN:

LÝ LUẬN ĐỘ LỆCH RIÊNG LA BÀN

4.1 KHÁI NIỆM TỪ TRƯỜNG TÀU VÀ ĐỘ LỆCH RIÊNG LA BÀN: 53

a Khái niệm từ trường tàu: 53

b Từ tính vĩnh cửu của con tàu: 53

c Từ tính cảm ứng của con tàu và tác dụng của nó đối với la bàn: 55

d Độ lệch riêng la bàn: 56

4.2 HỆ PHƯƠNG TRÌNH POISSON: 56

4.2.1 Khái niệm hệ trục tọa độ tàu: 56

4.2.2 Phân tích lực tác dụng của địa từ trường theo hệ trục tọa độ tàu: 57

4.2.3 Tác dụng của sắt thép trên tàu đối với la bàn: 58

a Khái niệm: 58

b Tác dụng của sắt thép chiều dọc đối với la bàn: 59

c Tác dụng của sắt non chiều ngang đối với la bàn: 60

d Tác dụng của sắt non chiều thẳng đứng đối với la bàn: 60

e Tác dụng của sắt già đối với la bàn: 61

4.2.4 Phương trình Poisson: 61

4.3 HỆ SỐ SẮT NON VÀ CÁCH BIỂU DIỄN CÁC HỆ SỐ SẮT NON: 62

4.3.1 Dùng đòn sắt non biểu thị các hệ số sắt non: 62

4.3.2 Đòn sắt non biểu thị hệ số a - hệ số sắt non chiều dọc sinh ra bởi sắt non chiều dọc 63

4.3.3 Đòn sắt non biểu thị hệ số b - hệ số sắt non chiều dọc sinh ra bởi sắt non chiều ngang: 64

4.3.4 Đòn sắt non biểu thị hệ số c- hệ số sắt non chiều dọc sinh ra bởi sắt non chiều thẳng đứng: 65

4.3.5 Bảng tóm tắt sự biểu diễn các hệ số sắt non bằng các đòn sắt non và dấu của chúng: 66

4.3.6 Phân tích trị số của các hệ số sắt non: 67

4.4 CÁC LỰC ĐỘ LỆCH TÁC DỤNG LÊN LA BÀN: ( ) 68

4.4.1 Chứng minh các lực : 68

4.4.2 Phân tích các lực : 73

4.4.3 Đa giác độ lệch: 75

4.5 ĐỘ LỆCH VÀ CÔNG THỨC CƠ BẢN CỦA ĐỘ LỆCH: 75

4.5.1 Quan hệ giữa độ lệch sinh ra bởi các lực độ lệch và hướng tàu đi: 75

4.5.2 Công thức cơ bản về độ lệch: 81

4.5.3 Công thức tính các hệ số gần đúng của công thức độ lệch: 81

4.6 NGUYÊN LÝ ĐỘ LỆCH TÀU NGHIÊNG: 82

4.6.1 Sự biến đổi của sức từ khi tàu nghiêng và tác dụng của nó đối với la bàn: 82

4.6.2 Độ lệch nghiêng ngang: 83

4.6.3 Độ lệch nghiêng dọc ( nghiêng chúi): 87

PHẦN NĂM: MÁY ĐO TỪ LỰC - CÁC THIẾT BỊ KHỬ ĐỘ LỆCH LA BÀN TỪ 5.1 MÁY ĐO TỪ LỰC KOLONG: 89

Trang 6

5.1.1 Nguyên lý cấu tạo của máy Kolong: 89

5.1.2 Cấu tạo của máy đo lực từ Kolong: 90

5.1.3 Kiểm tra và hiệu chỉnh máy Kolong: 91

5.2 LA BÀN NGHIÊNG: 92

5.2.1 Cấu tạo của la bàn nghiêng: 92

5.2.2 Kiểm tra và điều chỉnh la bàn nghiêng: 92

5.3 PHƯƠNG PHÁP DÙNG MÁY KOLONG ĐO LỰC BẰNG: 93

5.3.1 Phương pháp đo lực H trên bờ: 93

5.3.2 Phương pháp đo lực H’: 94

5.4 PHƯƠNG PHÁP DÙNG MÁY KOLONG VÀ LA BÀN NGHIÊNG ĐỂ ĐO LỰC THẲNG ĐỨNG: 94

5.4.1 Phương pháp đo lực Z ở trên bờ: 94

5.4.2 Phương pháp hiệu chỉnh lực Z’ trên tàu: 94

5.5 MỘT SỐ DỤNG CỤ KHỬ ĐỘ LỆCH: 95

PHẦN SÁU: CÁC PHƯỚNG PHÁP KHỬ ĐỘ LỆCH LA BÀN TỪ 6.1 KHÁI NIỆM CỦA VIỆC KHỬ ĐỘ LỆCH LA BÀN TỪ: 97

6.2 PHƯƠNG PHÁP KHỬ ĐỘ LỆCH NỬA VÒNG: 97

6.2.1 PHƯƠNG PHÁP KHỬ ĐỘ LỆCH NỬA VÒNG TRÊN BỐN HƯỚNG ĐI TỪ CHÍNH ( PHƯƠNG PHÁP ERY): 97

a Nguyên lý khử lực C’ : 98

b Nguyên lý khử lực B’ : 99

c Một số lưu ý khi sử dụng phương pháp Ery khử độ lệch nửa vòng: 100

d Phương pháp khử độ lệch nửa vòng gần đúng: 102

6.2.2 PHƯƠNG PHÁP KHỬ ĐỘ LỆCH NỬA VÒNG TRÊN BỐN HƯỚNG ĐI LA BÀN CHÍNH

( PHƯƠNG PHÁP KOLONG): 103

a Nguyên lý khử lực B’ 103

c Nguyên lý khử lực C’ 106

c Một số lưu ý trong việc sử dụng phương pháp Kolong để khử độ lệch nửa vòng: 107

6.2.3 PHƯƠNG PHÁP DÙNG SẮT NON FLINDER ĐỂ KHỬ ĐỘ LỆCH NỬA VÒNG PHỤ THAY ĐỔI THEO VĨ ĐỘ: 108

6.3 PHƯƠNG PHÁP KHỬ ĐỘ LỆCH GÓC PHẦN TƯ VÒNG: 110

6.3.1 PHƯƠNG PHÁP KHỬ ĐỘ LỆCH ¼ VÒNG DO LỰC D’ SINH RA: 110

b Nguyên lý khử gần đúng lực D’ H theo hướng đi từ - Phương pháp ERY: 112

c Nguyên lý khử gần đúng lực D’ trên hai hướng đi la bàn chính vuông góc với nhau - Phương pháp Kolong: 114

6.3.2 PHƯƠNG PHÁP KHỬ ĐỘ LỆCH ¼ VÒNG DO LỰC E’ H SINH RA: 116

6.4 PHƯƠNG PHÁP KHỬ ĐỘ LỆCH TÀU NGHIÊNG: 118

6.4.1 KHỬ ĐỘ LỆCH NGHIÊNG NGANG: 118

a Nguyên lý khử độ lệch nghiêng ngang: 118

b Cách khử độ lệch nghiêng ngang: 119

Trang 7

6.4.2 KHỬ ĐỘ LỆCH NGHIÊNG DỌC: 120

PHẦN BẢY: CÔNG TÁC HIỆU CHỈNH LÀ BÀN TỪ VÀ LẬP BẢNG ĐỘ LỆCH CÒN LẠI 7.1 CÔNG TÁC CHUẨN BỊ TRƯỚC KHI HIỆU CHỈNH LA BÀN TỪ: 121

7.2 THỨ TỰ KHỬ ĐỘ LỆCH TRONG CÔNG TÁC HIỆU CHỈNH LA BÀN: 123

a Thứ tự khử độ lệch trên tàu mới: 123

b Thứ tự khử độ lệch trên tàu cũ: 124

7.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP DẪN TÀU ĐI THEO HƯỚNG ĐI ĐỊA TỪ: 124

7.4 PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ LỆCH LA BÀN KHI HIỆU CHỈNH: 126

a Dùng chập tiêu hình quạt để đo độ lệch: 126

b Dùng chập tiêu đơn để đo độ lệch: 128

c Dùng một mục tiêu ở xa để đo độ lệch: 129

d Dùng thiên thể để đo độ lệch: 129

e Dùng phương pháp so sánh hướng đi để đo độ lệch: 130

7.5 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN CHÚ Ý KHI HIỆU CHỈNH LA BÀN: 131

7.6 CÁCH LẬP BẢNG ĐỘ LỆCH CÒN LẠI: 132

a Sự cần thiết phải lập bảng độ lệch còn lại: 132

b Các bước tiến hành: 132

c Các phương pháp tính toán các hệ số gần đúng A, B, C, D, E: 133

d Tính toán và lập bảng độ lệch: 134

PHẦN TÁM: SỬ DỤNG CHẬP TIÊU ĐỂ KHỬ ĐỘ LỆCH LA BÀN TỪ TRÊN LUỒNG SÀI GÒN – VŨNG TÀU VÀ CỬA VŨNG TÀU 8.1 PHƯƠNG PHÁP KHử Độ LệCH ĐƯợC Sử DụNG: 139

8.2 MộT VÀI YÊU CầU TRONG CÔNG TÁC KHử Độ LệCH THựC Tế VÀ TRƯờNG KHử: 139

8.3 SỬ DỤNG CHẬP TIÊU ĐỂ KHỬ ĐỘ LỆCH TRÊN LUỒNG SÀI GÒN – VŨNG TÀU VÀ CỬA VŨNG TÀU: 140

8.3.1 Công tác chuẩn bị: 140

8.3.2 Thông tin tuyến luồng và các chập tiêu trong khu vực khử: 140

8.3.3 Lực chọn địa điểm khử và các chập tiêu được sử dụng: 142

8.3.4 Lập sơ đồ điều động khu vực khử: (xem hình 8.2) 142

8.3.5 Công tác khử sơ bộ trên luồng Sài Gòn trước khi đến khu vực thử: 142

8.3.6 Công tác tiến hành khử: 142

Trang 8

PHẦN MỘT:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TỪ

Như chúng ta đã biết, nguyên lý làm việc của la bàn từ là dựa trên sự định hướng của kim nam châm trong từ trường trái đất Do vậy, phần này sẽ cung cấp những kiến thức

cơ bản nhất liên quan đến từ và từ trường

1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TỪ:

và hình kim

b Tính chất của nam châm:

- Ở gần hai đầu nam châm có từ tính mạnh nhất gọi là từ cực Đường nối hai

từ cực gọi là trục từ Bộ phận ở giữa của nam châm không có từ tính gọi là phần trung tính Đối với nam châm hình thanh dài, vị trí của từ cực ở cách hai đầu của chúng 1/12 chiều dài của thanh nam châm, đối với nam châm hình kim thì từ cực ở tại đầu kim

Hình 1.1: Một số loại nam châm

Hình 1.2: Vị trí từ cực trên thanh nam châm

Trang 9

- Một tính chất rất quan trọng của nam châm làm cơ sở để chế tạo la bàn là: nếu một kim nam châm có thể quay tự do, khi đứng yên thì sẽ chỉ theo hướng Bắc Nam cho nên ta gọi từ cực chỉ hướng Bắc là cực Bắc, biểu thị bằng chữ “N”( North), từ cực chỉ hướng Nam gọi là cực Nam, biểu thị bằng chứ “S”( South) Trong thực tế, ta gọi cực Bắc là cực dương hoặc biểu thị bằng dấu “+” và được sơn màu đỏ; cực Nam là cực âm hoặc biểu thị bằng dấu “-“ và được sơn màu xanh

- Nam châm có những đặc tính sau:

o Hai cực đồng cực thì đẩy nhau, hai cực khác cực thì hút nhau Tương tác giữa hai nam châm gọi là tương tác từ

o Từ cực không thể cắt đôi được, bất kỳ một thanh nam châm nào khi

bị cắt thành nhiều đoạn nhỏ, thì mỗi đoạn đó là một thanh nam châm nhỏ có các cực bắc và cực nam

Hình 1.3: Tương tác từ giữa hai nam châm

- Một câu hỏi được đặt ra ở đây là tại sao chỉ có sắt thép mới có thể biến thành nam châm? Và tại sao lại không cắt đôi từ cực của nam châm ra được? Hai vấn đề này sẽ được đề cập rõ hơn ở phần sau

1.1.2 KHÁI NIỆM SỨC TỪ, TỪ KHỐI, ĐỊNH LUẬT COULOMB VÀ

MÔMENT TỪ:

a Sức từ:

- Lực hút và lực đẩy nhau giữa hai cực từ gọi là sức từ, ta quy định sức đẩy giữa hai cực cùng tên là dương, và sức hút giữa hai cực khác tên là âm

Trang 10

(-)

(+) (+)

- Trong hệ thống cm, gam, giây,

đơn vị của moment từ là cgsM

Trang 11

d Định luật Coulomb:

- Qua thí nghiệm Coulomb chứng minh được rằng: lực tác dụng của hai cực nam châm tỉ lệ thuận với tích số của từ khối của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai từ khối,tức là:

Trong đó: : là hệ số dẫn từ, trong chân không =1 thì công thức trên trở thành:

- Theo định nghĩa tổng quát thì từ trườnglà môi trường vật chất đặc biệt sinh

ra quanh cácđiện tích chuyển độnghoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các môment lưỡng cực từ

- Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, chúng ta chỉ đề cập đến từ trường xung quanh nam châm là khoảng không gian bị tác dụng của sức từ nam châm ( Nguồn gốc của nó cũng bắt nguồn từ chuyển động của các hạt điện tích, ở đây là các hạt electron trong nguyên tử, sẽ nói rõ hơn trong phần

Trang 12

- Cường độ từ trường H là một đại lượng vecto Từ công thức ( 1-3) ta có cách tính cường độ từ trường của một từ khối tại một điểm bất kỳ trong từ trường:

- Trong đó: m: là từ khối, d là khoảng cách từ từ khối đến vị trí tính H

- Trong hệ thống cgsM, đơn vị của cường độ từ trường là Erstet ký hiệu Oe Trong đơn vị quốc tế, đơn vị cường độ từ trường được tính là Ampermet ( A/M), trong đó 1A/M=

- Hướng tác dụng của cường độ từ trường biểu thị hướng của từ trường Nếu trong phạm vi nào đó H có trị số và hướng giống nhau thì từ trường trong phạm vi đó gọi là từ trường đều Trong thực tế hàng hải cho phép coi từ trường Trái Đất ở không gian tàu chiếm chỗ là từ trường đều Điều này làm đơn giản hơn rất nhiều việc nghiên cứu la bàn

- Nếu từ cực có từ khối m ở tại một điểm trong từ trường bị tác dụng bởi một sức từ F thì cường độ từ trường tại điểm đó sẽ là:

c Đường sức từ:

- Nối liền các hướng của vecto cường độ từ trường của các điểm trong từ trường sẽ tạo thành đường cong hoặc đường thẳng, đường ấy gọi là đường sức từ Tiếp tuyến tại một điểm nào đó trên đường sức từ trùng với phương

từ lực

- Trong từ trường đều, đường sức có dạng đường thẳng, trong từ trường không đều, đường sức có dạng đường cong

- Đường sức từ của nam châm đi ra ở cực Bắc và đi vào ở cực Nam

- Số lượng đường sức từ đi qua một đơn vị diện tích gọi là mật độ đường sức

từ Mật độ đường sức từ càng cao thì từ trường các mạnh, và mật độ đường sức từ ở hai đầu nam châm lớn hơn ở giữa

- Hình ảnh các đường sức từ gọi là từ phổ

(1-5) (1-4)

Hình 1.7: Sử dụng mạt sắt xác định từ phổ của một thanh nam châm thẳng

Trang 13

Chú ý:

- Trong từ trường thanh nam châm đặt một vật liệu bằng kim loại thì đường

sức từ bị biến dạng Chứng tỏ giúp ta giải thích ở những khu vực có nhiều

mỏ quặng kim loại có khả năng nhiễm từ mạnh sẽ làm cho đường sức từ của

từ trường trái đất biến mạnh dẫn đến hiện tượng nhiễu loạn từ, thậm chí 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…

- Đường sức từ không xuyên qua hình trụ rỗng bằng kim loại nên tàu 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 MỘT THANH NAM CHÂM THẲNG:

Vì các thanh nam châm trong cấu tạo của la bàn từ hàng hải và các thanh nam châm khử độ lệch đều có dạng thanh dài và thẳng nên việc đi sâu tìm hiểu tính chất cường độ từ trường của thanh nâm châm thẳng là cần thiết

a Cường độ từ trường tại một điểm trên trục từ:

- Nếu từ khối của thanh nam châm NS là m, khoảng cách giữa 2 cực là 2l, từ

khối tạiđiểm A là +1 đơn vị, khoảng cách từ A đến trung tâm của thanh nam châm là OA=d và d>>l

- Lực tác dụng của thanh

nam châm đối vớiđiểm A

là tổngđại số của lực FN do cực N tác dụng và lực FS

do S tác dụng

- Theo định luật Coulomb ta có:

- Gọi H1 là cường độ từ trường tại điểm A, ta có:

- Vì theo giả thiết l<<d nên rất bé có thể bỏ qua,

Hình 1.8: Sức từ tác dụng tại1 điểm A trên trục từ

H

1

Trang 14

- Trong đó: M là moment từ của thanh nam châm

- Như vậy: vectơ cường độ từ trường H1 có phương trùng trục dọc thanh nam châm và có hướng từ đầu N đi ra

- Nhận xét: Từ công thức (1-6) ta có vecto cường độ từ trường tại một điểm

trên trục từ của thanh nam châm thẳng thì tỷ lệ thuận với hai lần moment từ nam châm và tỉ lệ nghịch với lập phương khoảng cách từ nó đến tâm điểm thanh nam châm

b Cường độ từ trường tại một điểm ở trên đường trung trực của thanh nam châm:

- Nếu đặt tại điểm B nằm trên đường trung trực của thanh nam châm một từ khối +1 đơn vị, và khoảng cách từ B đến tâm của thanh nam châm là OB= d

và d>>l

- Lực tác dụng của thanh nam châm đối

với từ khối tại B là tổng hợp lực của lực

FN do cực Bắc gây ra, và lực FS do cực Nam gây ra, hai lực này có hướng khác nhau nhưng về độ lớn thì như nhau, tức:

- Gọi H2 là cường độ từ trường của thanh

nam châm tại điểm B, ta có H2 là hợp lực của hai lực trên, tức:

H2 = FNcos + FScos = ( FN+FS)cos =

Trang 15

- Vậy vecto cường độ từ trường H2 có phương song song với trục dọc thanh nam châm và có chiều hướng về cực S

- Nhận xét: So sánh công thức (1-6) và (1-7) ta nhận thấy: nếu A và B nằm

trên khoảng cách bằng nhau đối với nam châm, thì cường độ từ trường tại một điểm trên trục từ sẽ bằng 2 lần cường độ từ trường tại 1 điểm trên đường trung trực của thanh nam châm Điều đó cho thấy quan hệ tỉ lệ thuận giữa cường độ từ trường và mật độ đường sức từ

c Cường độ từ trường tại một điểm bất kỳ trong từ trường:

- Đặt tại C là một điểm bất kỳ trong từ trường một từ khối +1 đơn vị Gọi khoảng cách từ C đến tâm O thanh nam châm là d và d>>l

- Giả sử thanh nam châm NS có moment từ là M Ta chiếu vecto M đó lên hướng OC và hướng vuông góc với OC ta được hai vecto M1 và M2 Bằng cách đó ta thay thanh nam châm NS bằng 2 thanh nam châm N’S’ và N”S” trên hướng OC và hướng vuông góc với OC Trong đó, một thanh N”S’’có điểm C nằm trên trục từ, và một thanh N’S’có điểm C nằm trên đường trung trực

’ Hình 1.10: Cường độ từ trường tại một

điểm bất kì trong từ trường thanh nam châm thẳng

Trang 16

- Gọi H1 là cường độ từ trường do thanh N’S’ gây ra tại C, theo những chứng minh ở trên ta có:

- Phân tích lực tác dụng lên kim nam châm trong từ

trường đều:

- Nếu kim nam châm NS có mô men

là 2ml, đặt trong từ trường đều có cường độ từ trường H , thì chúng chịu tác dụng của hai lực là +mH và

mH (Hình 1.11).Các lực +mH ,

-mH tạo với nhau thành một ngẫu lực với cách tay đòn là NA, ta có: Hình 1.11

Trang 17

NA = 2lsin

- Dưới tác dụng của mô men quay này, kim nam châm sẽ quay và định hướng dọc theo hướng của véc tơ cường độ từ trường Giá trị mô men quay ký hiệu là P được tính theo công thức:

2lmH1cos( và 2lmH2sin (

- Tính tất cả 3 mô men làm quay kim nam châm và tổng hợp lại, ta có:

2lmHsin - 2lmH1cos( - 2lmH2sin ( =0 Hay Hsin - H1cos ( -H2sin ( =0

- Thay giá trị H1 và H2 vào, ta có điều kiện toán học cân bằng của kim nam châm như sau:

Hình 1.12

Trang 18

- Trong trường hợp này góc Thay giá trị này vào biểu thức (1-10), ta có:

Hsin -

- Công thức (1.12) dùng trong thực tiễn để xác định thành phần nằm ngang của từ trường trái đất.Để xác định H ta tiến hành như sau : đặt một thanh nam châm thẳng có mô men từ M , ở trong từ trường 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 của kim nam châm theo công thức (1.11) ta tính được H Công thức (1.12) cũng được sử dụng để tính Mômen từ của thanh nam châm thẳng khi đã biết từ trường H, khoảng cách d, góc lệch ô Tính mômen từ M từ công thức (1.12):

Hình 1.13

Trang 19

b Vị trí Gay-lys-sắc thứ hai:

- Thanh nam châm đặt vuông góc với từ trường H hay trọng tâm kim nam châm nằm trên đường vuông góc với trục thanh nam châm và đi qua trung điểm của thanh Vị trí này tương ứng với vị trí nam châm khử độ lệch bán vòng (hình 1.14)

- Trong trường hợp này thay , Thay giá trị này vào biểu thức cân bằng của kim nam châm, ta có:

Suy ra: H= (1-14)

- Công thức (1-14), thường được dùng để xác định thành phần từ trường của quả đất và mô men từ của thanh nam châm (làm tương tự như vị trí Gay-lys- sắc thứ nhất)

1.4 HIỆN TƯỢNG TỪ HÓA:

a Hiện tượng từ hóa:

- Theo định nghĩa tổng quát, thì từ hóa là quá trình thay đổi các tính chất từ (cấu trúc từ, mômen từ ) của vật chất dưới tác dụng của từ trường ngoài Khi được sử dụng như một động từ, từ hóa có nghĩa là làm thay đổi tính chất

từ của vật chất bằng từ trường ngoài

- Theo cách hiểu trong luận văn này thì, từ hóa là quá trình biến một vật không có từ tính thành vật có từ tính

- Xét về mặt hiện tượng, từ hóa là sự thay đổi tính chất từ của vật chất theo từ trường ngoài, xét về mặt bản chất, đây là sự thay đổi các mômen từ nguyên

tử Khi đặt vào từ trường ngoài, các mômen từ nguyên tử có xu hướng bị quay đi theo từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi về tính chất từ

Hình 1.15:Cấu trúc từ của màng mỏng hợp kimpermalloy (dày 20 nm) thay đổi trong quá trình từ hóa (ảnh quan sát bằng kính hiển vi

Lorentz Philips CM20)

Hình 1.14

Trang 20

b Độ từ hóa (từ độ):

- Để đánh giá khả năng bị từ hóa của vật liệu, người ta dùng khái niệm độ từ hóa Như vậy, độ từ hóa ( hay từ độ) là một đại lượng vật lý nói lên khả năng bị từ hóa của một vật liệu từ, được xác định bằng tổng mômen

từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích, hoặc một đơn vị khối lượng Độ từ hóa được ký hiệu là M, ta có:

- Trong đó: M: là độ từ hóa (A/m)

 N: là tổng số lượng moment từ nguyên tử

độ cảm từ)

c Hệ số từ hóa ( hay độ cảm từ):

- Hệ số từ hóa ( hay độ cảm từ) là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng từ hóa của vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài.Độ cảm từ thể hiện mối quan hệ giữa độ từ hóa (là đại lượng nội tại) và từ trường ngoài, nên thường mang nhiều ý nghĩa vật lý gắn với các tính chất nội tại của vật liệu

- Hệ số từ hóa thường được ký hiệu là và được xác định bằng tỷ số giữa độ từ hóa (M) và cường độ từ trường ngoài( H)

Trang 21

d Độ từ thẩm:

- Độ từ thẩm là một đại lượng vật lý đặc trưng cho tính thấm của từ trường vào một vật liệu, hay nói lên khả năng phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài Khái niệm từ thẩm thường mang tính chất kỹ thuật của vật liệu, nói lên quan hệ giữa cảm ứng từ (đại lượng sản sinh ngoại) và từ trường ngoài Độ từ thẩm thực chất chỉ đáng kể ở các vật liệu

có trật tự từ (sắt từ và feri từ).Độ từ thẩm thường được ký hiệu là μ

- Mối quan hệ giữa độ từ thẩm và độ cảm từ:

- Cảm ứng từ, B quan hệ với từ độ và cường độ từ trường theo biểu thức:

e Phân loại vật liệu từ:

- Tùy theo sự tác dụng của từ trường ngoài và sự hưởng ứng của vật liệu từ trong quá trình từ hóa, người ta phân biệt thành các loại vật liệu từ khác nhau:

- Vật liệu nghịch từ: ứng với μ<1

 Nghịch từ là bản chất cố hữu của mọi loại vật chất, ở đó, chất không có mômen từ nguyên tử, và tạo ra một từ trường phụ ngược với chiều của từ trường ngoài theo xu hướng của cảm ứng điện từ (quy tắc Lenz) Vì thế, chất nghịch từ có mômen

từ âm và ngược với chiều từ trường ngoài

Trang 22

- Vật liệu thuận từ: ứng với μ>1

 Quá trình từ hóa ở chất thuận từ, chất có mômen từ nguyên tử nhỏ và không liên kết, xảy ra đơn giản, các mômen từ nguyên

tử sẽ quay theo từ trường ngoài và tạo ra một từ trường phụ dương (thắng thế hiệu ứng nghịch từ cố hữu) Vì thế, quá trình

từ hóa chỉ đơn giản là sự tăng tuyến tính của từ độ theo từ trường ngoài và đạt bão hòa khi từ trường rất lớn và nhiệt độ rất thấp

- Vật liệu sắt từ và các vật liệu có trật tự từ khác (phản sắt từ, feri

từ): ứng vơi μ >>1

 Trong các vật liệu này, mômen từ nguyên tử lớn và có liên kết với nhau thông qua tương tác trao đổi nên quá trình từ hóa trở nên rất phức tạp Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu trúc từ, cấu trúc tinh thể cũng như sự đồng nhất của vật liệu Các quá trình từ hóa lúc này là sự thay đổi cấu trúc đômen từ ( magnetic domain) của chất, và dẫn đến nhiều loại chất khác nhau, ví dụ như vật liệu sắt từ mềm, vật liệu sắt từ cứng

1.4 VẬT LIỆU SẮT TỪ, SẮT NON, SẮT GIÀ:

- Vì tàu biển được chế tạo chủ yếu từ sắt và các hợp kim của sắt, mà chúng đều là những vật liệu sắt từ, nên phần này sẽ đi sâu phân tích đặc tính từ hóa ở vật liệu sắt từ làm nền tảng kiến thức cho lý luận độ lệch la bàn từ được trình bày ở những phần sau

Hình 1.16: Sự biến đổi của các đômen từ trong vật liệu sắt từ khi bị từ hóa

Trang 23

a Vật liệu sắt từ:

- Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe), và tên gọi "sắt từ" được đặt cho nhóm các chất có tính chất từ giống với sắt Các chất sắt từ có hành

vi gần giống với các chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài

- Các chất sắt từ có độ từ thẩm rất lớn (μ>>1), nên có khả năng từ hóa đặc biệt Khả năng này có thể được giải thích như sau:

- Vật thể sắt từ được cấu tạo bởi vô số các nam châm phân tử ( hay các moment từ nguyên tử) Nếu các nam châm phân tử chuyển động hỗn loạn thì lực tác dụng giữa chúng trong trường hợp tổng quát bằng không và vật thể không có từ tính Các nam châm phân tử tác dụng tương hỗ và giữa chúng ở vị trí cân bằng

- Nếu ta đem vật liệu sắt từ đặt vào trong một từ trường, dưới tác dụng của các lực, các nam châm phân tử bị định hướng theo hướng xác định, nghĩa là nó bị từ hóa Sau khi tất cả các nam châm phân tử đã định hướng theo từ trường ngoài thì nó ở tình trạng bão hòa từ và không có khả năng từ hóa hơn nữa

- Nếu ta triệt tiêu từ trường từ hóa bên ngoài, thì do lực tác dụng tương

hỗ giữa các phân tử lại làm chúng chuyển động hỗn loạn trở về tình trạng ban đầu Nhưng do hiện tượng định hướng song song của các nam châm phân tử, mặt khác lực tác dụng tương hỗ giữa chúng phát sinh không hoàn toàn giống như ban đầu, do vậy chúng vẫn còn một lượng từ dư khi từ trường bên ngoài bị triệt tiêu, và chúng có thể trở thành nam châm ( xem hình 1.16)

- Đây cũng là cách lý giải cho sự hình thành nam châm trong tự nhiên ( các quặng sắt bị từ hóa bởi từ trường Trái Đất) và là nguyên lý cho việc chế tạo nam châm nhân tạo, đồng thời nó cũng giải thích sự hút nhau giữa thanh nam châm và vật liệu sắt từ ( nam châm từ hóa vật thể sắt từ trở thành một nam châm, nên xảy ra lực tương tác giữa 2 nam châm)

- Các chất sắt từ (ví dụ như sắt (Fe), côban (Co), niken (Ni), gađôli (Gd) là các chất sắt từ điển hình Các chất này là các chất vốn có mômen từ nguyên

tử lớn (ví dụ như sắt là 2,2 μB, Gd là 7 μB ) và nhờ tương tác trao đổi giữa các mômen từ này, mà chúng định hướng song song với nhau theo từng vùng (gọi là các đômen từ tính) Mômen từ trong mỗi vùng đó gọi là từ độ

tự phát - có nghĩa là các chất sắt từ có từ tính nội tại ngay khi không có từ trường ngoài Đây là các nguồn gốc cơ bản tạo nên các tính chất của chất sắt

từ.

Trang 24

b Hiện tượng từ trễ, đường cong từ trễ và một số tính chất của vật liệu sắt từ:

- Hiện tượng từ trễ: Là một đặc trưng dễ thấy nhất ở chất sắt từ Khi từ hóa

một khối chất sắt từ các mômen từ sẽ có xu hướng sắp xếp trật tự theo hướng từ trường ngoài do đó từ độ của mẫu tăng dần đến độ bão hòa khi từ trường đủ lớn (khi đó các mômen từ hoàn toàn song song với nhau) Khi ngắt từ trường hoặc khử từ theo chiều ngược lại, do sự liên kết giữa các mômen từ và các đômen từ, các mômen từ không lập tức bị quay trở lại trạng thái hỗn độn như các chất thuận từ mà còn giữ được từ độ ở giá trị khác không

- Nếu ta biểu diễn quá trình từ hóa vật liệu sắt từ thành đường cong mối quan

hệ giữa từ độ M và cường độ từ trường H thì đường cong đảo từ sẽ không khớp với đường cong từ hóa ban đầu Và nếu ta từ hóa và khử từ theo một chu trình kín của từ trường ngoài, ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ

Hình 1.17: Đường cong từ trễ- đặc tính quan trọng nhất của sắt từ

- Dựa vào đường cong từ hóa ban đầu, ta nhận thấy đoạn OA gần như là đường thẳng, nghĩa là trong từ trường yếu, từ độ gần như là tỷ lệ thuận với cường độ từ trường ngoài Khi tăng H thì M tăng theo, đến A thì không còn

O

A

C

Trang 25

tăng nữa A được gọi là điểm bão hòa Sau đó nếu tiếp tục tăng H thì đường

từ hóa sẽ tăng gần như theo hướng bằng

- Chú ý: Đây là một tính chất quan trọng cần phải ghi nhớ, có thể phát biểu

lại như sau: trong từ trường yếu, sắt bị từ hóa, thì cường độ cảm ứng từ của nó sẽ tỷ lệ thuận với lực từ hóa Quan hệ này là một vấn đề chủ yếu

- Từ dư: Là giá trị từ độ khi từ trường ngoài được khử về 0

- Lực kháng từ ( lực giữ từ): Là từ trường ngoài cần thiết để khử mômen từ của vật mẫu về 0, hay là giá trị để từ độ đổi chiều Đôi khi lực kháng từ còn được gọi làtrường đảo từ

- Nhiệt độ Curie: Là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất từ tính Ở dưới nhiệt độ Curie, chất ở trạng thái sắt từ, ở trên nhiệt độ Curie, chất sẽ mang tính chất của chất thuận từ Nhiệt độ Curie là một tham số đặc

trưng cho chất sắt từ Ví dụ như:

Chất liệu sắt từ Nhiệt độ Curie (oK)

Trang 26

c Phân loại vật liệu sắt từ:

- Có nhiều cách khác nhau để phân chia các vật liệu sắt từ, nhưng cách thông dụng nhất ( và được sử dụng trong đề tài này) vẫn là phân chia theo khả năng từ hóa và khử từ của vật liệu Theo cách phân chia này sẽ có 2 nhóm vật liệu sắt từ chính:

- Vật liệu từ cứng ( sắt từ cứng hay sắt già):Là các vật liệu sắt từ khó

từ hóa và khó khử từ, chúng có lực kháng từ lớn, được sử dụng để chế tạo các thanh nam châm vĩnh cửu, ứng dụng trong chế tạo vật liệu ghi từ.Các vật liệu từ cứng điển hình là Nd2Fe14B, Sm2Co5, FePt

- Vật liệu từ mềm (sắt từ mềm hay sắt non): Là các vật liệu sắt từ dễ từ hóa và dễ bị khử từ, chúng có lực kháng từ nhỏ, được ứng dụnghoạt động trong từ trường ngoài như lõi biến thế, nam châm điện, lõi dẫn

từ, cảm biến từ trường Các vật liệu từ mềm điển hình là sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe

- Vật liệu có từ tính non rất dễ bị từ hóa nhưng khi đưa ra ngoài từ trường thì mất đi rất nhanh Ví dụ như sắt Đặc tính từ hóa của vật liệu có từ tính già thì ngược lại, tức là rất khó làm cho nó từ hóa, nhưng sau khi đã từ hóa thì giữ từ rất lâu Ví dụ như gang

- Trong vật liệu đóng tàu, đều có sắt non và sắt già, hiệu chỉnh độ lệch la

bàn từ ta cũng phải sử dụng sắt non, và sắt già Cho nên sắt non và sắt già có liên quan chặt chẽ đến độ lệch la bàn từ và người sỹ quan hàng hải cần nắm vững nguyên lý sử dụng chúng cho việc khử độ lệch la bàn

1.5 QUÁ TRÌNH KHỬ TỪ:

- Ngược với quá trình từ hóa là quá trình khử từ Khử từ là quá trình làm triệt tiêu

từ tính của vật từ, bằng cách đặt vào một từ trường ngược đủ lớn, hoặc làm tăng nhiệt độ đến trên nhiệt độ định hướng của chất

o Khử từ bằng từ trường:

 Khử từ bằng từ trường là cách thông dụng nhất, bằng cách đặt vào

từ trường ngược (với chiều của từ độ dư trong chất) bằng với giá trị lực kháng từ của chất Nếu từ trường ngược đặt vào tiếp tục tăng, từ độ của chất sẽ bị đảo ngược, và ta có quá trình đảo từ Để khử từ hoàn toàn, người ta không dùng từ trường ngược một chiều mà dùng từ trường xoay chiều có biên độ giảm dần (tắt dần theo hàm số mũ và đổi chiều), như vậy, từ trường dư trong vật

Trang 27

mẫu sẽ bị nhỏ dần và đảo liên tục quay giá trị 0 và ngày càng tiến tới giá trị 0

o Các cách khác:

 Có nhiều các khác để khử từ, ví dụ đốt nóng vật từ đến trên nhiệt

độ trật tự từ của chất (nhiệt độ Curie với các chất sắt từ, hay nhiệt

độ Neél với các chất phản sắt từ ), lúc này các chất từ trạng thái

có từ độ lớn sẽ bị mất từ tính và trở thành chất thuận từ Ngoài ra,

sự va đập cơ học và ăn mòn hóa học cũng là những cách khử đi từ tính của chất

Trang 28

PHẦN HAI:

ĐỊA TỪ TRƯỜNG, ĐỘ LỆCH ĐỊA TỪ, HOA ĐỊA TỪ 2.1 ĐỊA TỪ TRƯỜNG

2.1.1 Từ trường của Trái Đất:

- Khi treo một kim nam châm tự do trên bề mặt Trái Đất ở bất kỳ vị trí nào cũng

quan sát thấy một đầu kim nam châm luôn định hướng Bắc-Nam Thí nghiệm

trên đã chứng tỏ Trái Đất có từ trường

- Người ta xem Trái Đất là một nam châm khổng lồ được bao bọc bởi các đường

sức từ nối liền giữa hai cực Tuy nhiên, các cực nam châm chỉ nằm gần các cực

địa lý chứ không trùng lên nhau Chúng ta thường nhầm lẫn trong việc xác định

tên các cực địa từ, thật ra:

o Cực Bắc địa từ nằm gần cực Bắc địa lý lại là cực Nam (S) của từ trường Trái Đất ( hay thanh nam châm Trái Đất),

o Cực Nam địa từ nằm gần cực Nam địa lý lại là cực Bắc (N) của từ trường Trái Đất ( hay thanh nam châm Trái Đất)

- Nguyên nhân gây ra sự nhầm lẫn này là do yếu tố lịch sử, đầu của kim nam

châm chỉ về hướng bắc nên thường gọi là "cực bắc" và đầu chỉ về phía nam gọi

là "cực nam", nhưng thực chất về mặt vật lý học thì ngược lại

- Một đường thẳng tưởng tượng nối hai cực từ tạo thành một góc 11,3o so với

trục quay của Trái Đất

Hình 2.1: Từ trường bao quanh Trái Đất

Trang 29

- Nhìn vào mô hình từ trường Trái Đất, ta nhận thấy,địatừ trường là một từ trường không đều Tuy nhiên, vì phạm vi quá rộng, nên khi khử độ lệch la bàn

ta có thể xem trong phạm vi xung quanh tàu thì địa từ trường là từ trường đều

- Từ trường luôn bao quanh bề mặt Trái Đất, trên không gian, trong lòng đất và

cả dưới nước biển đều phát hiện thấy có từ lực tác dụng Từ trường của quả đất

có ý nghĩa rất lớn trong cuộc sống con người Trong không gian hàng nghìn km bao quanh mặt đất, từ trường của quả đất là môi trường ngăn các tia bức xạ vũ

tụ xuyên vào Trái Đất Do đó, nó bảo vệ được cuộc sống của các sinh vật trên mặt đất khỏi bị hủy diệt do phóng xạ vũ trụ Nghiên cứu từ trường Trái Đất cho phép chúng ta khái quát những nét cơ bản để xây dựng bề mặt quả đất, phát hiện những vỉa quặng có ích, nghiên cứu các hiện tượng phát sinh từ mặt trời và không gian vũ trụ Từ trường của Trái Đất cũng được sử dụng để định hướng trên mặt đất thông qua la bàn, giúp con người xác định phương hướng và đi lại trong rừng, trên sa mạc, và trên biển Thêm vào đó, từ trường Trái Đất cũng giúp cho một số loài động vật xác định được phương hướng

Hình 2.2: Mặt trời không chỉ đem đến ánh sáng và hơi ấm mà còn là mối hiểm nguy của con người Lý do: mặt trời liên tục phóng ra các hạt giàu năng lượng

- gió mặt trời - vào vũ trụ và về hướng trái đất Trước khi các hạt đó có thể chạm vào hành tinh của chúng ta thì chúng đã bị một tấm chắn ngăn lại, đó là

từ trường của trái đất

Trang 30

- Theo hình 2.1, ta nhận

thấy các đường sức từ của

từ trường Trái Đất đi vào

từ nghiêng

o Nếu đầu bắc kim nam châm chúi xuống thì góc mang dấu dương,

o Nếu đầu bắc kim nam châm ngẩng lên thì góc mang dấu âm

- Phân tích véc tơ cường độ địa từ trường thành

Trang 31

o Phân lực H chỉ hướng Bắc địa từ là một số luôn luôn dương Nó làm cho

la bàn chỉ được phương hướng Kinh tuyến đi qua nó gọi là kinh tuyến địa từ, kinh tuyến địa từ được chọn làm mốc để tính hướng đi và phương

vị địa từ

o Qua công thức trên ta thấy nếu điểm A ở xích đạo thì =0, suy ra H=T=Hmax (khoảng 0.4 Oe), Z=0 chứng tỏ la bàn hoạt động ở vùng xích đạo, gần xích đạo thì khả năng định hướng là tốt nhất Khi vĩ độ càng tăng thì H càng giảm, ở cực thì =90o

- Góc hợp giữa kinh tuyến thật ( vòng tròn lớn nối liền các cực địa lý) và kinh tuyến từ ( hướng của đường sức từ) gọi là độ lệch địa từ ( còn gọi là độ từ thiên hay variation) Độ lệch địa từ ở những nơi khác nhau trên Trái Đất thì biến đổi khác nhau

o Khi hướng bắc địa từ lệch về phía đông của hướng bắc thật ta gọi là độ lệch địa từ đông, ta quy ước đó là độ lệch địa từ dương và mang dấu “+”,

o Khi hướng bắc địa từ lệch về phía tây của hướng bắc thật ta gọi là độ lệch địa từ tây, ta quy ước đó là độ lệch địa từ âm và mang dấu “-“

Hình 2.5: Sự hình thành độ lệch địa từ

Trang 32

- Như đã nói ở trên, độ lệch địa từ mang tính địa phương

và biến đổi không những theo vị trí địa lý mà còn theo

thời gian Sự biến đổi đó có 2 loại là biến đổi theo chu

kỳ và biến đổi không theo chu kỳ

o Sự biến đổi theo chu kỳ: có ba loại là theo chu kỳ ngày, năm và thế kỷ Trong đó trị số biến đổi theo chu kỳ ngày và năm là rất nhỏ, trong hàng hải có thể bỏ được, nhưng trị số biến đổi theo chu

kỳ thế kỷ thì tương đối lớn không thể bỏ qua được Trị số biến đổi theo thế kỷ của độ lệch địa

từ ở các nơi đều chia thành độ lệch theo năm và được ghi chú ở vòng khắc độ hoa la bàn trên hải

đồ để hiệu chỉnh

o Sự biến đổi không theo chu kỳ: có nhiều nguyên nhân làm cho độ lệch địa từ biến đổi không theo chu kỳ như bão từ, khu vực nhiễu loạn từ Bão từ

là hiện tượng đột nhiên phát sinh từ, nó có thể làm cho trạng thái của địa

từ thay đổi rất nhanh Khu vực nhiễu loạn từ là do quặng sắt nam châm, tàu bị chìm làm cho từ trường trong khu vực ấy biến đổi

2.3 HOA ĐỊA TỪ – CẤU TẠO VÀ CÁCH SỬ DỤNG:

- Để giúp cho người đi biển dễ dàng xác định được độ lệch địa từ trên những

vùng biển khác nhau, phục vụ cho việc tính toán phương vị hoặc hướng đi,

người ta in các thông số về sự biến đổi độ lệch địa từ trên hải đồ thông qua các

hoa địa từ ( hay hoa la bàn)

- Hoa địa từ là một vòng tròn chia

độ từ 0o

đến 360o, trong vòng tròn ghi sẵn cá giá trị độ lệch địa từ,

năm khảo sát và lượng thay đổi

hàng năm

- Trên những hải đồ của những nhà

xuất bản khác nhau, thì cấu trúc

của hoa địa từ có thể có một số

khác biệt

Hình 2.6: Độ lệch địa từ đông và tây

Hình 2.7: Hoa địa từ trên hải đồ Anh ( BA chart)

Trang 33

- Cách sử dụng hoa địa từ:

o Trên hải đồ Việt Nam: hình 2.8 ở bên

là một ví dụ về hoa địa từ trên hải đồ Việt Nam Cách đọc như sau: ĐLĐT:

0o55w-1995 có nghĩa là độ lệch địa từ khảo sát năm 1995 là d= 0o55 W, hàng năm không thay đổi

o Trên hải đồ Anh: hình 2.9 ở bên là một

ví dụ hoa địa từ đơn giản trên BA chart

Cách đọc như sau: Mag Var 2o

05’W –

1990 (4’W) có nghĩa là độ lệch địa từ khảo sát tại vùng biển này năm 1990 là d=2o05w, thay đổi hàng năm là 4’W

- Dựa vào hoa địa từ, người ta có thể tính độ lệch địa từ tại một thời điểm nào đó theo công thức sau:

V năm tính = V năm khảo sát ( năm tính – năm khảo sát) độ biến thiên hàng năm

- Trong công thức tính trên, nếu độ lệch đang tăng thì mang dấu +, nếu độ lệch đang giảm thì mang dấu - Tăng có nghĩa là kinh tuyến địa từ ngày càng lệch

xa kinh tuyến bắc thật, còn giảm thì ngược lại, kinh tuyến địa từ ngày càng di dịch chuyển lại gần kinh tuyến bắc thật

- Nếu như không có sự tác động của các từ trường khác thì kim la bàn từ sẽ chỉ hướng bắc địa từ ( tức là trùng với kinh tuyến địa từ)

Hình 2.8: Hoa địa từ trên VN Chart

Hình 2.9: Hoa địa từ trên BA Chart

Trang 34

2.4 BẢN ĐỒ CÁC YẾU TỐ ĐỊA TỪ:

- Độ lệch địa từ, độ từ nghiêng, phân lực bằng, phân lực thẳng đứng đều là các yếu tố địa từ Trên bản đồ, nối các điểm có cùng trị số, cùng một yếu tố thành những đường đẳng trị, tức là ta có hình các yếu tố địa từ

- Đường đẳng trị độ lệch địa từ gọi là đường đẳng từ thiên, đường đẳng trị độ từ nghiêng gọi là đường đẳng từ nghiêng Đường đẳng trị của phân lực bằng và phân lực thẳng đứng gọi là đương đẳng từ lực bằng và đường đẳng từ lực thẳng đứng

- Những vùng mà từ lực có biến thiên đột ngột sẽ làm cho độ lệch địa từ thay đổi lớn, trên bản đồ sẽ được biểu thị bằng các đường đậm nét và ghi giá trị độ lệch địa từ ( có khi giá trị này lên đến hàng chục độ) Khi tàu hành trình qua những khu vực này thì người sỹ quan hàng hải phải hết sức lưu ý nếu sử dụng la bàn

từ

Đường đánh dấu hướng Bắc địa từ ( trùng với vạch 0o của vòng tròn bên trong ) Đây là hướng mà la bàn sẽ chỉ ( giống như trong hải đồ)

Phần trên cùng của Hoa

địa từ là chỉ hướng Bắc

thật ( trùng với vạch 0o của

vòng tròn ngoài)

Độ lệch địa từ được đánh dấu

ở tâm Hoa địa từ Trên

đường đánh dấu hướng Bắc

địa từ Ở đây, độ lệch khảo

sát năm 1999 là 12 o 30’W

Độ biến thiên hàng năm của độ lệch địa từ Ở đây, độ biến thiên hàng năm là 2’W, nghĩa là lệch thêm 2’ nữa về hướng tây mỗi năm, tức độ lệch địa từ đang tăng

Hình 2.10: Giải thích một hoa địa từ trên BA chart

Trang 35

Trang 36

Hình 2.12: Bản đồ các đường đẳng từ nghiêng

Hình 2.13: Bản đồ các đường đẳng từ lực bằng

Trang 37

PHẦN BA:

LA BÀN TỪ HÀNG HẢI, CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

3.1 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ LA BÀN TỪ:

- 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 nưóc

- 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 0° đến 360° Toàn bộ hệ thống kim từ được thả vào một chậu dung dịch gồm cồn và nưóc 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 bốt 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

- Cùng vói sự phát triển của ngành hàng hải, la bàn từ ngày càng phát triển không ngừng La bàn từ truyền mặt số ra đòi đã được sử dụng vào ngành hàng hải Nó

có tácdụng truyền chỉ số hướng đi của la bàn tới máy lái tự động để tự động điều khiển tàu

Trang 38

- 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 tùy theo từng loại la bàn, từng nưóc sản xuất được bố trí khác nhau

3.2 PHÂN LOẠI LA BÀN TỪ:

a La bàn chuẩn:

 Lắp đặt lộ thiên trên nóc buồng lái dung để chỉ hướng đi của tàu và đo hướng ngắm của mục tiêu Vì lắp đặt trên nóc buồng lái, ít chịu ảnh hưởng của sắt thép trên tàu, độ lệch tương đối nhỏ nên gọi là la bàn chuẩn

Hình 3.1: Sử dụng la bàn từ trong chart works

Hình 3.2: Một la bàn chuẩn được lắp đặt trên đường centre line trên “ đảo khỉ” ( monkey island)

Trang 39

b La bàn lái:

 Được lắp đặt trong buồng lái chuyên dùng để chỉ hướng lái Hiện nay có nhiều tàu dùng mặt phản ảnh của la bàn con quay để lái, đồng thời dùng thiết bị phản chiếu la bàn chuẩn từ nóc buồng lái (hình 3.4) xuống buồng lái để đối chiếu với la bàn con quay Do đó, la bàn từ dùng để lái ít xuất hiện trên tàu biển ngày nay

c La bàn từ sự cố:

 Được lắp đặt gần tay lái sự cố dùng để lái khi sử dụng máy lái sự cố Hiện nay nhiều tàu sử dụng mặt la bàn phản ảnh của la bàn con quay làm

la bàn sự cố

Hình 3.3: La bàn lái và và sự bố trí của nó trong buồng lái

Hình 3.4: Sử dụng la bàn chuẩn trên nóc buồng lái làm la bàn đối chiếu trong buồng lái

Trang 40

d La bàn xuồng cứu sinh:

 Là một loại la bàn từ nhỏ trang bị cho xuồng cứu sinh có giá đỡ và có đèn dầu kèm theo, dầu trong đèn sử dụng được 10 tiếng đồng hồ

3.3 CẤU TẠO LA BÀN TỪ HÀNG HẢI:

- Ở nước ta hiện nay các phương tiện vận tải trên biến cũng như các tàu khai thác cá biển được nhập từ rất nhiều nước Trên các con tàu như vậy đều có trang bị la bàn từ hàng hải, la bàn của mỗi nước có kết cấu không hoàn toàn giống nhau Song về mặt nguyên lí làm việc, vật liệu chế tạo và lý thuyết khử độ lệch về cơ bản là giống nhau

- Dưới đây sẽ mô tả cấu tạo cơ bản nhất của một la bàn từ hàng hải Trong đó

có một số khái niệm liên quan đến các dụng cụ và thiết bị dùng cho việc khử độ lệch la bàn từ sẽ được nói sơ qua, còn tác dụng của chúng như thế nào sẽ được phân tích rõ ở những phần sau

Hình 3.5: Các kiểu la bàn xuồng cứu sinh

Hình 3.6: Một la bàn từ hàng hải hiện đại được sử dụng làm

la bàn chuẩn trên các tàu biển ngày nay

Định dạng
Số trang	154
Dung lượng	9,19 MB