МЭУ для определения направления вектора магнитного поля планеты.
Магнитоэлектронные устройства для определения направления вектора магнитной индукции используются в различных отраслях науки и техники. Однако наибольшее распространение такие устройства получили при создании приборов, предназначенных для регистрации магнитного поля Земли (МПЗ) и ориентирования различной аппаратуры на плоскости и в пространстве относительно направления МПЗ.
Для понимания принципов ориентирования по магнитному полю Земли рассмотрим некоторые основные понятия.
Магнитное поле Земли.
Его часто называют и геомагнитным (ГМП).
Магнитное поле Земли в каждой точке пространства характеризуется вектором напряженности Т, направление которого определяется тремя составляющими X, Y, Z (северной, восточной и вертикальной) в прямоугольной системе координат (рис. 1а) или тремя элементами Земли - горизонтальной составляющей напряженности Н, магнитным склонением D (угол между Н и плоскостью географического меридиана) и магнитным наклонением I (угол между Т и плоскостью горизонта).
Рис. 1 Составляющие магнитного поля Земли Земной магнетизм обусловлен действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и испытывающих лишь медленные вековые изменения (вариации), и внешних, переменных, источников, расположенных в магнитосфере Земли и ионосфере.
Соответственно различают основное постоянное (-90%) и переменное (-1%) геомагнитные поля.
Основное постоянное геомагнитное поле.
Для изучения пространственного распределения основного геомагнитного поля измеренные в разных местах значения Н, D, I наносят на специальные карты, которые называются магнитными картами Земли, и соединяют линиями точки равных значений элементов. Такие линии называют соответственно изодинамами, изогонами, изоклинами.
Линия изоклина I = 0, то есть магнитный экватор не совпадает с географическим экватором.
С увеличением широты значение I возрастает до 90° в магнитных полюсах.
Полная напряженность Т от экватора к полюсу растет от 33,4 до 55,7 А/м (от 0,42 до 0,7 э или от 42 до 70 мкТл).
Координаты северного магнитного полюса (например, на 1970 г.) составляли:
- долгота - 101,5° западной долготы
- широта - 75,7° северной широты;
координаты южного магнитного полюса:
- долгота - 140,3° восточной долготы
- широта - 65,5° южной широты.
Сложную картину распределения геомагнитного поля в первом приближении можно представить полем диполя (эксцентричного, со смещением от центра Земли приблизительно на 436 км) или однородного намагниченного шара, магнитный момент которого направлен под углом 11,5° к оси вращения Земли.
Полюсы геомагнитные - полюсы однородно намагниченного шара - и полюсы магнитные задают соответственно систему геомагнитных координат (широта геомагнитная, меридиан геомагнитный, экватор геомагнитный) и магнитных координат (широта магнитная, меридиан магнитный).
Следует отметить, что понятия северный магнитный полюс и северный магнетизм, южный магнитный полюс и южный магнетизм не совпадают.
Северный магнитный полюс Земли включает понятие южного магнетизма, а южный магнитный полюс - понятие северного магнетизма.
Магнитные аномалии.
Отклонения действительного распределения геомагнитного поля от дипольного (нормального) называют магнитными аномалиями.
Материковое магнитное поле Земли имеет среднюю напряженность Н около 0,45 э. Однако на земном шаре существуют области магнитных аномалий, где напряженность магнитного поля может превышать среднюю в 2-3 раза.
Обычно сильные магнитные аномалии связываются с залежами магнетитовых (FeO, Fe2O3) и титаномагнетитовых (примеси TiO2) руд, с залежами других пород, обоБщенных магнетитом, с некоторыми пирроктиловыми (FeS) месторождениями.
К таким аномалиям относятся Кольские аномалии, аномалии в Кривом Роге, на Урале и т.п.
Наиболее сильной аномалией на земном шаре является Курская магнитная аномалия (КМА).
Напряженность поля КМА (вертикальная составляющая) достигает здесь 1,5-1,91 э.
Эта аномалия объясняется наличием большого рудного тела под поверхностью Земли.
Практическое использование явления земного магнетизма.
Известным примером использования явления земного магнетизма служит изобретение компаса.
Простейший компас представляет собой круглую коробку из немагнитного материала, в центре которой на остром основании (например, на игле) установлена магнитная стрелка. Она располагается в плоскости магнитного меридиана в направлении север-юг.
Точность определения направления простым компасом составляет 2-5°.
Точность показаний современных судовых магнитных компасов в средних широтах и при отсутствии качки достигает 0,3-0,5°.
К недостаткам магнитного компаса относится необходимость внесения поправки в его показания на несовпадение магнитного и географического меридианов (необходимость учитывать магнитное склонение) и поправки на девиацию - вращение Земли.
Вблизи магнитных полюсов Земли и крупных магнитных аномалий точность показаний магнитного компаса резко снижается, в этих районах приходится пользоваться компасами других типов. Однако ни один из известных компасов (магнитный, радиокомпас, радиополукомпас, гирокомпас, гирополукомпас и т.п.) не могут обеспечить точного определения азимута во всех районах Земли при любой погоде, различных состояниях магнитосферы и радиопомехах.
В связи с этим в морском и военном деле, в авиации применяют совместно компасы различных типов, на основе которых создают единые, комплексные, курсовые системы.
Следует, однако, отметить, что точное определение положения объектов на поверхности Земли и в пространстве представляет собой сложную техническую задачу, которая решается при помощи ма нитометрических систем контроля пространственного положения (МСКПП) с учетом многих факторов.
Другим важным направлением использования явления земного магнетизма является поиск и обнаружение полезных ископаемых (в первую очередь, железной руды) по аномалиям магнитного поля Земли.
Принципы определения направления вектора магнитного поля Земли.
На практике определение направления вектора магнитного поля Земли Н сводится к измерению напряженности двух его составляющих, Нх и Hy, с дальнейшим вычислением угла ф (рис.).
Угол ф в этом случае определяется по формуле:  (6-2)
Следует отметить, что значения напряженности магнитного поля, определенные датчиком МП, могут колебаться по амплитуде АН и по постоянной составляющей H y0 и Н х0 .
С учетом этого уравнение (6.2) принимает следующий вид:  (6.3)
Как правило, для определения ориентации на плоскости используют не менее двух преобразователей магнитного поля.
При этом их магниточувствительные элементы располагаются перпендикулярно друг к другу.
Один датчик МП регистрирует Нх, другой - Hy.
Так как абсолютные значения синуса и косинуса угла ф* равны при 45°, то вычисления производят только в этой области.
Если предположить, что погрешность измерения Н составляет 1%, то при угле 45° получают максимальное отклонение 1,1°.
Этот угол может быть больше, чем ошибка стрелочного компаса.
Для достижения необходимой точности при определении направления менее были сформулированы следующие требования к измерительной системе, предназначенной для определения вектора МПЗ:
- О отклонение амплитуды смещения не должно превышать 1% от максимального значения;
- диапазон измерений должен составлять 20-100 А/м (0,25-1,25 гс или 0,025- 0,125 мТл);
- один датчик должен определять только одну составляющую поля в направлении измерения.
Приборы, создаваемые для таких целей, часто называют ориентационными датчиками.
|