磁铁的磁场红软基地教学内容.ppt
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1、磁铁的磁场红软基地第一节、磁基础知识第一节、磁基础知识第二节、船用磁罗经第二节、船用磁罗经第三节、磁罗经自差原理第三节、磁罗经自差原理第四节、磁罗经自差的测定与校正第四节、磁罗经自差的测定与校正 船用磁罗经船用磁罗经 一一、磁基本概念磁基本概念 二、二、磁铁磁铁三、三、磁铁的磁场磁铁的磁场四、四、磁铁体磁化磁铁体磁化五、五、地磁地磁第一节、磁基础知识第一节、磁基础知识FFm1m2r一一、磁基本概念、磁基本概念l磁量为m 1和m 2两磁极所产生的相互作用力为:F K(m1 m2)/r2 (m1m2)/r2(在真空,K1)两磁极间的作用力 F(库仑定律)单位磁量:若在真空中,m1=m2,r=1cm
2、,F=1dyn,则该磁量称为单位磁量磁场强度H:在磁场中某点处,单位正磁量所受到的作用力,称为该点的磁场强度 H=m/r2(奥)磁感应强度B:磁感应强度等于磁化场的场强H和铁磁体被磁化后产生的附加磁场H之和,即 B=H+H(高)B=H 磁导率 l均匀磁场 若在一定范围内各点的场强大小相等,方向平行则称此范围内的磁场为均匀磁场。磁性,物体吸引铁镍等物质的性质。磁极:磁铁磁性最强处,磁极距端点处为L/12,磁量|-m|=|+m|。LSNll-m+mL/12L/12二、磁铁(二、磁铁(magnets)磁距(moment):表示磁铁磁性的强弱。M2lm磁铁磁距为同名磁量与两磁间距的乘积。如何保持磁铁磁
3、性:1)避免高温振动和恒定磁场干扰;2)异名极相靠。单位正磁量位于磁轴延长线上A点,N极在A点作用力为 FN m/(r-l)2 S极在A点作用力为 FS m/(r+l)2 则在A点的场强为:H1=FN+FS =m/(r-l)2m/(r+l)2 =4rlm/(r2-l2)2 当r l时,H1 2M/r3 H1指向:由S指向NrFN三、磁铁的磁场三、磁铁的磁场1.在磁轴延长线上某点场强FsH1A lS-m+mNlolSN-m+ml当l1;l 非磁性物质:铜,铝,木,纸,橡胶,等,磁导率1;l 磁性物质可被磁化:磁力线进端,呈现S极;磁力线出端,呈现N极。l 非磁性物质不能被磁化。SNH四、磁铁体磁
4、化四、磁铁体磁化2磁性物质依据其保留磁性程度可分为:软铁:可在弱磁场中被磁化,但其磁性不固定,随外界磁化场的变化而变化,可达上万;硬铁:须在较强磁场中磁化,被磁化后可较长期保留磁性,可达数百至上千。HCHCHCHCOHBBrBr-HAHAOHB 硬铁 软铁-HAHA3磁滞回线 矫顽力Hc:使B(磁感应强度)减小至零的反向磁场Hc称为矫顽力。剩磁Br:当H变为零时,铁磁体所具有的磁感应强度Br称为剩磁。硬铁:Br大,Hc大,磁滞回线面积大,Hc通常大于50奥,如碳钢等。软铁:Br很小,Hc很小,磁滞回线面积狭小,Hc通常小于几奥,如矽钢等。1地磁极 N,S地磁极位于地球深处,与地理N,S极不重合
5、。地磁极位置不固定,绕地理N,S极缓慢移动。磁北极具有负磁量磁南极具有正磁量。磁力线由南指向北五、地磁五、地磁(terrestrial magnetism)PNPs+m-mNSTHZ2地磁要素 地磁总力T:沿磁力线切线方向。磁倾角:地磁总力T与水平面之间的夹角,在北纬:,在南纬:地磁水平和垂直水平分力:HTcos ZTsin 磁差Var:磁子午面与地理子午面间水平夹角。有东西磁差之分 磁赤道:磁倾角为零点的连线 地磁三要素:H,Var 地磁要素地磁极处 磁赤道处 H(指北力)0 Hmax0.4奥 Z Zmax0.7奥 0 90 0 Var 变化范围0180 有东西磁差之分 一、船用磁罗经分类二
6、、磁罗经结构三、磁罗经的安装四、磁罗经的检查第二节、船用磁罗经第二节、船用磁罗经1.按用途分类:1)标准罗经:安装在驾驶台顶的露天甲板上,因安装位置较高,受船磁影响小,故称为标准罗经。2)操舵罗经:安装在驾驶室内,用于读取船舶航向。3)应急罗经:安装在船尾应急舵前面,用于应急时操舵用。4)救生艇罗经:供操纵救生艇时使用。一、船用罗经分类一、船用罗经分类2.按罗盘直径分类:有190mm,165mm 和 130mm三种。3.按有无液体分类:液体罗经:罗盆内充满液体,罗经性能优良,故被广泛使用;干罗经:罗盘支在轴针上,当船舶摇摆时罗盘稳定性能差,该种罗经已被淘汰。组成:组成:罗经盆,罗经柜,自差校正
7、器1.罗盆(compass bowl)二、磁罗经结构二、磁罗经结构罗经盆由罗盆本体与罗盘组成 罗盆本体罗盆盆体一般用铜材料制造。注液孔:用以消除罗盆内气泡。基线:首基线用于读取船航向。罗盆液体:多用酒精(45)和蒸馏水(55)的混合液体,酒精的作用是降低冰点(26)还有使用煤油和防冻液作为罗盆液体。采取防止液体热膨胀冷缩措施1)罗盆底部为铜皱片2)罗盆分为上下两室由毛细管连通,通过罗盆内的压力来调节。为保持罗盆的稳定性1)降低罗盆的重心,在罗盆底部加配重。2)罗盆架在常平环上。罗盘(compass card)罗盘是指示方向的灵敏部件.罗盘组成:刻度盘,浮室,磁钢和轴帽1)刻度盘由铜片,环氧玻璃
8、布等非磁性材制作,上面刻有0360度刻度和方向点。2)浮室:为水密空气室以增加罗盘浮力减小轴针与轴帽之间的摩擦力。3)轴帽:轴帽中心处嵌有宝石,轴针尖端由铱金等硬金属制成,以减小与轴帽间的摩擦力。4)磁钢:磁钢轴线与刻度盘0180度对称平行罗盘磁钢有条形磁棒和环形磁钢两种类型。2.罗经柜罗经柜(binnacle stand)罗经柜由非磁性材料制作,用于放置罗盆和自差校正器。自差校正器类型放置位置校正自差 硬铁垂直磁棒(Heeling)罗盆中心正下方垂直铜管内倾斜自差纵向磁棒(Fore&aft)罗经柜内左右水平纵向架子半园自差(纵向硬铁力)横向磁棒(Athwardship)罗经柜内水平横向架子半
9、园自差(横向硬铁力)软铁软铁球(片)(soft iron phere罗经柜左右正横支架上象限自差佛氏铁(Flinders bar)罗经柜正前方竖直筒内软铁半园自差(水平纵向软铁力)1.磁罗经安装位置应满足的条件:1)罗经应安装在船首尾面内,否则因船铁不对称,易使罗经产生较大的剩余自差;2)船舶上特别是顶甲板上的钢铁器件应尽量远离罗经,至少大于1米以上;3)罗经周围应是开敞的,以便于观测方位。三:磁罗经的安装三:磁罗经的安装 2、罗经的安装首先用尺测量将罗经 安放在船首尾面内利用方位圈,借助位 于船首尾内的桅杆和 烟囱等目标,校对罗 经的基线是否准确罗经基线误差小于0.5烟囱磁罗经桅杆1.罗盘灵
10、敏度1)该项检查实际上是检查轴针与轴帽间摩擦力的大小;2)检查方法:用小磁铁将罗盘从原平衡位置向左和向右分别引偏23度,然后移去小磁铁,视罗盘是否恢复原位;3)要求与原航向读数相差小于0.2度。四、磁罗经的检查四、磁罗经的检查2、罗盘摆动周期1)测量罗盘的摆动半周期来检查罗盘 磁力大小。2)检查方法:用磁铁将罗盘从原来平衡位置分别向左右引偏40度,移去磁铁,用秒表测量罗盘的摆动半周期,取其平均值。罗盘摆动半周期应不小于 秒。(H微特,1奥100微特)3、排除罗盆气泡1)气泡产生的原因:a.因胶皮垫圈老化导致罗盆密封处漏水;b.浮室漏水。2)罗盆内有气泡,会影响观测航向和方位,应及时予以排除。3
11、)消除气泡方法:a.先鉴别罗盆内是何种液体;b.配制相同的液体;c.注液孔朝上,用注射器注入液体,直至气泡完全消除为止。5.自差校正器的检查1)硬铁校正器:应无锈,磁棒的极性应与标记相符;2)软铁校正器:应不含永久性磁性;软铁球:将球贴近罗经柜原位转动,若基线所指的度数发生了变化,说明软铁球含有永久性磁性。佛氏铁:船位于东或西航向上,将佛氏铁分段正反向放入筒中,若航向发生变化,说明佛氏铁含有永久磁性。可采用敲击,加热的方法退磁。自差:指罗北偏离磁北的角度。自差产生的原因:由船磁力(硬铁船磁力和软铁船磁力)产生。一、波松方程二、船舶正平时自差三、倾斜自差第三节、磁罗经自差原理第三节、磁罗经自差原
12、理1.坐标系(右手直角坐标系):ox:向船首为正;oy:向右舷为正;oz:向下为正。x一、泊松方程一、泊松方程oNm H2.地磁场对罗经的作用力:地磁力在罗经三个坐标轴上投影力为:(“”使三角函数与坐标系正负号相一致)XYox:XHcos oy:YHsin oz:Z=Z3.永久船磁对罗经的作用力1)船硬铁力F在三坐标轴上投影力为:ox:P oy:Q oz:R2)相对于罗经坐标系,硬铁力的大小和方向固定不变,取决于造船时船首方向及罗经安装位置。软铁本身没有磁性。船上软铁可分解成纵向,横向和垂直向的软铁杆,它们分别被地磁力投影力X,Y和Z磁化后,才获得磁性,即对罗经产生作用力。4、感应船磁对罗经的
13、作用力船上所纵向软铁杆被X力磁化后对罗经产生总作用力为lX系数l取决于罗经的位置,纵向软铁杆的数量和性质oxyzlxaxdxgx1)纵向软铁杆对罗经的作用将lX分解到罗经三个坐标轴上:OX:aX OY:dX OZ:gX 类似的,船上所有的横向软铁杆被Y力磁化后,对罗经产生的总作用力为mY,将其分解到三个坐标轴上:oxyzmybyeyhy2)横向软铁杆对罗经的作用 OX:bY ;OY:eY ;OZ:hY ;船上所有垂直向软铁杆被Z力磁化后,对罗经产生的总作用力为nZ,其在三个坐标轴上投影为:oxyznzczfzkz 3)垂直方向软铁杆对罗经的作用 OX:cZ ;OY:fZ ;OZ:kZ ;XX+
14、aX+bY+cZ+PYY+dX+eY+fZ+Q Z Z+gX+hY+kZ+R地磁力硬铁力软铁力-YXHoNm4).柏松方程:5、软铁系数:a,b,c,d,e,f,g,h,k均称为软铁系数当罗经的位置和软铁数量不变时,软铁系数的大小和符号固定不变。系数a,e 1)船体结构可分解为很多纵横向软铁 因此a,e系数较大;2)大部分纵横向软铁是沿船首尾和左 右舷连续的,因此a,e均为负值;3)因为横软铁两端磁极比纵向软铁两端磁极至罗经的距离近。故|e|a|。系数c 船上罗经总是安装在顶甲板的前方,与烟囱较为接近,故系数c较大,且为负值。系数k 因罗经位置较高,位于罗经下面的垂直软铁较多,故系数k较大,且
15、为正值。系数g 系数g较小,其符号随罗经安装位置而定。系数b,d,g,h 因船舶结构都是左右舷对称的,所以安装在船首尾面上的罗经系数b,d,f,h都是正负值同时存在,几乎可相互抵消,因此,一般船上的软铁系数b,d,f,h约为零。1、罗盘平面上作用力(1)船正平时,只有泊松方程中的X和Y 两个力对罗经产生影响。(2)把X 和Y 分别投影到磁子午线上和垂直磁子午线方向上。二、船舶正平时自差二、船舶正平时自差NmNm在磁子午线上的投影为:在垂直磁子午线上投影为:H-YX YXH Xcos代入以上两式整理后得:将:A,B,C,D,E 称为准确自差系数称为准确自差系数A B C=D E 软硬铁自差力大小
16、比较软硬铁自差力大小比较 B H A H C H E H D H 罗盘平面上共六罗盘平面上共六个力:一个指北个力:一个指北力力H,五个自,五个自差力差力A H,B H,C H,D H和和E H。Nm HHA HB HC HD HE H2、各自差力作用方向及其产生的自差各自差力作用方向及其产生的自差与航向和船磁纬度之间的关系:与航向和船磁纬度之间的关系:1)指北力指北力H 由在磁子午线和垂直于磁子午线上由在磁子午线和垂直于磁子午线上的投影公式:的投影公式:HCOS =HHSin =02、各自差力作用方向及其产生的自差各自差力作用方向及其产生的自差与航向和船磁纬度之间的关系:与航向和船磁纬度之间的
17、关系:1)指北力指北力H H沿磁子午线指向沿磁子午线指向磁北磁北,H不产不产生生 自差。自差。称为指北力系数,称为指北力系数,0 1,标标0.8 0.9 操操=0.6 0.8 0,AH指向东指向东;A 0,BH指向船首。指向船首。B 0,C H指向右舷,指向右舷,C 0,D H指向指向2 ;D 0,E H指向指向2 +90 E 0,E H 指向指向2 90 E H产生自差产生自差E:oHH E HE 当当E较小时:较小时:EE cos2 E随随2倍罗航向余弦关系变化,倍罗航向余弦关系变化,E称为象限自差,称为象限自差,E 称为象限自差系数。称为象限自差系数。E 因系数因系数d,b和和 与磁纬度
18、变化无关与磁纬度变化无关 故故E 不随磁纬度发生变化。不随磁纬度发生变化。090180 270 E 3、正平时自差公式:正平时自差公式:磁罗经在某航向上的自差应是各种自差磁罗经在某航向上的自差应是各种自差的总和,即自差公式:的总和,即自差公式:A B C D E ABsin Ccos Dsin2 +Ecos2 自差公式应用的条件是自差较小,自差公式应用的条件是自差较小,要求要求:误差小于误差小于0.1时,时,3 误差小于误差小于0.2时,时,5 1.倾斜自差产生原因倾斜自差产生原因 船倾斜时,罗盘仍保持水平,船倾斜时,罗盘仍保持水平,磁化软铁的地磁力投影力发生变化磁化软铁的地磁力投影力发生变化
19、,船船软硬铁力相对于罗盘的作用方向也发软硬铁力相对于罗盘的作用方向也发生变化生变化罗盘水平面上作用力与正平时相比发罗盘水平面上作用力与正平时相比发生了变化。生了变化。2.倾斜自差公式倾斜自差公式:ii 三、倾斜自差(三、倾斜自差(Heeling Error)3.纵横倾斜自差纵横倾斜自差:(1)横倾自差横倾自差 当船横倾时,纵向软铁仍被当船横倾时,纵向软铁仍被X力磁化,力磁化,而横向及垂直软铁则被地磁力而横向及垂直软铁则被地磁力Y和和Z的的投影力投影力Yi和和Zi磁化。磁化。(i倾斜角倾斜角 右倾为右倾为“”左倾为左倾为“”)YoZZiYil若船向右舷倾斜,船上的软硬铁相对于倾斜若船向右舷倾斜,
20、船上的软硬铁相对于倾斜后的坐标系后的坐标系OXiYiZi的位置时不变的,软铁的位置时不变的,软铁系数和硬铁力与正平时相同,但磁化软铁的系数和硬铁力与正平时相同,但磁化软铁的力却为力却为Yi和和Zi;l对于倾斜后的坐标系对于倾斜后的坐标系OXiYiZi,泊松方程为:泊松方程为:Xi XaXcZiPYi YieYiQZi ZigXkZiRYoZZiYi 罗盘平面纵横轴上作用力的变化情况为:罗盘平面纵横轴上作用力的变化情况为:与正平时相比,罗盘平面上产生了横向附与正平时相比,罗盘平面上产生了横向附加力加力 ,罗经将产生横倾自差罗经将产生横倾自差代入代入Yi 和和Zi 得:得:仿照正平时横向自差力仿照
21、正平时横向自差力CH的讨论,得横倾自的讨论,得横倾自差公式:差公式:iJicos 其中:其中:称为横倾自差系数称为横倾自差系数(2)仿照横倾自差仿照横倾自差,得纵倾自差公式:得纵倾自差公式:i Jisin 其中:其中:称为纵倾自差系数称为纵倾自差系数4.倾斜自差性质倾斜自差性质 随航向变化,随航向变化,N,S航向,横倾自差航向,横倾自差最大;最大;E,W航向,纵倾自差最大。航向,纵倾自差最大。随船所在磁纬度变化,因随船所在磁纬度变化,因J和和J中中H,Z均随磁纬度变化。均随磁纬度变化。与船的倾斜角度成正比,通常罗盘与船的倾斜角度成正比,通常罗盘均偏向高舷。均偏向高舷。因船左右摇摆具有周期性,故
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