Куда покажет стрелка компаса на Северном и Южном полюсе? — «Как и Почему»

Измерение напряженности магнитного поля. Формулы для определения направления магнитного поля. Статьи по физике в Справочнике Студворк.

Измерение напряженности магнитного поля

Магнитная стрелка, подвешена на упругой нити или связанная со спиральной пружинкой и проградуированной шкалой отсчета является самым распространенным и простым прибором для измерения напряженности магнитного поля.

В то же время нетрудно увидеть, что крутящий момент РРР, действующий на стрелку, зависит от угла α между направлением стрелки и направлением
поля. Поэтому измерения крутящего момента надо проводить с учетом некоторого фиксированного угла α. Как правило, выбирают α = 90º, то есть упругую систему закручивают так,
чтобы стрелка располагалась перпендикулярно к направлению поля.

Измеренный в этом положении стрелки крутящий момент имеет максимальное значение:

Pmax=NHP_{max} = NHPmax=NH

Итак, определив крутящий момент Pmax=NHP_{max} = NHPmax=NH для одного однородного поля, можно определить NNN для любого другого магнита:

N=PmaxHN= frac {P_{max}} {H}N=HPmax

И наоборот, приготовив стрелку с определенным магнитным моментом (эталонную стрелку) и измерив крутящий момент поля, действующего на эту стрелку, расположенную перпендикулярно к направлению поля, можно найти напряженность магнитного поля.

Компас для спортивного ориентирования

Компас здорового человека

Компас здорового человека

На картинке изображён жидкостный компас для спортивного ориентирования. Магнитная стрелка погружена в вязкую жидкость, стрелка двигается в ней медленно и успокаивается за 2 секунды. В нём также есть множество удобных приспособлений, помогающих ориентироваться по карте: лупа, линейка, масштаб, отверстия для рисования пометок. Рассмотрим основные части жидкостного компаса:

Основная плата – это прозрачная пластиковая пластина, на которую установлен компас.

Стрелка направления движения — это стрелка, нарисованная на основной плате, которая указывает ваше направление.

Стрелка направления компаса – стрелка в кольце с обозначением сторон света. Направление на север обычно выделено двумя фосфорными линиями.

Магнитная игла – стрелка, вращающаяся внутри кольца компаса.

Ориентирные линии – линии на панели компаса, проложенные параллельно линии ор

Шкала делений – крутящаяся дуга вокруг магнитной иглы, разделенная на 360 градусов.

Стрелка компаса

Стрелка — это основной элемент любого магнитного компаса, хотя бывают модели, у которых стрелка образует одно целое с диском, на который нанесена шкала.

Стрелка компаса сделана из ферромагнитного материала и представляет собой постоянный магнит, поворачивающийся на оси. Эта стрелка направлена в сторону магнитных полюсов Земли, если только на нее не оказывают существенного влияния посторонние магнитные поля

(вот несколько вариантов почему компас показывает неправильно)

.

Чаще всего она располагается на шпиле для уменьшения трения во время вращения. В некоторых моделях компасов она является одним целым с диском, на который нанесена шкала.

Магнитный копас
Компас, в котором стрелка объединена с диском, на который нанесена шкала

Как и любой другой магнит, стрелка магнитного компаса имеет северный и южный полюс, которые располагаются на двух ее противоположных концах. Северный показывает в сторону севера, южный — в сторону юга.

Чтобы не возникало путаницы при измерениях, противоположные концы стрелки должны каким-либо образом отличаться. Для этого их чаще всего красят в разные цвета, либо же красят только северный конец стрелки.

Как отличить северную стрелку магнитного компаса

Самый простой вариант — это стрелка на компасе с треугольной или иной формой стрелки на севере или точкой (как правило — светящейся).

Стрелка на компасе
Стрелка на компасе с формой наконечника стрелы на севере

Довольно часто стрелку красят в разные цвета, либо же красят только северный конец стрелки. Цвет северной стрелки может быть разным. Это решает производитель, и зачастую не совпадает с тем, что написано в различных источниках.

Обычно цветом помечают один конец стрелки. Это может быть синий, красный, оранжевый, зелёный и др. Вне зависимости от цвета, если помечен только один конец стрелки, то это северный. В этом случае белая или чёрная краска на стрелке — это фоновые краски.

Если у компаса красная и синя стрелки, то красная стрелка компаса указывала на юг, а синяя на север. Синий цвет ассоциировался с холодом, а красный с теплом.

Картушка на магнитном компасе

Если вы посмотрите на примеры компасов выше, то увидите что на них есть буквы и цифры, нанесенные по кругу на диск, расположенный около или под стрелкой. Они и называются картушкой или иногда некоторые называют это шкалами.

В первую очередь на картушке обозначаются 

румбы

. Всего существует 32

румба

, делящих диск компаса на 32 равных части, но чаще всего используются лишь 8: 4 основных и 4 вспомогательных:

  • N (North) — север.
  • NE (North-East) — северо-восток.
  • E (East) — восток.
  • SE (South- East) — юго-восток.
  • S (South) — юг.
  • SW (South- West) — юго-запад.
  • W (West) — запад.
  • NW (North-West) — северо-запад.

В редких случаях для русскоязычного населения

румбы

подписываются заглавными буквами русских названий сторон света — «С» (север), «Ю» (юг), «В» (восток) и «З» (запад).

Также на шкале компаса есть цифры, которые в зависимости от модели компаса показывают или 

градусы

или 

тысячные

. Хотя встречаются модели одновременно с двумя шкалами.

Градусы используются туристами для работы с азимутами, а тысячные — это единицы измерения углов, применяемых в военном деле.

Если это градусная шкала, тогда цифры в ней располагаются в порядке возрастания по часовой стрелке. Полный оборот составляет 360 градусов.

Если же шкала дана в тысячных, то цифры тут могут располагаться, как по часовой, так и против часовой стрелки, в зависимости от модели компаса.

Значения шкалы, показывающей тысячные, могут лежать в разных пределах. Существует три возможных варианта:

  • от 0 до 60
  • от 0 до 63
  • от 0 до 64

Это связано с тем, что тысячная представляет собой примерно 1/6283 полного оборота, что выводится из формулы 1 / (2π × 1000), а такое значение не совсем удобно для использования на практике. Поэтому в целях упрощения задачи использования тысячной, указанное число округлили, причем в разных странах это сделали по-своему:

  • в бывшем СССР и некоторых других армиях тысячную приняли равной 1/6000
  • в армии Швеции — 1/6300
  • в армии НАТО — 1/6400

Отсюда и разное число тысячных в шкалах разных моделей. 

Чтобы узнать цену деления шкалы нужно взять соседние засечки, на которых указаны цифры и поделить их разницу на количество отрезков, отделенных засечками между этими цифрами.

Например, для того, чтобы узнать цену деления внутренней шкалы компаса Адрианова:

  1. Берем навскидку два его значения, лежащих по соседству на шкале, — 45° и 60°.
  2. Определяем разницу между ними: 60° – 45° = 15°.
  3. Подсчитываем количество промежутков, разграниченных штрихами между значениями 45° и 60°, — их получается 5.
  4. Рассчитываем цену деления градусной (внутренней) шкалы данной модели: 15° / 5 = 3°.

Как пользоваться компасом?

Теперь научимся пользоваться таким компасом. Нам поможет наш опытный турист Вася.

1. Правильное положение компаса в пространстве. Вася встаёт лицом по направлению движения, кладёт компас горизонтально на ладонь и подносит его к груди. Компас должен находиться перпендикулярно телу и параллельно земле!

Правильное положение компаса

Правильное положение компаса

2. Вася смотрит на магнитную стрелку. Чаще всего промаркированный конец указывает на север. Это лучше уточнить перед выходом из дома, чтобы не перепутать стороны света. Дело в том, что полюса магнитов принято обозначать так: синим – северный, красным – южный. Но в современных компасах красным может обозначаться конец стрелки, указывающий на север, на ней же обычно присутствует капелька фосфора. В крайнем случае, определить примерное расположение сторон света можно по солнцу или звёздам.

3. Далее Вася двигает кольцо компаса так, чтобы значение N (north) совпало с магнитной стрелкой. При этом сам Вася никуда не поворачивается.

4. Вот и всё. Если стрелка направления движения совпадает с магнитной, Вася стоит лицом на север. Если смотрит в обратную сторону – на юг, если магнитная стрелка указывает, что север справа, Вася стоит лицом на запад, слева – лицом на восток.

Корпус магнитного компаса

Корпус компаса может быть как металлическим, так и пластмассовым.

Металлические корпуса, как правило, более крепкие. Существуют даже специальные ударопрочные модели, выдерживающие значительные механические воздействия. Однако вместе с тем компасы в металлической оправе, как правило, более тяжелые по сравнению с моделями, корпус которых состоит из пластика.

Считается, что латунный корпус способствует более быстрой стабилизации стрелки за счет возникающих индукционных токов. Но в большинстве современных моделей туристических компасов и компасов для спортивного ориентирования эта задача решена другим путем — наполнением герметичной колбы прибора специальной жидкостью, создающей дополнительное сопротивление для стрелки и мгновенно гасящей любые ее колебания, что очень удобно, особенно, если ориентироваться приходится прямо на ходу.

Гирокомпас[ | ]

Гирокомпас — прибор, указывающий направление на земной поверхности; в его состав входит один или несколько гироскопов. Используется почти повсеместно в системах навигации и управления крупных морских судов; в отличие от магнитного компаса его показания связаны с направлением на истинный географический (а не магнитный) Северный полюс. Обычно гирокомпас применяется как опорное навигационное устройство в судовых рулевых системах с ручным или автоматическим управлением, а также при решении различных задач иного рода, например, для определения точного направления при наводке орудия боевого корабля. Морской гирокомпас, как правило, очень тяжёл; в некоторых конструкциях вес гироскопического ротора превышает 25 кг. Для нормальной работы гирокомпаса необходимо устойчивое основание, не испытывающее ускорений и фиксированное относительно земной поверхности, причём скорость его перемещения должна быть пренебрежимо мала по сравнению со скоростью суточного вращения Земли на данной широте.

История создания[ | ]

Прототип современного гирокомпаса первым создал Герман Аншютц-Кэмпфе (запатентован в 1908), вскоре подобный прибор построил Э. Сперри (запатентован в 1911 году). В последующие годы разрабатывалось множество гирокомпасов различных модификаций, но наиболее удачные из них принципиально почти не отличались от устройств Аншютца и Сперри[5]. Приборы современной конструкции значительно усовершенствованы по сравнению с первыми моделями; они отличаются высокой точностью и надёжностью и удобнее в эксплуатации.

Устройство[ | ]

Простейший гирокомпас состоит из гироскопа, подвешенного внутри полого шара, который плавает в жидкости; вес шара с гироскопом таков, что его центр тяжести располагается на оси шара в его нижней части, когда ось вращения гироскопа горизонтальна.

Принцип действия[ | ]

Предположим, что гирокомпас находится на экваторе, а ось вращения его гироскопа совпадает с направлением запад — восток; она сохраняет свою ориентацию в пространстве в отсутствие воздействия внешних сил. Но Земля вращается, совершая один оборот в сутки. Так как наблюдатель, находящийся рядом, вращается вместе с планетой, он видит, как восточный конец (E) оси гироскопа поднимается, а западный (W) опускается; при этом центр тяжести шара смещается к востоку и вверх (позиция б). Однако сила земного притяжения препятствует такому смещению центра тяжести, и в результате её воздействия ось гироскопа поворачивается так, чтобы совпасть с осью суточного вращения Земли, то есть с направлением север — юг (это вращательное движение оси гироскопа под действием внешней силы называется прецессией). Когда ось гироскопа совпадет с направлением север — юг (N — S, позиция в), центр тяжести окажется в нижнем положении на вертикали и причина прецессии исчезнет. Поставив метку «Север» (N) на то место шара, в которое упирается соответствующий конец оси гироскопа, и, соотнеся ей шкалу с нужными делениями, получают надёжный компас. В реальном гирокомпасе предусмотрены компенсация девиации компаса и поправка на широту места. Действие гирокомпаса зависит от вращения Земли и особенностей взаимодействия ротора гироскопа с его подвесом.

Электронный компас в системе навигации

NAVSTAR

Старый корабельный компас.

Арретир

Арретир — это специальное устройство, которое служит для фиксации стрелки компаса в неподвижном положении.

Арретир прижимает стрелку к верхнему стеклу колбы и таким образом не дает ей двигаться, что особенно актуально при передвижении человека по пересеченной местности, когда колебания стрелки компаса могут быть значительными.

Одним из самых известных компасов, имеющих арретир, является компас Адрианова. В этой модели стрелка фиксируется в неподвижном положении при нажатии на арретир и приводится в движение, если рычажок арретира немного вытянуть из корпуса.

Арретир на магнитном компасе
Арретир на компасе Адрианова

Зеркало

Зеркало в составе конструкции компаса обычно служит для более точных измерений, поскольку позволяет следить за положением стрелки во время визирования прибора на объект, расположенный на местности.

В некоторых моделях зеркало также позволяет более точного направить компас на нужный объект.

Обычно такое зеркало представляет собой ровную гладкую металлическую пластину, что делает его неуязвимым к падениям, ведь в отличии от стеклянного зеркала металлическая пластина никогда не разобьется.

Кроме более точных измерений зеркало на компасе позволяет использовать зеркало по прямому назначению, например, для того, чтобы самостоятельно извлечь попавшее в глаз инородное тело (мошка, соринка). А в аварийной ситуации таким зеркалом можно отражать солнечные лучи, подавать сигналы бедствия.

Магнитный компас с зеркалом
Зеркало на компасе

См. также[ | ]

  • Буссоль
  • Безель
  • Ветромёт
  • Геологический компас
  • Колесница, указывающая на юг
  • Пелорус
  • Компасные растения
  • Спортивное ориентирование
  • Магнитная девиация
  • Инерциальная навигация

Длина шага

В ориентировании на местности важно быть постоянно сосредоточенным и ни в коем случае нельзя отвлекаться. Если вы забудете сверять направление своего движения с выбранным курсом или вообще не будете следить за ним, в конечном итоге вы собьётесь. На отклонения от выбранного маршрута влияет не разная мышечная сила или длина ног, а наш мозг. Он не умеет определять точное местоположение относительно невидимого ориентира и приводит к сбоям. Заблудившийся человек блуждает не по кругу, а уходит в правую или в левую сторону, иногда пересекая свои же следы.

Траектория движения заблудившегося человека

Траектория движения заблудившегося человека

Вася сосредоточен. Он проверяет курс каждые сто шагов, при длине шага в 50 см это 500 метров пути. Заодно он считает расстояние, которое прошёл. Если соотнести его с масштабом карты, можно постоянно знать своё местоположение с небольшой погрешностью.

Клинометр магнитного компаса

Клинометр это прибор для измерения углов наклона, высоты или падения пласта горной породы по отношению к уровню земли.

Обычно используется в геологических и в некоторых военных компасах.

Магнитный компас с клинометром
Магнитный компас с клинометром
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...