第三章 船用磁罗经剖析

第三章船用磁罗经磁罗经是利用地磁场对磁针具有吸引力的现象而制成的一种航海指向仪器，可为船舶指示航向，定位和导航。

第一节磁的基本概念一、磁场物体能吸引铁、镍、钴等物质的性质叫做磁性。

磁铁具有同性磁极相斥，异性磁极相吸的特性。

磁场是指磁场作用力所能达到的空间范围。

磁场的性质可用“磁场强度”来描述，即在一磁体的磁量为m的磁场中，某点r处的磁场强度为作用于放置在该点的单位正磁量所受到的作用力。

磁场强度通常用“H”表示，则磁场强度的表达式为：H = m / r2（5-1）磁场强度系一矢量，指向磁力线的切线方向。

在电磁系单位中，磁场强度的单位为“奥”。

描述磁场性质的物理量磁场强度与磁介质无关，当讨论一块磁介质内部或外部的磁场强度时，除了要考虑外界已存在的磁场外，还要考虑磁介质被磁化后所产生的附加磁场，我们把上述两种磁场强度之和称为磁感应强度B，即B = H0 + Hˊ（5-2）式中Ho——外磁场强度，Hˊ——附加磁场强度。

磁感应强度B的单位，在国际单位制中为“特”，在电磁单位制中为“高”，1高= 10-4 特。

若磁场中某一范围内，各点的磁场强度大小相等，方向一致，则该范围内的磁场称为均匀磁场，位于船体范围内的地磁场以及罗盘范围内的船磁场可视为均匀磁场。

二、磁铁目前所应用的各种磁铁均为人造磁铁，即用人工方法将镍、钴、钨等金属材料经磁化而制成的。

磁罗经中均使用条形磁铁，如图5—1所示。

条形磁铁的磁极主要集中在磁棒的两端，我们将磁性最强的地方称为磁极。

一根自由悬挂着的磁铁，指向地磁北极的一端称为北极，用“N”表示，并涂成红色，其磁量用+m 表示；指向地磁南极的一端，称为南极，用“S”表示，并涂成蓝色或黄色等，其磁量用-m表示。

两磁极间的连线称为磁轴，同一磁铁两磁极的磁量是相等的。

磁铁磁极的位置视磁铁形状、金属材料、磁化过程和磁化程度而定，用L表示磁铁的全长，通常认为南北磁极距磁铁两端为L/12。

图5-1 磁铁一根磁铁磁性的大小除与外界磁化场的强弱有关外，还正比于磁铁材料磁导率和几何尺寸。

我们用磁矩表示磁铁的磁性大小，磁矩是同名磁量与两磁极间距离的乘积，用字母M表示，即：M=2ml （5-3）式中m为磁极的磁量，2l为两磁极之间的距离。

磁矩的单位用电磁单位制通用符号CGSM表示。

为了保持磁铁的磁性，磁铁存放时应避免受到高温，敲击或其它恒定磁场的影响，并应使磁铁异名极相靠。

三、磁铁的磁场强度在磁铁周围各点的场强是比较复杂的。

其大小和方向都会发生变化，下面仅对与校正罗经自差有关的二种位置加以讨论。

1、磁铁磁轴延长线上某点的场强设有单位正磁量位于具有磁量为m的磁铁的磁轴延长线上的P1点，见图5—2。

该点与磁铁中心的距离OP1=r，磁铁两磁极间的半长为l。

按磁铁强度的定义，磁铁北极和磁铁南级分别对P1点产生的作用力为F N和F S，其合力为H1，即H1 = F N + F S （5-4）若磁铁的半长l远小于距离r时，合力H1可近似为：H 1 = 2M / r3H1的方向沿着磁轴延长线。

罗经柜中垂直磁铁对罗经的作用力即属此种位置。

2、磁铁磁轴垂直平分线上某点的场强图5-2磁轴延长线上场强如图5—3所示，设有单位正磁量位于磁轴垂直平分线上的P2点，磁铁中心O点至P2点的距离为r，由图可见，磁铁北极的作用力F N与南极的作用力F s两者大小相等，但其方向对称分布。

力F N和F s在磁轴垂直平分线上的投影之和为零，而在平行于磁轴方向上的合力为：H2 = F N ,S cosα当磁铁半长l远小于r时，H2可近似为：H 2 = M / r3（5-5）H2的方向与磁轴平行，并指向S端。

比较H2与H1两式，不难看出，在相同条件下，H2之值是H1的一半。

罗经柜中纵横校正磁铁对罗经的作用力即属于H2。

四、磁性物质的磁化自然界内的物质按其导磁能力的大小，可分为磁性物质和非磁性物质两大类。

图5-3 磁轴垂线上场强1、磁性物质磁性物质又称为铁磁性物质，铁、镍、钴及其合金等金属材料均属于磁性物质。

磁性物质的磁导率μ»1，其值可达数千乃至数万之巨。

磁性物质被磁化后可呈现出较强的磁性。

在B—H曲线上，当外磁场H为零时，磁感应强度B并非为零，B=Br Br称为剩磁。

这种B的变化落后于H变化的现象叫做磁滞现象。

为消除剩磁，必须加一反向磁场，当使磁感应强度B降为零时，所加的反向磁场H=Hc，Hc称为矫顽力，它表示磁性物质抗去磁的能力。

实验证明，铁磁体被磁化的极性与它相对于磁场的方向有关，如图5—4所示，即铁磁体被磁化的磁极与原磁铁的极性刚好相反，磁力线进去一端为“S”极，磁力线出去一端为“N”极。

若外磁场方向与铁磁体纵轴相垂直，则其退磁系数为无穷大，铁磁体不能被磁化。

磁性物质按其保留磁性的大小，又可分为硬铁和软铁两类。

硬铁磁性材料需由较强的外图5—4 铁磁体磁化磁场磁化，一经磁化后，其剩磁可保留较长时间不易消失，亦即硬铁的特点是剩磁和矫顽力均较大；而软铁磁性材料可在较弱磁场中被磁化，一旦外磁场消失，共磁性几乎也随之消失，即软铁不保留磁性。

软铁的特点是剩磁，矫顽力均较小。

实际上，硬铁和软铁很难严格地区分，通常将矫顽H C大于50奥的磁性材料视为硬铁，如碳钢、钴钢、钨钢及其合金等；矫顽力H C小于几奥的磁性材料视为软铁，如软铁、坡莫合金、矽钢等。

2、非磁性物质非磁性物质有金、银、铜、木、纸、铝、橡胶、玻璃等，其磁导率约为1。

非磁性材料在磁场中被磁化后，所产生的附加磁场甚微，可予忽略，故可认为非磁材料不能被磁化。

因此在制造磁罗经时，为避免产生附加的磁性干扰，除了指向元件外，其余所有的材料均采用非磁性材料。

五、地磁场地球可认为是一个均匀磁化的球化，在其周围空间存在着磁场。

地磁极位于地理南北极附近，而且位于地球深处。

地磁极的地理位置是不固定的，逐年缓慢变化。

值得注意的是，南半球的南磁极具有正磁量，而北半球的北磁极却具有负磁量，因此，围绕地球空间的磁力线是从南半球走向北半球的，如图5—5所示。

地面上任意一点的地磁场方向，可用一根自由悬挂的顺着地磁总力T指向的磁针来测定。

通过磁针磁轴的垂面，称为该地的磁子午面，磁子午面与地理子午面的水平夹角，称为磁差（Var），如图5—6所示。

图5—5 地磁场图5—6 地磁要素将地磁总力T分解为作用于磁子午面的水平磁力H和垂直磁力Z，即得：H = Tcosθ Z = Tsinθ（5-6）水平磁力H和地磁总力T之间的夹角θ，称为磁倾角。

在北半球。

θ角在水平面之下，其符号定为（+）；反之，在南半球，θ角在水平面之上，其符号定为（-）。

在地球表面上，磁倾角为零各点的连线称为磁赤道。

自磁赤道向两极，磁倾角θ逐渐增大，在磁北极，磁倾角为+90°；在磁南极，磁倾角为-90°。

将磁倾角为固定值点的连线称为磁纬度。

在水平磁力H的作用下，罗盘指向磁北。

水平磁力在磁赤道外最大，约为0.4奥，而垂直磁力Z在磁赤道处为零。

在磁极处，垂直磁力Z为最大，约为0.7奥。

而水平磁力H 却为零，因而导致磁罗经在磁极附近是不能指向的。

在不同的地理位置，磁差是不相同的。

磁差的变化范围为0°～180°。

纬度越高，磁差越大。

当磁北分别位于真北的东面或西面时，分别称为东磁差和西磁差。

通常把地磁水平磁力H，磁倾角θ和磁差Var称为地磁三要素。

在海图上将同一地磁要素相同值的各点连成等值线，这种曲线图称为地磁图。

目前，航海上所使用的地磁图有等磁差线图、等水平力线图、等垂直力线图、等磁倾角线图和等地磁总力线图等。

由于各地磁要素逐平缓慢地变化，因此各地磁图与标注的数据只实用于某一持定年份，通常地磁要素图每5年左右重新绘制一次。

在实际使用时，为获得较准确的数据，应根据地磁要素的年变化率修正地磁图上标注的数据。

第二节船用磁罗经一、磁罗经的分类1、按罗盆内有无液体分类，罗经可分为液体罗经和干罗经两类，因船舶摇摆时，干罗经的罗盘不易稳定，使用不方便，故已被淘汰了。

液体罗经的罗盘浸浮在盛满液体的罗盆内，因受液体的阻尼作用，船舶摇摆时，罗盘的指向稳定性较好。

另外受液体浮力的作用，可减小轴针与轴帽间的磨擦力，提高了罗盘的灵敏度，这种液体罗经在现代船舶上得到普遍使用。

2、按磁罗经的用途分类（1）标准罗经，它用来指示船舶航向和测定物标的方位。

一般安装在驾驶室顶露天甲板上，因其位置较高，受船磁影响小，指向较为准确，故称为标准罗经。

有的标准罗经配有一套导光装置，可将罗盘刻度投射到驾驶室内的平面镜中，供操舵人员观察航向。

根据照射罗盘光源位置的不同，这类罗经又可分为投影式和反射式两种。

投影式罗经光源在罗盘的上方，罗盘上的刻度均被挖空以便透射光线；而反射式罗经的光源从罗盘下方向上照射，经过反射把罗盘上的度数传至驾驶室内的平面境中。

（2）操舵罗经，安装在驾驶室内，专供操舵用。

当安装有反射或投影式的标准罗经时，可免装操舵罗经。

（3）救生艇罗经，每个救生艇都备有一个小型液体罗经，以供操纵救生艇时使用。

（4）应急罗经，安装在应急舵房内，以便使用应急舵航行时，指示航向。

当船舶装有陀螺罗经，大都用它的分罗经作应急罗经。

3、按罗盘的直径分常用的有190mm型、165 mm型，130 mm型等三种罗盘直径的罗经。

190 mm罗径安装在中大型船舶上、165 mm和130 mm罗经安装在中小型船舶上。

二、磁罗经的结构一般船上使用的磁罗经，均由罗盆、罗经柜和自差校正器三部分组成。

1、罗经柜罗经柜是用非磁性材料制成的，用来支撑罗盆和安放消除自差校正器，如图5—7所示。

在罗经柜的顶部有罗经帽，它可以保护罗盆，使其避免雨淋和阳光照射，以及在夜航中防止照明灯光外露。

在罗经柜的正前方，有一竖直圆筒，筒内根据需要放置长短不一消除自差用的佛氏铁或在竖直的长方形盒内放数根消除自差用的软铁条。

在罗经柜左右正横有放置象限自差校正器（软铁球或软铁片）的座架，软铁球或软铁盒的中心位于罗盘磁针的平面内，并可内外移动。

罗盘放置在常平环上，以在船体发生倾斜时，罗盆保持水平。

常平环通常装在减震装置上，以减缓罗盆震动。

在罗经柜内，位于罗盘中心正下方安装一根垂直铜管，管内放值消除倾斜自差的垂直磁铁，并由吊链拉动可在管内上下移动。

图5—7 罗经柜在罗经柜还有放置消除半圆自差的水平纵横向磁铁的架子，并保证罗经中心应位于纵横磁铁的垂直平分线上。

2、罗盆罗盆由罗盆本体和罗盘两部分组成，如图5-8所示。

罗盆系铜制成，其顶部为玻璃盖，玻璃盖的边缘有水密橡皮圈，并用一铜环压紧以保持水密，，罗盆重心均较低，以使罗盆在船摇摆时，仍能保持水平。

罗盆内充满液体，通常为酒精与蒸镏水的混合液，混合液的比例为45%饮料酒精和55% 二次蒸馏水，在温度为15℃时，共比重约为0.95。

酒精的作用是为了降低冰点，该溶液沸点为+83℃，冰点为-26℃，粘度系数在温度+50℃至-20℃之间不产生显著变化，有的罗经还用纯净的煤油做罗盆液体。