Яновский Б.М. Земной Магнетизм. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Вариационные приборы магнитометр, типа

401

Это равносильно тому,

что

цена деления вариометра является

функцией температуры.

Для

того чтобы записи вариаций

6Н не

зависели

от

температуры,

во

всех современных вариометрах пре-

дусмотрены соответствующие компенсационные устройства,

ко-

торые почти полностью исключают влияние температуры.

Положим,

что

благодаря таким устройствам влияния тем-

пературы устранены,

вариации

6Н

пропорциональны углу

от-

клонения Θ, тогда цена деления выразится

как

Если выражать

ее в

единицах напряженности поля, приходя-

щегося

на

одно деление шкалы,

то

аналогично предыдущему

случаю можно написать

(12.14)

Это уравнение показывает,

что

цена деления вариометра

го-

ризонтальной составляющей

при

данном расстоянии шкалы

от

зеркала магнита теоретически может принимать значения

от ну-

ля

до

бесконечности,

зависимости

от

величины коэффициента

кручения нити

С и

магнитного момента

М.

Коэффициент круче-

ния нити зависит

от ее

диаметра, длины

упругих свойств.

Эта

зависимость

для

проволок

нитей круглого сечения, согласно

теореме, доказываемой

теории упругости, выражается следую-

щим соотношением:

(12.15)

где

d —

диаметр проволоки

или

нити,

—

ее

длина

и G —

модуль

сдвига материала.

Лучшим материалом

для

такого вариометра считается кварц

и бронза,

так как при

относительно малой величине модуля

сдвига

они

обладают наибольшей прочностью

на

разрыв.

Подставляя

выражение

(12.14) для С его

значение

из

урав-

нения

(12.15),

получим

(12.16)

т.

е.

цена деления вариометра горизонтальной составляющей

пропорциональна четвертой степени диаметра нити

обратно

пропорциональна

ее

длине.

Формула

(12.16)

дает возможность рассчитать диаметр нити

ее

длину

при

заданном значении цены деления вариометра.

Так,

402

Вариационные приборы

[гл.

например,

для

получения цены деления

ея=1 у/мм при

расстоя-

нии зеркала

от

барабана

#=100 см,

магнитном моменте

Л1=-10

СГС и

длине нити

/=20 см,

необходимо иметь нить диа-

метром:

так

как

модуль сдвига кварца

G =

3«10

дин/см

в)

Для

регистрации составляющих вектора вариаций

по

осям, направленным

по

астрономическому меридиану (северная

составляющая)

и по

параллели (восточная составляющая),

не-

обходимо,

соответствии

предыдущими выводами, установить

ось магнита вариометра

по

направлению параллели

или

мери-

диана.

Положим,

что ось

магнита установлена

по

направлению аст-

рономического меридиана

или

противоположно

ему, в

таком слу-

чае угол <р=Д

или же

φ=180°—D,

уравнение

(12.6)

примет

вид:

Так

как

X=HcosD,

то

Ка*к видим, цена деления

может принимать различные значе-

ния

зависимости

от

величины склонения

D и

способа установки

вариометра.

Рассмотрим несколько частных случаев:

случай. Положим,

что

D<90°

магнит установлен

по

направлению астрономического меридиана, тогда

В этом случае цена деления вариометра

зависимости

от

С может принимать значения

от

некоторой минимальной величи-

ны,

равной HcosD,

до

бесконечности. Таким образом,

как и в

случае вариометра склонения, установленного

по

магнитному

меридиану, уменьшением кручения нити нельзя получить цену

деления унифиляра меньше

çosD.

случай. Ь>90°,

но

магнит установлен

по

направлению,

противоположному астрономическому меридиану.

этом случае

Вариационные приборы магнитометр, типа 403

т. е. цена деления может иметь любое значение от нуля до бес-

конечности в зависимости от С, но при этом коэффициент кру-

чения С должен удовлетворять условию С>МН соэД так как

иначе наступает неустойчивое положение равновесия, и унифи-

ляр не устанавливается по направлению, противоположному

астрономическому меридиану.

III

случай. D>90° и магнит установлен по направлению

астрономического меридиана. Этот случай аналогичен предыду-

щему случаю с той только разницей, что магнит будет находить-

ся в неустойчивом равновесии в направлении астрономического

меридиана при С<МН cos D.

случай, когда £>>90° и магнит установлен по направле-

нию,

противоположному астрономическому меридиану, вполне

аналогичен первому случаю, но отличается от него тем, что на-

правление магнита противоположно.

Для регистрации северной составляющей ЬХ необходимо

установить магнит вариометра перпендикулярно астрономиче

скому меридиану, т. е. сделать угол φ=90°—D, или <p=90°-r-D.

В первом случае, согласно уравнению

(12.6),

будем иметь:

во втором:

Для первого случая минимальное значение, которое может

иметь величина е

, будет H sin D; во втором же случае, когда φ=

90°+Ζ), цена деления может принимать любые значения. Но

так как в нормальном поле величина склонения по всей террито-

рии СССР, за исключением Арктики, не превосходит обычно 12°

то для любого способа установки величина ε* всегда может

быть выбрана достаточно малой величиной.

Методы определения цены деления вариометров. Для пере-

вода показаний вариометра в единицы напряженности магнит-

ного поля необходимо знать цену деления ε в этих же едини-

цах.

Общая методика определения цены деления заключается

в измерении числа делений п, на которое отклоняется варио-

метр под действием известных нам вариаций ô£>, ЬН или 6Z, ко-

торые создаются искусственно при помощи колец Гельмгольца.

Для этого кольца устанавливаются таким образом, чтобы

магнит любого из вариометров находился в их центре, а ось его

была перпендикулярна к оси колец. Тогда под действием тока /

магнит отклонится на некоторое число делений п, и цена деле-

ния определится из уравнения

2G*

404

Вариационные приборы

(12.17)

где

G —

постоянная колец Гельмгольца.

Формула

(12.17)

справедлива

для

любой установки унифи-

ляра

и в

любом магнитном поле,

т. е.,

пользуясь

ею,

можно

определить цену деления

для

магнитных весов, вариометра

го-

ризонтальной составляющей

вариометра склонения.

В последнем случае

для

выражения

ε в

дуговых мерах

(в

минутах

на

миллиметр) необходимо разделить правую часть

уравнения

(12.17) на H

sinl',

т. е.

написать

Точность,

какой определяется цена деления электрическим

способом, зависит

от

точности определений постоянной

G и

силы тока

Дифференцированием уравнения

(12.17)

находим

среднюю квадратичную погрешность определения

е:

Считая относительные погрешности измерений

G, I и η

оди-

наковыми, получим

Таким образом,

для

определения

ε с

относительной погреш-

ностью

% необходимо, чтобы

G, I и η

были измерены

отно-

сительной погрешностью

в 1,73

раза меньшей,

т. е.

примерно

погрешностью

в .0,6%, что не

представляет никаких затрудне-

ний.

Влияние температуры

на

показания унифиляра.

Методы компенсации

В предыдущих выводах формул

для

отклонения магнито-

метра

мы

предполагали,

что

магнитный момент

кручение нити

остаются неизменными. Между

тем как то, так и

другое зависит

от температуры,

поэтому всякое изменение температуры

среды,

которой находится прибор, будет отражаться

на его

показаниях.

Величину отклонения

вариометра

Н,

вызванную измене-

нием температуры

на dt

градусов, найдем, пользуясь выраже-

нием

(10.26), в

котором следует лишь положить

а = 0 и

заме-

нить значение

значением

Н. В

таком случае

это

выражение

примет

вид:

§4]

Общее устройство вариационных приборов

405

(12.18)

Так

как Ctj) « ΜΗ, то

Величина

есть

та

поправка, которую следует прибавить

или

вычесть

показанию вариометра

Н,

чтобы исключить влияние

температуры.

Вычислим порядок величины температурного коэффициента

магнитометра, считая

Я=15 300 ν, ε=2 у/мм.

Величина тем-

пературного коэффициента магнита обычно имеет порядок

= —0.0002. а

температурный коэффициент модуля сдвига

для

кварцевой нити равен

β = —0,00014.

Поэтому, подставляя

эти

величины

уравнение

(12.18),

получим значение

для

маг-

нитометра

кварцевой нитью:

= —5,1

у1град, величина,

ко-

торая имеет существенное значение

при

обработке наблюде-

ний,

поэтому определение температурного коэффициента

или

сведение

его к

нулю является одной

из

важных задач магнито-

метрии.

В современных вариационных приборах температурная ком-

пенсация осуществляется одним

из

способов, описанных

в §5

гл.

X, а

именно: магнит вариометра изготовляется

из

двух маг-

нитов, имеющих различные температурные коэффициенты,

со-

ставляя одно целое.

Общее устройство вариационных приборов

магнитометрического типа

Система вариационных приборов

или

магнитометров,

со-

стоящая

из

трех вариометров:

D, Η и Ζ и

регистрирующей

части, носит название вариационной станции.

Несмотря

на

различие

конструктивных особенностях

той

или иной станции,

все они

построены

на

одних

и тех же

принци-

пах, изложенных

предыдущих параграфах,

и все

имеют неко-

торое общее устройство, вызванное общим требованием, предъ-

являемым

к ним. Это

требование заключается

четкости

записи

возможности

ее

расшифровки,

т. е.

определении

для

каждого момента времени абсолютного значения того

или

иного

элемента.

Так

как

различие вариометров разных систем заключается

лишь

во

внешнем оформлении

конструкции отдельных дета-

лей,

то в

качестве примера

на рис. 184

показан вариометр

D (он

же

и Н)

системы

Б. М.

Яновского.

Он представляет магнит, подвешенный

на

кварцевой нити

внутри вертикальной трубки, установленной

на

основании.

Вариационные приборы

406

[гл.

Хм

Общее устройство вариационных приборов

407

В верхней части трубки имеется головка кручения, к кото-

рой одним концом прикрепляется кварцевая нить. Головка

может вращаться и закручивать нить для установки магнита

или в направлении меридиана (D-вариометр), или в направле-

нии, ему перпендикулярном (Я-вариометр). Кроме того, при

помощи винта нить может подниматься и опускаться в преде-

лах 1 см для установки магнита в определенном положении.

Магнит представляет призму диаметром 1 мм и длиной 25 мм

из высококоэрцитивного сплава. Для быстрого затухания соб-

ственных колебаний магнита его помещают в цилиндрическую

чашку из красной меди.

Перед зеркалом магнита в трубке имеется отверстие диа-

метром

20.мм,

куда вставлена двояковыпуклая линза. Перед

линзой установлена призма с микрометрическим винтом для

установки световых индексов на барабан. Неподвижное зеркало

для прочерчивания на барабане базисной линии помещено на

стенке трубки в противоположной стороне линзы.л Пучок света

от этого зеркала направляется в барабан при помощи микро-

метрических винтов.

В верхней части трубки имеется хомутик, который можно

перемещать вдоль трубки, в него вставляются два магнитика

параллельно друг другу для частичной компенсаций горизон-

тальной составляющей H и соответственно для увеличения чув-

ствительности вариометра.

Система колец Гельмгольца, которая может вращаться

вокруг вертикальной оси, служит для определения цены деле-

ния и для установки магнита по меридиану или перпендикуляр-

но ему.

Вариометр вертикальной составляющей имеет устройство,

аналогичное устройству полевых магнитных весов, à которых

отсчетная труба заменена линзой, и для направления отражен-

ного пучка света на барабан перед зеркалом магнита помещена

призма с регулировочным винтом. В одних системах магнит

располагается на ножевидной опоре, а в других — на растяну-

тых нитях. На рис. 185 показан внешний вид вариометра Ζ си-

стемы Эшенгагена [71].

Регистрирующий аппарат (рис. 186) представляет прямо-

угольную камеру, внутри которой находится барабан В, вращаю-

щийся при помощи часового механизма С. Перед барабаном

находится цилиндрическая линза L, длина которой равна длине

барабана. Линза крепится к двум ножкам, которые переме-

щаются по дну камеры в направлении, перпендикулярном к об-

разующей цилиндра, для установки линзы на фокус. В перед-

ней крышке камеры имеется щелевидное отверстие О на одном

уровне с линзой для пропускания отраженных пучков света.

406 Вариационные приборы [гл. ХЦ

Длина барабана 200 мм и диаметр 150 мм. Линейные скорости

вращения его могут быть 20 мм/час, 90 мм/час, 4 мм/мин и дру-

гие,

в зависимости от требований, которые предъявляются к

наблюдению вариаций.

Рис. 186. Регистриру ющий'аппарат.

Для получения четкости записи оптическая система должна

фокусировать отраженный источник света в индекс, прибли-

жающийся к точке, чтобы линия записи не превышала несколь-

ких десятых миллиметра. Принцип такой записи у всех станций

один и тот же и состоит в следующем. Расходящийся пучок от

источника света 5 в виде узкой щели или однонитной лампы

накаливания с толщиной нити в 0,1 мм, проходит через линзу L

(рис. 187), помещенную перед зеркалом Ρ магнита вариометра;

§4]

Общее устройство вариационных приборов 40»

падая на него, отражается параллельным пучком, и снова,,

пройдя через линзу, дает в главной фокальной плоскости линзы

FF'

действительное изображение источника света 5, т. е. узкую

щель или нить лампы. В этой же плоскости находится источник

света 5 и цилиндрическая линза L^L^ которая фокусирует изо-

бражение нити накала в точечный индекс, падающий на обра-

зующую цилиндрического барабана В.

При повороте зеркала на

какой-либо угол отражен-

ный пучок также повернется,

и световой индекс S переме-

стится вдоль образующей

барабана. Так как одновре-

менно с движением индекса

барабан вращается вокруг

оси СС, то на ленте, нави-

той на барабан, получается

след индекса в виде линии,

обнаруживаемой при прояв-

лении.

Для наведения отражен-

ных пучков света на бара-

бан регистратора и разме-

щения их на образующей

цилиндра в определенном

порядке каждый вариометр имеет механизм, позволяющий?

вращать отраженный пучок в любом направлении. У неко-

торых систем вариометров этот механизм в виде микрометриче-

ских винтов связан с зеркалом магнита, у других он вынесен

наружу, как это имеет место у вариометров H и D, показанных

на рис. 184, и представляет собой призму, которая при помощи

микрометрических винтов может поворачиваться в двух взаим-

но перпендикулярных направлениях.

Осветительное устройство — узкая щель, освещаемая лам-

пой, или однонитная лампа — помещается рядом с регистри-

рующим аппаратом или же находится на передней крышке*

камеры несколько ниже нулевого отверстия.

Приборы размещаются в таком порядке; чтобы магниты их

не влияли друг на друга и чтобы расходящийся пучок света

от лампы захватывал все вариометры. Расстояние регистри-

рующего аппарата от вариометра устанавливается главным

образом в соответствии с ценой деления вариометра.

В качестве примера на рис. 188 показана вариационная

станция Эшенгагена, установленная во многих обсерваториях

Советского Союза и зарубежных стран.

Рис. 187. Схема оптической записи

вариационных приборов.

410

Вариационные приборы

[гл.

XII

Рис. 188. Вариационная станция.

§ 5. Магнитографы системы Б. Е. Брюнелли

Магнитографы системы Б. Е. Брюнелли предназначены для

работы в экспедиционных условиях, где для них нет специаль-

ного помещения и нормальных условий эксплуатации. Сравни-

тельно редкая сеть существующих магнитных обсерваторий,

особенно в Арктике, не дает возможности детального изучения

магнитных вариаций, так как радиус действия обсерватории

в средних широтах не превышает

400—500

км, а в районах,

близких к зоне полярных сияний, этот радиус сокращается в не-

сколько раз. Поэтому еще до войны возникла потребность в со-

здании такой вариационной станции, которая не требовала бы

ни специального помещения, ни юстировки и налаживания и

могла бы работать при любых метеорологических условиях.