CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI II
GIÁO TRÌNH
MÔ ĐUN: THIẾT BỊ HÀNG HẢI 1
NGHỀ: ĐIỀU KHIỂN TÀU BIỂN
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
Ban hành kèm theo quyết định số:29/QĐ-CĐHH II ngày 13 tháng 10 năm 2021
Của trường Cao Đẳng Hàng Hải II.
(Lưu Hành Nội Bộ)
TP. HCM , năm 2021
Ch¬ng 1
kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ tõ trêng
1.1 T tính và nam châm
1.1.1 Kh¸i niÖm.
Bé phËn chÝnh cña la bµn tõ lµ thµnh phÇn nh¹y c¶m. Thµnh phÇn nh¹y c¶m gåm c¸c
thanh nam ch©m vÜnh cöu, chóng kÕt cÊu víi nhau thµnh mét hÖ thèng gäi lµ hÖ thèng kim tõ.
Lùc ®Þnh híng cña thµnh phÇn nh¹y c¶m ®îc ph¸t sinh díi sù ¶nh hëng cña tõ trêng tr¸i
®Êt. Tõ trêng cña tr¸i ®Êt ®îc h×nh thµnh do sù cÊu t¹o vµ ho¹t ®éng cña lßng ®Êt gåm nhiÒu
má quÆng, kim lo¹i. Nh÷ng lo¹i quÆng hót ®îc m¹t s¾t gäi lµ s¾t tõ. C¸c lo¹i vËt thÓ kh¸c cã
tÝnh chÊt nh trªn: s¾t, thÐp vµ mét sè hîp kim cã tÝnh chÊt tõ ®îc luyÖn tõ theo ph¬ng ph¸p
nh©n t¹o. Nh÷ng vËt thÓ cã tõ tÝnh nh vËy gäi lµ nam ch©m. VËy nh÷ng vËt thÓ hót ®îc s¾t,
thÐp gäi lµ vËt thÓ cã tõ tÝnh. S¾t, thÐp mang tõ tÝnh gäi lµ nam ch©m.
1.1.2 TÝnh chÊt cña nam ch©m.
- Thanh nam ch©m cã 2 ®iÓm tËp trung tõ lùc m¹nh nhÊt gäi lµ tõ cùc. Tõ cùc c¸ch ®Çu
thanh nam ch©m 1 kho¶ng b»ng 1/12 cña 2 (2l lµ kho¶ng c¸ch 2 cùc thanh nam ch©m).
- §êng ®i qua hai tõ cùc gäi lµ trôc tõ.
- Bé phËn gi÷a thanh nam ch©m kh«ng cã tõ tÝnh gäi lµ phÇn trung tÝnh.
- Hai ®Çu thanh nam ch©m cïng tªn th× ®Èy nhau kh¸c tªn th× hót nhau.
- Tõ cùc nam ch©m kh«ng thÓ c¾t rêi ®îc, ta c¾t mét thanh nam ch©m thµnh nhiÒu ®o¹n
th× mçi ®o¹n thµnh mét nam ch©m míi
1.1.3 Søc tõ, tõ khèi , m« men tõ.
- Søc tõ: Lùc ®Èy vµ lùc hót gi÷a hai cùc gäi lµ søc tõ. Quy ®Þnh søc t¸c dông cùc cïng
tªn lµ (+) vµ søc t¸c dông gi÷a hai cùc kh¸c tªn lµ (-).
- Tõ khèi cña nam ch©m lµ khèi lîng tõ chøa ë hai cùc cña nam ch©m. Ký hiÖu: m
- §Þnh luËt Cul«ng :
Qua thÝ nghiÖm Cul«ng chøng minh lùc t¸c dông gi÷a hai cùc cña 2 thanh nam ch©m
tû lÖ thuËn víi tÝch sè tõ khèi cña chóng vµ tû lÖ nghÞch b×nh ph¬ng kho¶ng c¸ch gi÷a hai tõ
khèi. Ta cã:
F = 221
d
mm
μ
(1.2)
m
1 , m2 lµ khèi lîng tõ chøa ë hai cùc cña thanh nam ch©m .
d lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai cùc tõ.
µ : lµ hÖ sè dÉn tõ phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn m«i trêng :
µ = 1 : m«i trêng trong ch©n kh«ng .
µ < 1 : m«i trêng ph¶n tõ lùc t¸c dông lín h¬n trong ch©n kh«ng .
µ > 1 : m«i trêng thuËn tõ lùc t¸c dông nhá h¬n trong ch©n kh«ng .
1.1.4 Tõ trêng - Cêng ®é tõ trêng - §êng søc tõ .
1.1.4.1 Tõ trêng
- Tõ trêng cña thanh nam ch©m lµ kho¶ng kh«ng gian bao quanh nam ch©m mµ ë ®ã cã
tõ lùc t¸c dông
1.1.4.2 Cêng ®é tõ trêng
Gi¸ trÞ c¬ b¶n biÓu thÞ ®Æc tÝnh cña tõ trêng lµ cêng ®é tõ trêng ký hiÖu lµ H. VËy
cêng ®é tõ trêng t¹i mét ®iÓm lµ mét lùc t¸c dông lªn 1 ®¬n vÞ tõ khèi (+) ®Æt t¹i ®iÓm ®ã.
Ta cã c«ng thøc sau :
m
F
H= (1.3)
1.1.4.3 §êng søc tõ
- §êng søc tõ lµ mét ®êng nèi liÒn gi÷a c¸c híng cña cêng ®é tõ trêng t¹i c¸c ®iÓm,
trong tõ trêng ®Òu ®êng søc cã d¹ng ®êng th¼ng, trong tõ trêng kh«ng ®Òu ®êng søc cã
d¹ng cong. (h×nh 1.2)
-Trong thùc tÕ hµng h¶i cho phÐp coi tõ trêng cña tr¸i ®Êt ë kh«ng gian tµu chiÕm chç
lµ tõ trêng ®Òu. Víi gi¶ thiÕt nh vËy ®¬n gi¶n rÊt nhiÒu cho viÖc nghiªn cøu la bµn .
- §êng søc tõ lu«n ®i vµo ë cùc nam (S) vµ ®i ra ë cùc b¾c (N).
1.2 CƯỜNG ĐỘ T TRƯỜNG CA NAM CHÂM THNG
1.2.1 XÐt cêng ®é tõ t¹i mét ®iÓm ë trªn ®êng trung trùc cña thanh nam ch©m.
- XÐt thanh nam ch©m th¼ng NS cã tõ khèi lµ ± m. Kho¶ng c¸ch 2 cùc lµ 2l. XÐt ®iÓm B
trªn ®êng trung trùc thanh NS cã tõ khèi +1 ®¬n vÞ.
Kho¶ng c¸ch OB = d. Gi¶ thiÕt d >> l .
- Gäi cêng ®é tõ trêng cña thanh nam ch©m t¸c dông lªn ®iÓm B lµ H1, gäi lùc t¸c
dông 2 cùc lªn ®iÓm B lµ FN vµ FS hîp lùc cña hai lùc nµy lµ :
SN FFH rrr
+=
1 .
¸p dông ®Þnh luËt Cul«ng ta cã :
)( 22 ld
m
FF SN +
==
XÐt vÒ ®é lín :
d Fs
H1
FN
B
S
N(-)m
(+)m
θ
o
H×nh 1.3
H1 = FNcosθ + FScosθ = cosθ(FS+FN).
MÆt kh¸c ta cã :
2/3
2
2
3
3
2
2
6
322
22
22
1
22 )1(
)1(
)(
2
)
2
(cos
d
l
d
M
d
l
d
M
ld
ml
ld
m
ld
l
H
ld
l
+
=
+
=
+
=
+
+
=
+
=
θ
Tõ gi¶ thiÕt d>>l 2
2
d
l 0 H1 = 3
d
M.
VËy vÐc t¬ cêng ®é tõ trêng H1 cã híng song song víi trôc thanh nam ch©m vµ cã
chiÒu híng vÒ cùc S.
1.2.2 Cêng ®é tõ trêng cña thanh nam ch©m t¸c dông lªn mét ®iÓm trªn ®êng
trôc tõ
- XÐt thanh nam ch©m th¼ng NS cã tõ khèi lµ ± m
Kho¶ng c¸ch 2 cùc lµ 2l.
Tõ khèi ®iÓm A +1 ®¬n vÞ .
Kho¶ng c¸ch tõ A ®Õn trung t©m thanh nam ch©m OA = d. Gi¶ thiÕt d>>L.
- XÐt cêng ®é tõ trêng t¸c dông lªn ®iÓm A lµ H2:
Ta gäi lùc tõ t¸c dông cña cùc N lµ FN, cùc S lµ FS
3
22
d
M
H=
- M lµ m« men tõ cña thanh nam ch©m.
VËy vÐc t¬ cêng ®é tõ trêng H2 cã ph¬ng trïng víi ph¬ng cña trôc däc thanh nam
ch©m, chiÒu tõ ®Çu N ®i ra.
1.2.3 Cêng ®é tõ trêng cña thanh nam ch©m th¼ng t¸c dông lªn mét ®iÓm n»m ë
vÞ trÝ bÊt kú.
1.3. Sù t¸c dông lÉn nhau cña hai thanh nam ch©m ®Æt trong tõ trêng
®Òu.
- XÐt thanh nam ch©m NS cã tõ khèi ± m, kho¶ng c¸ch gi÷a hai cùc lµ 2l . XÐt ®iÓm C ë
vÞ trÝ bÊt kú cã tõ khèi +1®¬n vÞ, gäi kho¶ng c¸ch OC = d, gi¶ thiÕt d>>l . Gi¶ sö thanh nam
ch©m NS cã m« men lµ M. Ta chiÕu vÐc t¬ M lªn 2 híng OC vµ híng vu«ng gãc víi OC ta
®îc M1vµ M2 b»ng c¸ch ®ã ta thay thanh nam ch©m NS thµnh 2 thanh nam ch©m N'S' vµ N"S".
Mét thanh N'S' cã ®iÓm C n»m trªn ®êng trung trùc. Mét thanh N"S" cã ®iÓm C n»m trªn
®êng trung trùc .
NA = 2lsinδ
Díi t¸c dông cña m« men quay nµy, kim nam ch©m sÏ quay vµ ®Þnh híng däc theo
híng cña vÐc t¬ cêng ®é tõ trêng H
r
. Gi¸ trÞ m« men quay ký hiÖu lµ P ®îc tÝnh
theo c«ng thøc .
P = 2lmHsinδ (4) (1.7)
Gi¶ sö t¹i mét vÞ trÝ nµo ®ã trong kh«ng gian xung quanh kim nam ch©m ta ®Æt mét
thanh nam ch©m th¼ng N-S cè ®Þnh , cã m« men tõ lµ M
Cêng ®é tõ trêng cña thanh nam ch©m N-S ë träng t©m cña thanh nam ch©m ta tÝnh
®îc theo c«ng thøc ®· nghiªn cøu ë 1.2 .
1.4.1.1 C¸c chÊt s¾t tõ .
C¸c chÊt s¾t tõ cã ®é tõ thÊm rÊt lín (μ >> 1), nªn nã cã kh¶ n¨ng tõ ho¸ ®Æc biÖt .
Kh¶ n¨ng tõ ho¸ ®Æc biÖt cña vËt thÓ s¾t tõ cã thÓ ®îc gi¶i thÝch nh sau :
+ VËt thÓ s¾t tõ ®îc cÊu t¹o bëi v« sè c¸c nam ch©m ph©n tö. NÕu c¸c nam ch©m ph©n
tö chuyÓn ®éng hçn lo¹n th× lùc t¸c dông gi÷a chóng trong trêng hîp tæng qu¸t b»ng 0 vµ vËt
thÓ kh«ng cã tõ tÝnh. C¸c nam ch©m ph©n tö t¸c dông t¬ng hç vµ gi÷a chóng ë vÞ trÝ c©n
b»ng. + NÕu ta ®em vËt thÓ s¾t nµy ®Æt vµo trong mét tõ trêng, díi t¸c dông cña c¸c lùc , c¸c
nam ch©m ph©n tö bÞ ®Þnh híng theo híng x¸c ®Þnh, nghÜa lµ nã bÞ tõ ho¸. Sau khi tÊt c¶ c¸c
nam ch©m ph©n tö ®· ®Þnh híng theo tõ trêng ngoµi th× nã ë t×nh tr¹ng b·o hoµ tõ vµ kh«ng
cã kh¼ n¨ng tõ ho¸ h¬n n÷a .
+ NÕu ta triÖt tiªu tõ trêng tõ ho¸ bªn ngoµi, th× do lùc t¸c dông t¬ng hç gi÷a c¸c ph©n
tö l¹i lµm chóng chuyÓn ®éng hçn lo¹n trë vÒ t×nh tr¹ng ®Çu. Nhng do hiÖn tîng ®Þnh híng
song song cña c¸c nam ch©m ph©n tö, mÆt kh¸c lùc t¸c dông t¬ng hç gi÷a chóng ph¸t sinh
kh«ng hoµn toµn nh t×nh tr¹ng ban ®Çu, do vËy chóng vÉn cßn mét lîng tõ d khi tõ trêng
bªn ngoµi triÖt tiªu, chóng cã thÓ trë thµnh nam ch©m .
1.4.1.2 C¸c chÊt thuËn tõ .
C¸c chÊt thuËn tõ cã ®é tõ thÈm μ >1®¬n vÞ, chÊt nµy bÞ tõ ho¸ theo híng cña tõ trêng
ngoµi. Nhng do chuyÓn ®éng nhiÖt ph©n tö ë trong chÊt thuËn tõ ®· lµm gi¶m kh¶ n¨ng ®Þnh
híng cña nam ch©m ph©n tö , v× vËy chÊt thuËn tõ bÞ tõ ho¸ yÕu kh«ng dïng lµm nam ch©m
vÜnh cöu .
* La bµn tõ ®îc ®Æt trong tõ trêng cña tr¸i ®Êt. Trong qu¸ tr×nh xÐt coi tõ trêng cña
tr¸i ®Êt lµ ®Òu, ®îc tiÕn hµnh sö dông mét thanh nam ch©m th¼ng ®Æt cè ®Þnh trong th©n la
bµn, vµ mét kim nam ch©m ®Æt trªn chËu la bµn cã kh¶ n¨ng quay quanh träng t©m cña nã.
§Ó ®¬n gi¶n ta biÓu diÔn thanh nam ch©m vµ kim nam ch©m díi d¹ng s¬ ®å (H×nh 1.6).
NÕu kim nam ch©m NS cã m« men lµ 2ml, ®Æt trong tõ trêng ®Òu cã cêng ®é tõ trêng H ,
th× chóng chÞu t¸c dông cña hai lùc lµ +mH vµ -mH (H×nh 1.6). C¸c lùc +mH , -mH t¹o víi
nhau thµnh mét ngÉu lùc víi c¸ch tay ®ßn lµ NA .