Магнитный компас: от древней навигации к современным применениям

История возникновения

Компас — точное прибор, определяющий стороны света на поверхности Земли.

Самый известный вариант — магнитный компас, который использует склонность магнита выравниваться с магнитным полем планеты.

Другие направляющие инструменты — солнечные, звездные или гироскопические компасы — используют положение Солнца, звездные координаты или инерцию вращающейся массы для определения ориентации.

Ядро магнитного компаса состоит из тонкой магнитной стрелки, лимба с четырьмя основными направлениями и корпуса, удерживающего компоненты стабильными. Базовые модели, часто продаваемые как игрушки, могут не иметь дополнительных функций, в то время как профессиональные компасы включают защитные чехлы, оптические прицелы и прозрачную базовую пластину, которую можно класть прямо на карту.

Многие современные компасы обладают автоматической коррекцией деklinации. Деклинация, или магнитное склонение — угловая разница между магнитным Севером и истинным Севером, которая варьируется по всему миру. Когда местная деклinaция известна, прибор может показывать истинное направление без необходимости пользователю вручную корректировать показания.

История

К 500 г. до н.э. древний мир открыл, что магнитный железняк — естественным образом намагниченный минерал оксида железа — притягивает железо. Первое документированное использование свободно движущегося железняка, выравнивающегося север-юг, восходит к китайцам, которые использовали магнитные компасы к 1100 г. н.э. Западная Европа и арабский мир приняли технологию к 1200 г. н.э., а скандинавы — к 1300 г. н.э.

Ранние приборы были просты: кусок железняка на деревянном, пробковом или тростниковом стержне плавал в чаше с водой. Последующие итерации заменили камень иглой, опорной на иголку под чашей, а к 13 веку к игле прикрепили направляющую карту. 16 век ввел карданные подвесы, позволяющие компасу оставаться горизонтальным на качающихся судах.

В 1745 году английский изобретатель Гоуин Найт открыл метод постоянного намагничивания стали, позволяя стальным иглам заменить железняк. Восхождение железа и стали в судостроении раннего 19 века нарушило точность компаса, побудив Британский адмиралтейство в 1837 году создать комиссию для расследования. Прорыв 1840 года — четырехигольная конструкция — преодолел магнитные помехи и быстро принят флотами во всем мире.

До середины 19 века навигаторы использовали как сухие, так и жидкие компасы. Сухие модели были уязвимы к ударам, в то время как жидкие течь и были трудно ремонтируемы. Прогресс 1862 года сделал жидкие компасы превосходными, делая сухие устаревшими для морского использования. К Первой мировой войне Британская армия развернула жидкие компасы на суше, и они остаются эталоном для ручных магнитных приборов.

Сырьё

Стрелка должна быть изготовлена из металла, удерживающего намагниченность длительные периоды. Сталь — сплав железа и следов углерода — стандартный выбор. Её сырьё — железная руда и кокс (углерод из угля), с дополнительными элементами, такими как кобальт, иногда добавляемыми для повышения магнитной стойкости.

Корпус часто использует акриловые пластики вроде полиметилметакрилата (PMMA), производимого из мономеров метилметакрилата, полимеризованных в Lucite или Plexiglas. PMMA ценится за прочность и оптическую чистоту.

Производственный процесс

Изготовление стрелки

• 1. Железную руду, кокс и известняк нагревают в доменной печи под давлением воздуха. Кокс дает тепло, плавит руду, а угарный газ реагирует с оксидами железа, высвобождая расплавленное железо. Известняк удаляет примеси, такие как сера, формируя шлак, который всплывает и утилизируется. Полученное чугунное железо содержит ~90% железа, 3–5% углерода и различные примеси.
• 2. Кислород дуют в расплавленное чугунное железо для окисления оставшегося углерода и примесей. Очищенная сталь ливают в формы и остужают в массивные слитки.
• 3. Слитки переплавивают до около 2200 °F (1200 °C) и прокаткивают между канавчатыми валами в плиты. Повторная резка, переплавка и прокатка дают тонкие листы, пригодные для изготовления стрелок. Острый штамп вырезает форму каждой стрелки из листа, позволяя производить множество стрелок из одной полосы.
• 4. На заводе компасов стрелки вручную вставляют в держатели на автоматизированном вращающемся столе. Пока он вращается, «северный» кончик получает красную краску распылением, «южный» — белую, и вся стрелка подвергается сильному магнитному полю от электронного намагничивателя.
• 5. После намагничивания стрелки сушат — иногда в печи — для обеспечения адгезии краски. Их хранят до сборки.

Изготовление корпуса

• 6. Полиметилметакрилат синтезируют полимеризацией метилметакрилата под светом, теплом или химическими катализаторами. Полученный PMMA плавится и впрыскивают в формы для формирования компонентов корпуса. После остывания твердые детали извлекают, отправляют производителю компасов и хранят до необходимости. Фронтальный и боковой вид простого компаса с опорной иглой.

Сборка компаса

• 7. Получив заказ, менеджер завода выпускает необходимые детали рабочим на сборочной линии. Пластиковые компоненты щелкают вместе, и некоторые проходят через принтеры, штампующие логотипы или масштабы карт.
• 8. Флакон, держащий стрелку, критичен. Стрелка балансирует на опоре для свободного движения. В то время как недорогие модели используют стальные опоры, высококлассные компасы применяют драгоценные опоры — из твердых сплавов вроде осмий-иридий с капсулой из искусственного сапфира — для сопротивления износу.
• 9. Флаконы заполняют прозрачной демпфирующей жидкостью, обычно смесью этилового спирта и воды, обеспечивающей быстрое устойчивание стрелки после возмущения.
• 10. Герметизация флакона использует ультразвуковую сварку, которая плавит пластик локально ультразвуковыми волнами, избегая тепла, способного изменить намагниченность. Загерметизированный флакон затем щелкает на базовую пластину. Компас с базовой пластиной.
• 11. Готовые компасы упаковывают — обычно в раковинную или блистерную упаковку — для защиты от кражи и повреждений, затем укладывают в коробки и отправляют оптовикам.

Контроль качества

Каждый производственный этап включает визуальный контроль для устранения дефектов вроде печатных ошибок или пузырей в демпфирующей жидкости. Магнитная стрелка редко бракована; когда игла выходит из строя, это обычно из-за воздействия сильных магнитных или электрических полей, что можно исправить перемагничиванием.

В конечном счете, компетентность пользователя первостепенна. Компасы надежны только при правильной эксплуатации. Правильная коррекция деклinaции необходима; ее упущение может вносить ошибки в несколько градусов, потенциально сбивая навигатора с курса на мили. Ориентиринг — соревновательная навигация по карте и компасу — предлагает увлекательный способ овладения этими навыками.

Будущее

В 1970-х ВМС США запустили Глобальную систему позиционирования (GPS), созвездие 24 спутников с атомными часами. Завершенная в 1993 году, GPS дает позиционную точность примерно в 30 м (100 футов) для портативных устройств.

Пока GPS может казаться заменой магнитному компасу, он на самом деле дополняет его. GPS дает позицию, но не направление, поэтому многие производители рекомендуют сочетать GPS-приемники с компасом. В отличие от GPS, магнитный компас не требует питания и остается функциональным под густой кроной деревьев или в зданиях, блокирующих спутниковые сигналы. Таким образом, даже по мере развития навигационных технологий магнитный компас сохраняет свою незаменимую роль.