Энциклопедия Брокгауза и Ефрона - магнитные приборы

для наблюдения земного магнетизма: I) для абсолютных наблюдений, II) для вариационных и III) магнитограф.

I. М. приборы для абсолютных измерений элементов земного магнетизма (см.). Простейший прибор для определения склонения — буссоль склонения, или азимутальный компас (см. Буссоль). После установки буссоли помощью уровня визирную линию диоптров направляют на отдаленный значок, или "миру" (крест церкви, шпиц башни и проч.), азимут которого определен астрономически, затем поворачивают линейку с коробкой, пока нить диоптра не разделит магнита буссоли пополам. Разница среднеарифметических величин отсчетов на обоих концах М. стрелки даст угол между стрелкой и направлением на миру, зная азимут которой, найдем склонение. Погрешность от несовпадения магнитной и геометрической осей стрелки устраняется перевертыванием последней около ее оси на 180° (прием Гаусса). Замена диоптров зрительной трубой (напр. в буссоли Гамбея) делает прибор более точным, но все же точность определения им склонения не превышает 15'. Гораздо более точный прибор для той же цели — однонитный магнитометр Гаусса. Он состоит из подвешенного горизонтально на пучке коконовых нитей магнита ns (фиг. 1) длиной в 7 дециметров, с перпендикулярным к нему (т. е. к его М. оси) зеркалом P, и обыкновенного теодолита на расстоянии около 5 м от него, со шкалой НН1, разделенной на мм.Фиг. 1.

В поле зрения трубы видно отраженное изображение последней. Предварительно измеряют расстояние zm и смотрят, какое деление шкалы соответствует середине трубы (среднее или нормальное деление). Для определения склонения замечают, какое деление приходится в данный момент посредине поля зрения трубы (положим, что х; zy — нормаль к зеркалу; Ð xzy = Ð yzm = Ð α). По формуле (А) α = xm/2zmntg1' найдем угол α, образованный нормалью и оптической осью трубы (в минутах), так как хт и zm известны. Зная азимут какой-нибудь миры, направим трубу по географическому меридиану NS. Разность отсчетов по лимбу теодолита даст Ð β, а склонение δ найдем, вычтя Ð α из Ð β. Точность, с которой получается склонение при помощи описанного прибора, легко может быть доведена до ¹/5". Магнитометр Гаусса пригоден лишь для обсерваторий. Для наблюдений во время путешествий Ламон устроил "походный М. теодолит" (фиг. 1 таблицы), состоящий из: 1) неподвижной части — массивного круга АА1 на трех винтовых ножках и лимба ВВ1, и 2) подвижной, которую можно повернуть около вертикальной оси прибора — коробки К с окошками Р, трубы LL1, к кругу кручения которой подвешен магнит ns с зеркальцем, приходящимся между окошками, и зрительной трубы FE1. Окошко т последней служит для освещения сетки. Если оптическая ось трубы нормальна к зеркалу магнита, то в поле зрения видны совпадающими два изображения сетки — непосредственное и отраженное от зеркала. Прибор сделан из чистой меди. Для определения склонения устанавливают зрительную трубу так, чтобы изображения сетки совпали, а затем, сняв коробку с магнитом, наводят трубу на миру. По разности отсчетов по лимбу, зная азимут миры, вычисляют склонение. Нет надобности точно устанавливать зеркало перпендикулярно к М. оси магнита: погрешность, от этого происходящую, легко устранить перевертыванием магнита на 180° около его оси. Точность прибора доходит всего лишь до 20". Бывший директор главной физической обсерватории, Г. И. Вильд, видоизменил М. теодолит Ламона, причем, между прочим, приделал к нему инклинатор и вертикальный круг с делениями; по его указаниям сделан ряд таких приборов, называемых универсальными М. приборами и однонитными М. теодолитами; ими можно производить и астрономические наблюдения. Точность определения склонения доведена Г. И. Вильдом до 5". Менее точен, но зато гораздо переноснее (с ящиком весит всего 4 кг) прибор Маскара (фиг. 2 табл.). Он пригоден и для астрономических наблюдений. При помощи его Муро произвел весьма много наблюдений во Франции и в Северной Африке.

Для определения М. наклонения употребляется инклинатор (см.). М. стрелка при помощи тонкой цилиндрической стальной оси (фиг. 3 табл.), которой она лежит на двух агатовых пластинках на рамках FF1 и ЕЕ1, может свободно вращаться в вертикальной плоскости, а рамка с вертикальным кругом с делениями может быть поворачиваема около вертикальной оси прибора; горизонтальный круг с делениями и нижняя часть прибора неподвижны. Для определения наклонения после установки его помощью уровня G повертывают всю верхнюю часть прибора, пока стрелка не станет отвесно, а после этого еще на 90°. Таким образом устанавливают вертикальный круг в М. меридиане, а затем находят наклон стрелки к горизонту. Для устранения инструментальных погрешностей прибегают к приемам Гаусса (см. Инклинатор). Точность прибора едва превышает ¹/2' Фиг. 4 таблицы представляет другой прибор для определения наклонения — земной индуктор (см.) Вебера в том виде, в котором он делается у Эдельмана (Мюнхен). Катушка R со многими оборотами толстой изолированной медной проволоки может быть поворачиваема ручкой К на 180° около вертикальной оси X, поддерживаемой стойкой L, которая сама может быть повернута около оси Y так, чтобы ось Х стала горизонтальной. Концы проволоки соединены с зажимами α и β, а последние — с гальванометром. Устанавливают прибор так, чтобы ось Х была отвесна, а плоскости оборотов проволоки перпендикулярны к М. меридиану. При поворачивании катушки на 180° развивается ток, сила которого J1, измеряемая гальванометром, пропорциональна горизонтальной составляющей силе земного магнетизма. Затем приводят ось Х в горизонтальное положение (в М. меридиане) и, поворачивая катушку на 180°, развивают ток, сила которого J2 пропорциональна вертикальной составляющей. Наклонение i находят по формуле tgi = J2/J1. Точность прибора почти такова же, как и точность инклинатора. Г. И. Вильд усовершенствовал индуктор Вебера, причем ввел иной метод наблюдений: поворачивая ось вращения катушки в плоскости М. меридиана, подыскивают два таких положения ее (по ту и по другую сторону направления полной силы земного магнетизма), при которых стрелка мультипликатора отклоняется на один и тот же угол; разделив пополам угол между этими двумя направлениями оси, получают направление полной силы, после чего нетрудно найти и наклонение. По исследованию Г. И. Вильда, такой прибор дает наклонение с точностью до 4", значительно превышающей точность до сих пор употреблявшихся инклинаторов и индукторов. Единственный прибор такого рода, бывший в Константиновской магнитной обсерватории в Павловске, пожаром приведен в полную негодность; по сохранившимся рисункам и чертежам приступлено к постройке нового. Ламон определял наклонение помощью своего теодолита, на который он насаживал медное кольцо RR1 (фиг. 2) с двумя отвесными цилиндрами из мягкого железа wr и pq так, чтобы нижний конец одного и верхний другого пришлись на одной высоте с висящим в коробке магнитом и чтобы плоскость их была перпендикулярна к М. меридиану.Фиг. 2.

Под влиянием Земли в цилиндрах индуктируется магнетизм — один в нижней части, другой — в верхней части каждого. М. момент цилиндров пропорционален вертикальной составляющей силе земного магнетизма. Магнит в коробке отклоняется на угол φ, который определяют при помощи трубы и круга с делениями. Наклонение i получается по формуле tgi = Ksinφ, где К есть некоторая постоянная, определяемая по сравнению с обыкновенным инклинатором. Прибор для абсолютных наблюдений малопригоден, так как вследствие быстро изменяющейся индуктивной способности железа необходимо часто определять постоянную К, а между тем точность его не превышает точности инклинатора. Более пригоден он, как вариационный.

Для определения горизонтальной составляющей силы земного магнетизма Н, под которой подразумевается сила, действующая на единицу северного магнетизма, в абсолютных единицах (см.), Гаусс, основываясь на идее, высказанной Пуассоном, предложил весьма точный способ, состоящий из двух частей: 1) из определения отношения Н/М, где М есть М. момент некоторого магнита, и 2) из определения произведения НМ. Перемножая выражения для Н/М и НМ и извлекая квадратный корень, получаем Н. Н/М находится из наблюдений над отклонением магнитом, М. момент которого обозначен через М (отклоняющий магнит), другого магнита, могущего свободно поворачиваться около вертикальной оси, a HM — из наблюдений над качанием отклоняющего магнита. Измеряя длину миллиметрами, массу миллиграммами, время секундами средн. солн. вр., получаем H в единицах силы Гаусса [Приблизительно эта сила равна ¹/9780 веса миллиграмма. Но вес миллигр. величина, переменная по отношению ко времени и пространству, а единица Гаусса от них не зависит (абсолютная).], измеряя же их сант., грамм. и секундами, как это часто делают в последнее время, получаем ее в электрических единицах (cgs) [Тоже абсолютная, равная приблизительно ¹/978 веса грамма.]. По способу Гаусса можно определить Н при помощи его магнитометра и посредством магнитного теодолита Ламона (или приборов представляющих видоизменения последнего — Бильда, Маскара). Ввиду того, что, в сущности, приемы в том и другом случае одинаковы, а также того, что теодолиты в настоящее время употребляются не только для наблюдений во время путешествий, но и в постоянных обсерваториях, ограничимся кратким изложением лишь того приема, который применяется к теодолитам. На нить теодолита подвешивают отклоняемый магнит с зеркальцем и наводят зрительную трубу так, чтобы изображения сетки совпали; делают отсчет по лимбу; на особую горизонтальную медную линейку с делениями, перпендикулярную к зрительной трубе, на высоте первого магнита кладут отклоняющий магнит (фиг. 1 таблицы); поворачивают трубу (с линейкой и магнитом), пока не достигнут снова совпадения изображений сетки, и делают отсчет. Разность отсчетов дает угол отклонения φ от магнитного меридиана висящего магнита перпендикулярным к нему отклоняющим магнитом [Из сказанного видно, что для определения горизонтальной силы надо иметь два магнита. Гаусс употреблял большие магниты, в несколько дециметров длиной, Ламон — маленькие, в несколько сантиметров, с зеркальцами посередине.]. Расстояние между серединами магнитов е определяется по делениям линейки. Имеем формулу

H/M = (2/e³sinφ)(1 + h/e²)... (1)

где h/e² есть дробь, очень малая в сравнении с 1, h — величина, которую для некоторого промежутка времени (нескольких лет) можно считать постоянной. Ее нетрудно определить, сделав наблюдение на другом расстоянии е1, при чем получим другой угол φ1. Формула:

H/M = (2/e1³sinφ1)(1 + h/e1²)... (2).

Из двух уравнений (1) и (2) с двумя неизвестными Н/М и h находим h и подставляем найденную величину в уравнение (1). Помощью последнего, определив в любой момент угол отклонения, соответствующий какому-нибудь расстоянию е, можем вычислить Н/М. Для устранения инструментальных погрешностей находят отклонение несколько раз, перевертывая отклоняющий магнит его концами и перекладывая его по другую сторону теодолита, и берут арифметическое среднее. При определении Н/М нить, очевидно, не закручивается. Затем подвешивают на нить вместо отклоняемого магнита отклоняющий, выводят его, приблизив к нему на один момент какой-нибудь маленький магнит, из положения равновесия и заставляют его таким образом качаться. На основании ряда определений по хронометру моментов совпадения изображений сетки находят время одного качания магнита Т (т. е. время между двумя последовательными прохождениями магнита через положение равновесия). Для вычисления НМ служит формула:

НМ = π²К/Т² ... (3)

где К есть момент инерции (см.) магнита (пост. вел.), а π — отношение окружности к диаметру. Для магнита прямоугольной формы, без зеркала и медной оправы, К вычисляется по формуле:

К = 1/12(l² + b²)P... (4)

где l — длина, b — ширина, Р — масса магнита. Для магнита более сложного, как в теодолите Ламона, К определяют из времен качания магнита Т1 и магнита с медным цилиндрическим кольцом T2, накладываемым на него так, чтобы ось кольца совпадала с нитью, по формуле:

K = (RT1²)/(T2² — 1), где R = 1/8(D² + d²)P1,

причем D и d — наружный и внутренний диаметры, а P1 — масса кольца. Комбинация уравнений (1) и (3) дает ,

где А есть постоянная величина: .

Предполагается, что e всегда одно и то же. Таким образом, получив из наблюдений T и φ, по формуле (5) легко найти H. Из формул: (5), (6) и (4) нетрудно видеть, что для перевода числа, выражающего H в единицах силы Гаусса, в число, выражающее Н в единицах cgs, служит множитель 1/10. Напр., если в един. Гаусса Н = 2,1578, то в единицах cgs величина H = 0,21578.

Способ, приведенный выше, вполне пригоден для магнитных съемок (см. Магнитные наблюдения), в которых очень большой точности не требуется. При наблюдениях в обсерваториях стремятся получать более точные величины, принимая во внимание температуру магнита при отклонении t и качании τ (приводят к 0°), кручение (см.) нити при качании Δ, величину отклонения магнита при качании α, суточный ход хронометра s, влияние индукции земн. магнетизма в магните ν. Точная формула в том виде, как ее представил Г. И. Вильд, следующая:,

где μ есть температуратурный коэффициент магнита (см.); Δ, предполагается, дано в минутах, α — в градусах; Н во второй части берется приблизительное. А имеет значение, указанное в формуле (6), в которой К и l должны соответствовать 0°. Точность, достигнутая Г. И. Вильдом при определении Н его однонитным магнитным теодолитом, превышает 0,00005 ед. Гаусса. Если же не принимать во внимание указанных поправок, то результат получается с точностью значительно меньшею.

В 1893 г. Г. И. Вильд устроил особый инструмент для магнитных и астрономических наблюдений во время путешествий. При помощи его склонение и горизонтальная сила определяются обычным образом, наклонение же — видоизмененным по идее Маскара индуктором Вебера: отыскивается такое положение оси катушки, поворачиваемой в плоскости магнитного меридиана, при котором чувствительный гальванометр тока не обнаруживает; это положение совпадает с направлением полной силы; определяя угол между этим и горизонтальным положениями оси, получаем наклонение. По исследованиям Г. И. Вильда, этим прибором склонение и наклонение даются с точностью до 20", а горизонтальная сила с точностью до 0,0002 ед. Гаусса, что для магнитных съемок, для которых прибор предназначен, более чем достаточно. Зная H и i, найдем полную силу Т и вертикальную составляющую ее V при помощи формул:

T = H/cosi; V = Htangi.

II) M. приборы вариационные служат для определения изменений элементов земного магнетизма в течение какого угодно промежутка времени. При помощи их и производимых от времени до времени (например раз в месяц) абсолютных наблюдений можно определить и абсолютные величины элементов для любого момента. Вариационные приборы устанавливаются в постоянных магнитных обсерваториях. — Отсчеты по ним так же просты, как отсчеты по термометру, и делаются обыкновенно в 8 ч. у., 2 ч. дня и 10 ч. веч. Наиболее употребительны: вариационный однонитный магнитометр Гаусса (для склонения), вариационный двунитный магнитометр Гаусса (для гориз. силы) и Ллойдовы весы (для вертикальной силы).

Первый прибор устроен так же, как и однонитный магнитометр Гаусса для абсолютных измерений, только зрительная труба не снабжена горизонтальным кругом с делениями. Шкала разделена на 600 мм, среднее (нормальное) деление 300; установка обыкновенно такова, что возрастанию делений шкалы в поле зрения трубы соответствует увеличение зап. склонения. Предварительно измеряют zm (фиг. 1) и находят значение ε одного деления шкалы, т. е. угол, на который поворачивается магнит при перемещении изображения шкалы на одно деление, по формуле (А), положив в ней xm = 1 мм. Для большего удобства подбирают расстояние zm так, чтобы ε было равно 1. Заметив, на сколько делений переместилось изображение шкалы, легко найти, насколько изменилось склонение (если, напр., на 7 делений, то на 7'). Абсолютное склонение δ, соответствующее какому-нибудь отсчету n, находят по формуле δ = D + ε(n — 300), где D есть склонение, соответствующее делению 300, определяемое предварительно по сравнению с показанием абсолютного прибора (по той же самой формуле, в которой все величины, кроме D, будут известны).

Двунитный магнитометр Гаусса (см. Бифиляр) устроен совершенно так же, как и однонитный, только нить двойная. Круг кручения (конус чертежа в сл. Бифиляр) поворачивают, пока магнит не станет перпендикулярно к М. меридиану. При изменении горизонтальной силы земного магнетизма перемещается изображение шкалы в поле зрения трубы. Устанавливают прибор так, чтобы возрастанию делений изображения шкалы соответствовало увеличение горизонтальной силы. Значение одного деления шкалы ω определяют по формуле ω = HCotgZ∙ε1 где H — гориз. сила при установке, Z — угол, на который двойная нить закручена, ε1 — угол, на который повертывается магнит при перемещении изображения шкалы на одно деление (его находят, как в предыдущем приборе). Зная ω, легко найти изменение горизонтальной силы, соответствующее перемещению изображения шкалы на т делений (оно = ωm; напр. если ω = 0,0002 ед. Гаусса, a m = 25 дел., то искомое изменение = 0,005 ед. Гаусса). Абсолютная величина горизонтальной силы H в какой-нибудь момент, по отсчету n, находится по формуле Н = Н300 + ω(n — 300), где Н300 соответствует делению 300 и определяется подобно тому, как в предыдущем приборе.

Ллойдовы весы состоят из большого магнита, могущего свободно поворачиваться в вертикальной плоскости (обыкновенно перпендикулярной к плоскости М. меридиана; можно и в другой) на острие приделанной к нему трехгранной стальной призмы, которая опирается на две горизонтальные агатовые пластинки; к верхней грани магнита параллельно ей прикреплено зеркальце, отражающая поверхность которого направлена вверх. При помощи винта с гайкой, приделанного к южному концу магнита (в нашем полушарии), последний устанавливается горизонтально. На некотором расстоянии от магнита, как в предыдущих приборах, помещают зрительную трубу со шкалой, а для того, чтобы лучи от шкалы попали на зеркало и после отражения снова в трубу, над зеркалом устанавливают призму с полным внутренним отражением. При изменении величины вертикальной силы магнит поворачивается на ребре призмы в ту или другую сторону, смотря по тому, в какую сторону изменяется величина силы. Значение одного деления шкалы ξ находят по формуле ξ = AVε2, где V есть величина вертикальной силы при установке прибора, ε2 имеет такое же значение и так же определяется, как и в предыдущих приборах; А есть некоторая постоянная. Ее вычисляют по формуле А = Cotgi(tangU2/tangU1), где i — наклонение, U1 — угол отклонения магнита Ллойдовых весов особым магнитом, помещаемым отвесно в некотором расстоянии от него в вертикальной плоскости, через него проходящей; U2 — угол отклонения магнита однонитного магнитометра тем же магнитом, совершенно так же относительно его устанавливаемым. Если, напр., ξ = 0,0003 ед. Гаусса, то перемещению изображения шкалы на 6 делений соответствует изменение вертикальной силы, равное 0,0018 ед. Гаусса. Для определения по отсчету абсолютной величины вертикальной силы служит формула, аналогичная формулам двух предыдущих приборов. Каждый из магнитов описанных приборов находится внутри особого цилиндрическ. медного кольца (см. Успокоитель) для предохранения его от излишних колебаний. На показания двунитного магнитометра, а отчасти и на показания двух других приборов оказывает влияние температура, а потому их устанавливают в особом помещении (с двойными стенами или под поверхностью земли), температура которого в течение года мало изменяется. Для двунитного магнитометра Ламон, Брук и Вильд, а для Ллойдовых весов Ллойд устроили особые компенсаторы, благодаря которым влияние температуры устраняется. Близость железных масс не мешает, лишь бы они были постоянны.

III. Магнитограф, или самопишущий магнитометр, служит для получения непрерывных записей хода элементов земного магнетизма. Первый такой прибор был изготовлен по указаниям Вельша механиком Эди для обсерватории в Кью, в 1857 г. Магнитограф помещается в темной комнате, в которой температура в течение года мало изменяется, и состоит из однонитного и двунитного магнитометров и Ллойдовых весов, установленных на трех массивных каменных столбах, основания которых глубоко врыты в землю во избежание колебаний; на четвертом столбе, между первыми тремя, помещена записывающая часть. Записывание производится фотографическим способом и в сущности одинаково для всех трех элементов. Лампа а (фиг. 3) посылает лучи, проходящие через двояковыпуклое стекло b и собирающиеся у вертикальной щели с; отсюда они идут по деревянной трубе через собирательное стекло d и падают в виде плоского отвесного пучка на зеркало kl магнита однонитного магнитометра.Фиг. 3.

После отражения они направляются к цилиндру h с горизонтальной осью, на который наложена светочувствительная бумага и который установлен в таком расстоянии, чтобы на бумаге могло получиться изображение щели. Перед цилиндром ставят полуцилиндрическое стекло (ось горизонтальна), которое собирает лучи в точку. Цилиндр при помощи часового механизма медленно вращается и полный оборот совершает в 24 часа. Светлая точка описывает на поверхности его линию, ход которой находится в зависимости от изменения положения магнита, т. е. от изменения склонения. Магнит D (фиг. 5 таблицы) окружен медным успокоителем, предохраняющим его от раскачиваний. К магниту прикреплено полукруглое зеркальце F, под которым находится неподвижное зеркальце F'. Пучок лучей падает на оба и, отразясь от обоих, дает на цилиндре две точки, из которых точка, соответствующая зеркальцу F', описывает линию, перпендикулярную к производящим (постоянная линия). По прошествии суток бумагу снимают, проявляют и закрепляют. По изменению расстояния от постоянной линии до кривой (т. е. по ординате) судят о ходе склонения. Абсолютную величину склонения для какого-нибудь момента определяют по формуле:

W = W1 + nk

где n — длина ординаты, k — значение 1 мм ординаты, W1 — склонение, соответствующее постоянной линии. Вблизи магнита помещен соленоид, соединенный с гальванической батареей и часами; через каждый час в нем проходит кратковременный ток, заставляющий магнит колебаться, отчего на линии, описываемой светлой точкой, соответствующей подвижному зеркальцу, являются поперечные черточки, по которым судят о времени. По прекращении тока магнит благодаря медному успокоителю быстро приходит в покой и продолжает записывать прерванную линию. Совершенно подобным же образом устроены и остальные части магнитографа, записывающие горизонтальную и вертикальную силы: hh на фиг. 3 — цилиндры для этих частей; i — общий часовой механизм. Запись вертикальной силы резко отличается от записей склонения и горизонтальной силы плавностью хода и малым числом зигзагов, что объясняется малой чувствительностью Ллойдовых весов. Весь прибор покрыт деревянным футляром.

Литература. Gauss, "Intensitas vis magneticae ad mensuram absolutam" (Геттинген, 1833, в "Pogg. Ann.", XXVIII); Lamont, "Handbuch des Erdmagnetismus" (1849); его же, "Ueber die Messung der Inclinations-Variationen mittelst der Induction weicher Eisenstäbe" ("Pogg. Ann.", CIX); H. Wild, "Ueber ein neues magnetisches Universal-Instrument" ("Repert. für Meteor.", т. III, 1872); его же, "Neuer magnetischer Unifilar-Theodolith" ("Mém. de l'Acad. des Sciences de St.-Petersbourg", VII Serie, т. XXXV, 1888); его же, "Inductions-Inclinatorium neuer Construction etc." ("Mém. de l'Acad.", VII Série, т. XXXVIII, 1891); его же, "Наставление к производству магнитных наблюдений во время путешествий" ("Прилож. к Х т. "Зап. Акд. наук", 1889); его же, "Ueber die Genauigkeit absoluter Bestimmungen der Horisontal-Intensität" ("Mém. de l'Acad.", VII Serie, т. XXXIV, 1886); его же, "Neue Form magnet. Variationsinstrumente" ("Mém. de l'Acad.", VII Serie, т. XXXVII); H. Lloyd, "Account of the Magnetical Observatory of Dublin" (1842); Balfour-Stewart, "An account of the Construction of the Self-recording Magnetographs" ("Report of the twenty-ninth Meeting of the Brit. Assoc. for the Advancement of Science at Aberdeen", 1859); Liznar, "Anleitung zur Messung und Berechnung der Elemente des Erdmagnetismus" (1883); Edelmann, "Die Erdmagnetischen Apparate der Polar-Expeditionen im Jahre 1883"; Moureaux, "Sur la construction des cartes magnétiques" ("Ann. de chim. et de phys.", т. XXI, 1890).

П. Броунов.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон

1890—1907