Negativan utjecaj električne rasvjete na preciznost
topografskog snimanja speleoloških objekata

Dalibor Paar

ABSTRACT
The influence of Tikka and similar headlamps to compass is investigated. The deviation angle is measured as a function of a headlamp distance. The conclusion is that the Tikka, even in power off mode, has significant influence to compass, so we should not use it during making a topo of a cave.

Zadnjih godina pojavilo se na tržištu puno lampi baziranih na LED diodama. Zbog malog utroška struje i malih dimenzija, LED lampe postaju standardni dio speleološke opreme. Međutim upotreba ove vrste rasvjete dovodi do neočekivanih problema pri topografskom snimanju speleoloških objekata.

Kako izbor rasvjete može utjecati na točnost mjerenja? Preciznije postavljeno pitanje je kako električna rasvjeta utječe na očitanja optičkih kompasa (npr. modela tvrtki Suunto, Silva i dr.) ?
Da bismo se upoznali s ovim, kao što ćemo ustanoviti dosta ozbiljnim problemom, pokusom ćemo promotriti fizikalnu pojavu o kojoj je riječ. Uzmimo magnetsku iglu postavljenu na držač na kome može rotirati gotovo bez trenja. Magnetska igla je zapravo magnet čiji je crveni kraj južni pol, a plavi kraj sjeverni pol. Kod dva magneta raznoimeni polovi se privlače. Ako u blizini nemamo nikakvih magneta ili izvora magnetskog polja, magnetska igla će se orijentirati u pravcu silnica magnetskog polja Zemlje, koja je zapravo jedan veliki magnetski dipol. Ugrubo možemo reći da je tada crveni kraj igle usmjeren u pravcu sjevernog magnetskog pola Zemlje (koji je za oko 11o pomaknut u odnosu na geografski pol), a plavi kraj je u pravcu južnog magnetskog pola Zemlje (slika 1a). To je osnovni način funkcioniranja kompasa.
Stavimo li u blizinu magnetske igle permanetni magnet, kao što se vidi na slici 1b magnetska igla će se znatno zakrenuti pod utjecajem magnetskog polja dovedenog magneta. Permanentni magneti su materijali koji sadrže feromagnetske elemente i stvaraju konstantno magnetsko polje u okolini. Magnetsko polje Zemlje je vrlo slabo, jakosti oko 0.0001 Tesla, dok permanentni magneti imaju tisuću i više puta jača magnetska polja.

Slika 1. a) Magnetska igla orijentirana u smjeru silnica magnetskog polja Zemlje.
b) Dovođenjem permanentnog magneta u blizinu, magnetska igla se zakreće.

Ponovimo sada isti pokus tako da magnetskoj igli približimo LED lampu. Za potrebe pokusa upotrijebili smo dvije relativno često korištene LED lampe, Tikku i TSL Noxys.

Slika 2. Utjecaj Tikke, TSL Noxys i baterije na magnetsku iglu.
Efekt je sličan kao u slučaju permantetnog magneta na slici 1.

Na slici 2 vidimo da se približavanjem Tikke ili TSL Noxys lampe magnetska igla značajno zakreće. Efekt je sličan bez obzira da li su lampe upaljene ili ugašene. Kako ćemo analizom kasnije ustanoviti, radi se o utjecaju 3 magnetska doprinosa. Najjači doprinos magnetskom polju dolazi od baterija koje se nalaze u lampi. Kao što se vidi na slici, sama baterija uzrokuje znatni otklon magnetske igle. Isti efekt je dobiven s više vrsta baterija koje su danas u upotrebi.

Sada kada smo uočili problem, napravit ćemo konkretna mjerenja sa u speleologiji često korištenim kompasom u Suunto tandem konfiguraciji. Rezultati ispitivanja prikazani su u tablici 1. Na određenoj udaljenosti od kompasa očitan je otklon u odnosu na smjer magnetskog polja Zemlje zbog prisustva određene lampe. Otklon je varirao ovisno o orijentaciji lampe. Stoga je u tablici zabilježen samo maksimalni otklon koji je dobiven za neki od položaja lampe na određenoj udaljenosti od kompasa. Maksimalni otkloni nisu ovisili o tome da li je lampa upaljena ili ugašena.

Tablica 1. Mjerenje otklona magnetske igle u odnosu na magnetsko polje Zemlje,
odnosno pogreške mjerenja u ovisnosti o udaljenosti lampe od kompasa.
 

Kao što vidimo iz tablice, utjecaje Tikke postoji već na 11 cm udaljenosti od kompasa, a TSL Noxys lampe na 13 cm od kompasa. Treba napomenuti da na temelju ovih mjerenja ne možemo reći da je Tikka bolja od TSL Noxys jer rezultati mjerenja mogu varirati ovisno o vrsti baterija koje se nalaze u lampi i njihovom trenutnom stanju. Daljnjim približavanjem otklon sve više raste da bi mjerenja postala potpuno pogrešna s odstupanjima od više desetaka stupnjeva.

Slika 3. Utjecaj Tikke na Suunto tandem kompas. Do otklona dolazi već na 11 cm udaljenosti.

Analiza pokazuje da su ovdje u pitanju dva fizikalna efekta. Jedno magnetsko polje posljedica je magnetizacije materijala tako da se lampa ponaša poput permanentnog magneta. Zato ovo polje postoji bez obzira radi li lampa ili ne. Materijal koji sadrži feromagnetske elemente (poput željeza, nikla, kobalta) može se namagnetizirati. Do magnetizacije dolazi kada se mala magnetska polja koja imaju feromagnetski elementi pravilno poredaju. Kod lampe, najveći doprinos ovom polju dolazi od baterija, kao što smo već uočili pokusom. Drugo magnetsko polje je posljedica prolaska struje kroz vodič kada lampa radi, sto je poznati fizikalni efekt. LED lampe troše puno manju struju od klasičnih. Zato je doprinos tog magnetskog polja, koje je proporcionalno jakosti struje, znatno manji nego kod klasičnih lampi. Interesantno je uočiti da kad su izvađene baterije iz Tikke (i iz TSL), kao što se vidi iz tablice 1, također postoji utjecaj na kompas na udaljenostima manjim od 3 cm. To znači da je i sama lampa magnetizirana, pa je to treći doprinos ukupnom magnetskom polju lampe.

Usporedbe radi izmjeren je utjecaj DUO rasvjete na kompas. Kako su baterije u toj instalaciji odvojene od lampe, doprinos LED rasvjete u DUO instalaciji je zanemariv. Od drugih mogućih žarulja u DUO lampi, najveći otklon dobiven je za žarulju koja najviše troši, a to je halogena žarulja. Za nju se utjecaj na kompas primjećuje tek na oko 1 cm od lampe, dok na udaljenostima većim od 3 cm nema nikakvog efekta. To je neusporedivo manje od LED lampi.

Zaključak ovih analiza je da LED lampe tipa Tikke treba svakako izbjeći tijekom izrade topografskog nacrta. Nije samo problem u tome da ih se ne bi nikako trebalo koristiti kao pomoćno svjetlo tijekom upotrebe kompasa. Naime dovoljno je da ugašena Tikka bude obješena oko vrata speleologa, pa da se dobije greška očitanja azimuta od jednog do par stupnjeva. Približavamo li Tikku dalje kompasu, greške postaju tolike da su mjerenja potpuno pogrešna.

Pogreške u mjerenjima uzrokovane LED lampama su nezgodne zato što one ne ovise samo o udaljenosti lampe od kompasa, već i o orijentaciji same lampe. To znači da se ne radi o konstantnoj sistematskoj pogrešci očitanja, već pogreška u mjerenjima azimuta oscilira. Zbog toga ju je nemoguće ukloniti naknadnom analizom mjerenja, već se ta mjerenja moraju ponoviti.

Slika 4. Koristeći Tikku, magnetsku iglu možemo zakrenuti za čak 90 stupnjeva u odnosu na smjer S-J !

Literatura:
1. F.J.Keller, Physics, McGraw-Hill, 1993.
2. National Geophysical Data Center http://www.ngdc.noaa.gov/seg/potfld/faqgeom.shtml
Zahvaljujem se Nenadu Buzjaku na korisnim diskusijama.

© Speleološki odsjek Velebit