Jak działają kompasy

Bez względu na to, gdzie stoisz na Ziemi, możesz trzymać kompas w dłoni, który będzie wskazywał biegun północny. Cóż za niewiarygodnie schludna i niesamowita rzecz! Wyobraź sobie, że jesteś na środku oceanu i rozglądasz się dookoła w każdym kierunku, a wszystko, co widzisz, to woda i jest pochmurno, więc nie możesz zobaczyć słońca… Jak na świecie możesz wiedzieć, w którą stronę idź, chyba że masz kompas, który powie ci, która droga jest „w górę”? Na długo przed satelitami GPS i innymi zaawansowanymi technologicznie pomocami nawigacyjnymi kompas dał ludziom łatwy i niedrogi sposób orientacji.

Ale co sprawia, że ​​kompas działa tak, jak działa? I dlaczego jest to przydatne do wykrywania małych pól magnetycznych, jak widzieliśmy w Jak działają elektromagnesy? W tym artykule odpowiemy na wszystkie te pytania, a także zobaczymy, jak stworzyć kompas od podstaw!

Kompas to niezwykle proste urządzenie. ZA kompas magnetyczny (w przeciwieństwie do kompasu żyroskopowego) składa się z małego, lekkiego magnesu ustawionego na prawie beztarciowym punkcie obrotu. Magnes jest ogólnie nazywany a igła. Jeden koniec igły jest często oznaczony literą „N” dla północy lub w jakiś sposób pokolorowany, aby wskazać, że wskazuje północ. Na powierzchni to wszystko, co można znaleźć w kompasie.

1. Pole magnetyczne Ziemi
2. Tworzenie własnego kompasu domowej roboty
3. Żyroskopowy kompas

Powód, dla którego działa kompas, jest bardziej interesujący. Okazuje się, że można myśleć o Ziemi jako o gigantycznym magnesie w kształcie sztabki zakopanym w środku. Aby północny koniec kompasu wskazywał w kierunku biegun północny, musisz założyć, że zakopany magnes sztabkowy ma południowy koniec na biegunie północnym, jak pokazano na schemacie po prawej stronie. Jeśli pomyślisz o świecie w ten sposób, zobaczysz, że normalna reguła magnesów „przyciąganie przeciwieństw” spowodowałaby, że północny koniec igły kompasu wskazywałby południowy koniec zakopanego magnesu sztabkowego. Więc kompas wskazuje na biegun północny.

Aby być całkowicie dokładnym, magnes sztabkowy nie porusza się dokładnie wzdłuż osi obrotu Ziemi. Jest lekko odchylony od środka. To pochylenie nazywa się deklinacja, a większość dobrych map wskazuje, jaka jest deklinacja w różnych obszarach (ponieważ zmienia się trochę w zależności od tego, gdzie jesteś na planecie).

Pole magnetyczne Ziemi jest dość słabe na powierzchni. W końcu planeta Ziemia ma prawie 13000 mil średnicy, więc pole magnetyczne musi przebyć długą drogę, aby wpłynąć na twój kompas. Dlatego kompas musi mieć lekki magnes i a łożysko bez tarcia. W przeciwnym razie pole magnetyczne Ziemi po prostu nie wystarczy, aby obrócić igłę.

Analogia „wielkiego magnesu sztabkowego zakopanego w rdzeniu” pomaga wyjaśnić, dlaczego Ziemia ma pole magnetyczne, ale oczywiście tak się nie dzieje. Więc co jest naprawdę się dzieje?

Nikt nie wie tego na pewno, ale istnieje obecnie działająca teoria. Jak widać na powyższym zdjęciu, uważa się, że rdzeń Ziemi składa się głównie ze stopionego żelaza (czerwonego). Ale w samym rdzeniu ciśnienie jest tak duże, że to super gorące żelazo krystalizuje w ciało stałe. Konwekcja wywołana ciepłem promieniującym z jądra wraz z ruchem obrotowym Ziemi powoduje płynne żelazo przenieść się do wzór obrotowy. Uważa się, że te siły obrotowe w warstwie ciekłego żelaza prowadzą do słabych sił magnetycznych wokół osi spinu.

Okazuje się, że ponieważ pole magnetyczne Ziemi jest tak słabe, kompas jest niczym innym jak detektorem bardzo niewielkich pól magnetycznych wytwarzanych przez cokolwiek. Dlatego możemy użyć kompasu do wykrycia małego pola magnetycznego wytwarzanego przez drut przewodzący prąd (patrz Jak działają elektromagnesy).

Przyjrzyjmy się teraz, jak możesz stworzyć własny kompas.

Jeśli nie masz kompasu, możesz stworzyć własny kompas w podobny sposób, jak robiono to setki lat temu. Aby stworzyć własny kompas, będziesz potrzebować następujących materiałów:

• Igła lub inny podobny do drutu kawałek stali (na przykład wyprostowany spinacz do papieru)
• Coś małego, co unosi się, na przykład kawałek korka, spód styropianowej filiżanki do kawy, kawałek plastiku lub zakrętka od dzbanka na mleko
• Naczynie, najlepiej talerz do ciasta, o średnicy 23-30 cm (9 do 12 cali), zawierające około 2,5 cm wody

Pierwszym krokiem jest zamień igłę w magnes. Najłatwiej to zrobić za pomocą innego magnesu - przesuń magnes wzdłuż igły 10 lub 20 razy, jak pokazano poniżej.

Jeśli masz problem ze znalezieniem magnesu wokół domu, dwa możliwe źródła to otwieracz do puszek i elektromagnes, który sam wykonujesz (zobacz Jak działają elektromagnesy).

Umieść pływak na środku naczynia z wodą, jak pokazano poniżej.

Technika „unoszenia się na wodzie” to łatwy sposób na stworzenie niemal beztarciowego łożyska. Wyśrodkuj igłę magnetyczną na pływaku. Będzie bardzo powoli wskazywał na północ. Stworzyłeś kompas!

Kompas magnetyczny, taki jak ten utworzony na poprzedniej stronie, ma kilka problemów, gdy jest używany na ruchomych platformach, takich jak statki i samoloty. Musi być równa i ma tendencję do powolnego poprawiania się, gdy platforma się obraca. Z powodu tej tendencji większość statków i samolotów używa zamiast tego kompasów żyroskopowych.

Wirujący żyroskop, jeśli jest podparty na ramie z przegubem i obracany, utrzyma kierunek, w którym jest skierowany, nawet jeśli rama się porusza lub obraca. W żyrokompasie ta tendencja jest wykorzystywana do naśladowania kompasu magnetycznego. Na początku podróży oś żyrokompasu jest skierowana na północ za pomocą kompasu magnetycznego jako odniesienia. Silnik wewnątrz żyrokompasu utrzymuje żyroskop w ruchu, więc żyrokompas będzie nadal wskazywał na północ i dostosuje się szybko i dokładnie, nawet jeśli łódź znajduje się na wzburzonym morzu lub samolot uderzy w turbulencje. Okresowo porównuje się żyrokompas z kompasem magnetycznym w celu skorygowania wszelkich wykrytych błędów.

Aby uzyskać więcej informacji na temat kompasów, nawigacji i powiązanych tematów, zapoznaj się z linkami na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• Dlaczego biegun północny się porusza?
• Jak znaleźć prawdziwą północ
• Compass Quiz
• Jak działają elektromagnesy
• Jak działają żyroskopy
• Jak działają odbiorniki GPS
• Jak działa Magna Doodle
• Jak działa napęd elektromagnetyczny  

Więcej świetnych linków

• Jak korzystać z kompasu
• Zrozumienie i korzystanie z kompasu
• Pierwsze kroki Nauka o kursie Podstawy kompasu i mapy
• Pochodzenie magnetyzmu Ziemi
• Laboratorium Magnetyzmu Ziemi