Zanim wynaleziono GPS, marynarze przez wieki nawigowali używając zwykłego kompasu. Możesz zbudować działający kompas w kilka minut, korzystając z rzeczy, które masz w domu.

Co nam będzie potrzebne?

Igła powinna być stalowa – sprawdź, czy magnes ją przyciąga. Jeśli tak, nadaje się do eksperymentu. Igły z materiałów niemagnetycznych nie zadziałają.

Jak wykonać doświadczenie?

Zacznij od namagnesowania igły. Trzymaj igłę pewnie w jednej ręce i przeciągaj magnesem wzdłuż igły – od uszka (dziurki na nitkę) do czubka – zawsze w tym samym kierunku. Nie rób ruchów tam i z powrotem: tylko od uszka do czubka, podnosisz magnes i zaczynasz od nowa. Powtórz to kilka-kilkanaście razy.

Teraz przygotuj ponton. Połóż mały kawałek papieru (ok. 2×2 cm) na powierzchni wody w talerzyku – powinien się unosić. Możesz też użyć cienkiego plasterka korka od wina.

Ostrożnie połóż namagnesowaną igłę na papierze. Papier nie może tonąć, a igła nie może go przeważyć – jeśli tak się stanie, weź większy kawałek papieru lub lżejszą igłę.

Poczekaj chwilę w bezruchu i obserwuj: igła powoli się obraca i zatrzymuje w określonym kierunku. To jest północ magnetyczna. Sprawdź telefonem lub zwykłym kompasem – twój kompas z igły powinien wskazywać w tym samym kierunku.

Obejrzyj film

Wyjaśnienie naukowe

Ziemia jest jednym wielkim magnesem. W jej jądrze i płaszczu krąży płynne żelazo i nikiel, których ruch generuje ogromne pole magnetyczne otaczające całą planetę. Pole to ma dwa bieguny: magnetyczny północny (w pobliżu geograficznego bieguna północnego) i magnetyczny południowy.

Gdy pocierasz igłę magnesem zawsze w tym samym kierunku, porządkujesz strukturę wewnętrzną stali. W każdym kawałku żelaza istnieją maleńkie obszary zwane domenami magnetycznymi – mikroskopijne „minimagnesiki", w których atomy działają zgodnie. Normalnie domeny są zorientowane chaotycznie i ich działanie się wzajemnie znosi. Pocieranie magnesem ustawia coraz więcej domen w jednym kierunku – igła staje się magnesem, który ma wyraźny biegun północny i południowy.

Papier lub korek pełnią rolę pontonu: zmniejszają tarcie tak bardzo, że igła może swobodnie rotować wokół pionowej osi. Biegun północny igły (odpowiadający czubkowi, który pocierałeś na końcu) przyciągany jest w stronę magnetycznego bieguna północnego Ziemi i wskazuje w tamtym kierunku.

Ciekawostka: biegun magnetyczny Ziemi i biegun geograficzny nie pokrywają się dokładnie. Różnica między nimi to deklinacja magnetyczna i wynosi od kilku do kilkunastu stopni, zależnie od miejsca na świecie. W Polsce wynosi około 5–7° – kompasy wskazują trochę na zachód od geograficznej północy. Dla celów domowego eksperymentu ta różnica jest nieistotna, ale marynarze i kartografowie muszą ją uwzględniać.

Warianty

Kompas z plastikowej słomki – zamiast igły możesz użyć cienkiego kawałka drutu lub słomki ze spinaczem w środku. Namagnesuj spinacz i umieść go poziomo w słomce – słomka uniesie się i obróci jak igła.

Test siły namagnesowania – po namagnesowaniu igły sprawdź, ile maleńkich kawałków papieru przyciągnie czubek. Czy po 30 pociągnięciach magnesem przyciągnie więcej niż po 10?

Demagnesowanie ciepłem – silnie namagnesowaną igłę podgrzej nad świeczką (ostrożnie, przez dorosłego), a następnie sprawdź, czy nadal działa jako kompas. Wysoka temperatura niszczy uporządkowanie domen magnetycznych – igła powróci do stanu niemagnetycznego.

Dwa kompasy razem – zbuduj dwa kompasy i ustaw je obok siebie. Czy będą na siebie reagować? Spróbuj też zbliżyć magnes do gotowego kompasu i obserwuj, jak igła „ucieka" od jednego bieguna magnesu, a przyciąga się do drugiego.

Często zadawane pytania

Dlaczego igła musi być stalowa, a nie aluminiowa? Aluminium nie jest ferromagnetyczne – nie daje się namagnesować trwale. Stal zawiera żelazo z odpowiednią strukturą krystaliczną, która pozwala domenom magnetycznym ustawiać się i „zapamiętywać" ułożenie. To dlatego magnesy z lodówki przyklejają się do stalowych drzwi, ale nie do aluminiowych.

Czy kompas będzie działać zawsze w tym samym miejscu? Tak – dopóki nie znajdziesz się blisko silnego pola magnetycznego (np. obok dużego magnesu, silnika elektrycznego lub linii wysokiego napięcia). Duże masy żelaza i stali (np. stalowe belki w budynku) też mogą lokalnie zaburzać pole Ziemi.

Dlaczego igłę pocieram zawsze w jednym kierunku? Gdybyś pocierał na przemian – raz w jedną, raz w drugą stronę – domeny magnetyczne ustawiałyby się, a potem znów rozpraszały. Ruch zawsze w jednym kierunku kumuluje efekt i ustawia coraz więcej domen zgodnie z biegunem magnesu.

Czy kompas działa na biegunie północnym? W pobliżu bieguna magnetycznego Ziemi kompas traci użyteczność – igła próbuje wskazać w dół (bo linie pola są tam prawie pionowe), a nie w poziomie. Dlatego ekspedycje polarne używają specjalnych kompasów przystosowanych do ekstremalnych szerokości geograficznych.