مقدمه:
آیا تا به حال با استفاده از قطب‌‌‌نما مسیریابی کرده‌‌‌اید؟ این ابزار می‌‌‌تواند برای جهت‌‌‌یابی در جنگل‌‌‌ها و سایر مناطق به هنگام کمپینگ مورد استفاده قرار بگیرد. قطب‌‌‌نماها بر پایه‌‌‌ی میدان مغناطیسی زمین کار می‌‌‌کنند. در این فعالیت علمی شما یک قطب‌‌‌نما در خانه خواهید ساخت. فکر می‌‌‌کنید این قطب‌‌‌نمای خانگی چگونه کار خواهد کرد؟ فعالیت زیر را انجام دهید تا پاسخ این سوال را بیابید.

پیش‌‌‌زمینه:
هزاران سال است که مردم خاصیت مغناطیس را می‌‌‌شناسند. مغناطیس دلیل جاذبه یا دافعه میان دو آهنربا است. از این مفهوم استفاده‌‌‌های فراوانی می‌‌‌شود. برای مثال، یک جسم به دلیل کشیده شدن توسط نیروی مغناطیسی بالاتر سطح زمین شناور می‌ماند.

مفهوم مغناطیس در جهت‌‌‌یابی به ما کمک فراوانی می‌‌‌کند. از آنجا که کره‌‌‌ی زمین دارای یک میدان مغناطیسی است، می‌‌‌توان با استفاده از یک قطعه‌‌‌ی کوچک دارای خاصیت مغناطیسی مانند سوزن که جهتی خاص یعنی شمال یا جنوب را نشان می‌‌‌دهد قطب‌‌‌نما ساخت.

با وجود اینکه پدیده‌‌‌ی مغناطیس چند هزار سال است که شناخته شده است، اولین قطب‌‌‌نمای مغناطیسی به منظور جهت‌‌‌یابی بسیار دیرتر از آن زمان یعنی حدود هزار سال پیش ساخته شد (بین سال‌‌‌های ۱۰۰۰ تا ۱۱۰۰ پس از میلاد). در این فعالیت علمی شما یک قطب‌‌‌نما‌‌‌ی ساده خواهید ساخت. با این کار می‌‌‌توانید کمی از سختی کار افرادی که برای اولین بار قصد ساخت این وسیله را داشتند درک کنید!

مواد و وسایل مورد نیاز

سوزن خیاطی فلزی
یک آهنربا (می‌‌‌توانید از آهنرباهای معمولی که روی یخچال می‌‌‌زنید استفاده کنید. همچنین می‌‌‌توانید آهنرباهای قوی‌‌‌تری تهیه کنید. رایج‌‌‌ترین نوع آهنربا از جنس نئودیمیوم است که می‌‌‌توانید آن را خریداری کنید. استفاده از آهنرباهای بهتر سبب گرفتن نتایج دقیق‌‌‌تر می‌‌‌شود.)
انبردست
چوب‌‌‌پنبه
قیچی برای بریدن چوب‌‌‌پنبه
یک فنجان، لیوان یا کاسه با سر پهن
آب

آماده‌‌‌سازی:
در هنگام کار با آهنربا بسیار مراقب باشید، به خصوص اگر قصد دارید از آهنربای قوی در این آزمایش استفاده کنید. آهنربا را دور از آهنرباهای دیگر و دستگاه‌‌‌های الکترونیکی از جمله کامپیوتر، تلفن همراه و تلویزیون نگه دارید.

برای استفاده از قیچی به منظور بریدن چوب‌‌‌پنبه و همین‌‌‌طور کار با سوزن حتماً باید یک بزرگتر در کنارتان باشد.

روش کار:
آهنربا را حداقل پنج مرتبه روی سوزن خیاطی بکشید. (اگر در این فعالیت از آهنرباهای ضعیف استفاده می‌‌‌کنید، لازم است حداقل ده بار این کار را انجام دهید.) دقت داشته باشید که جهت کشیده شدن آهنربا به سوزن در تمام این دفعات باید یکسان باشد. با این کار سوزن خاصیت مغناطیسی پیدا می‌‌‌کند.

حال حدود یک‌‌‌چهارم اینچ از انتهای چوب‌‌‌پنبه ببرید تا بدین ترتیب یک تکه‌‌‌ی دیسکی شکل با ارتفاع یک‌‌‌چهارم اینچ از آن داشته باشید.

تکه‌‌‌ی بریده شده‌‌‌ی چوب‌‌‌پنبه را روی یک سطح صاف قرار دهید. سپس با انبردست سوزن را از پهلو داخل آن فرو کنید و از سمت دیگر خارج کنید. سوزن باید طوری داخل دیسک چوب‌‌‌پنبه قرار بگیرد که از هر دو طرف مقداری یکسان از آن بیرون باشد.

به ارتفاع حداقل یک اینچ آب داخل یک لیوان یا کاسه با سر پهن بریزید.

دیسک چوب‌‌‌پنبه (همراه با سوزن) را روی سطح آب داخل کاسه یا لیوان قرار دهید. سعی کنید دیسک را در مرکز آب شناور و آن را از لبه‌‌‌ی ظرف دور کنید. برای سوزن چه اتفاقی می‌‌‌افتد؟ پس از توقف، سوزن در چه جهتی قرار می‌‌‌گیرد؟

آیا قطب‌‌‌نمای خانگی شما درست کار می‌‌‌کند؟ استفاده از آن چه محدودیت‌‌‌هایی دارد؟

آزمایش‌‌‌های تکمیلی:
جهت شمال در موقعیت خود را شناسایی کنید. آیا سوزن قطب‌‌‌نمای خانگی‌‌‌تان این جهت را نشان می‌‌‌دهد؟ (برای تعیین جهت شمال می‌‌‌توانید از یک قطب‌‌‌نمای دائمی، یک اطلس و یا نقشه‌‌‌ی گوشی‌‌‌های هوشمند تلفن استفاده کنید.)

یک آهنربا را به قطب‌‌‌نمای خانگی‌‌‌تان نزدیک کنید. با نزدیک شدن آهنربا چه اتفاقی برای سوزن قطب‌‌‌نما می‌‌‌افتد؟ آهنربا تا چه فاصله‌‌‌ای باید به سوزن نزدیک شود تا بتواند بر روی آن اثر بگذارد؟

اگر چند آهنربا با قدرت‌‌‌های متفاوت در اختیار دارید، سعی کنید چند قطب‌‌‌نما با استفاده از این آهنرباها برای مغناطیسه کردن سوزن بسازید. تفاوت این قطب‌‌‌نماها در عملکرد چیست؟

روش‌‌‌های دیگری نیز برای ساخت قطب‌‌‌نما با هزینه‌‌‌ی کم در منزل یا بیرون از منزل وجود دارد. برای مثال می‌‌‌توانید به جای چوب‌‌‌پنبه از یک برگ کوچک استفاده کنید و همراه با سوزن آن را روی آب قرار دهید. قطب‌‌‌نمای ساخته شده از برگ چه تفاوتی با قطب‌‌‌نمای ساخته شده از چوب‌‌‌پنبه دارد؟ چه روش‌‌‌های دیگری برای ساخت قطب‌‌‌نما به ذهنتان می‌‌‌رسد؟

مشاهده و نتیجه‌‌‌گیری:

آیا سوزن قطب‌‌‌نمای خانگی‌‌‌تان در جهت قطب شمال و جنوب زمین قرار می‌‌‌گیرد؟

با کشیدن سوزن و آهنربا به هم، خاصیت مغناطیسی در سوزن ایجاد می‌‌‌شود و سوزن به یک آهنربای موقت ضعیف تبدیل می‌شود. از آنجا که آهنرباها با یکدیگر برهم‌‌‌کنش دارند (هم را جذب یا دفع می‌‌‌کنند)، سوزن با خاصیت مغناطیسی می‌‌‌تواند با میدان مغناطیسی زمین وارد برهم‌‌‌کنش شود. اگر چه میدان مغناطیسی زمین نسبتاً ضعیف است، واضح است که بر سوزن تأثیر می‌‌‌گذارد، زیرا سوزن داخل چوب‌‌‌پنبه شناور روی آب در حالت عادی می‌‌‌تواند آزادانه به هر سمتی بچرخد. زمانی که سوزن در جای خود متوقف می‌‌‌شود، قاعدتاً باید در امتداد میدان مغناطیسی زمین و موازی با محور شمال به جنوب قرار گرفته باشد. بدین ترتیب یک سر سوزن قطب شمال و سر دیگر قطب جنوب را نشان می‌‌‌دهد.

هر سر سوزن باید همواره یکی از قطب‌‌‌ها (شمال یا جنوب) را نشان دهد. می‌‌‌توانید آزمایش‌‌‌های بیشتری انجام دهید تا متوجه شوید به چه ترتیب همواره یک سر خاص از سوزن به سمت یک قطب مشخص (شمال یا جنوب) قرار می‌‌‌گیرد.

منبع:

Make a Homemade Compass

منابع مفيد:

قطب نما

اگر روزي زمين يخ زد!

نئوديميم

ايجاد خاصيت مغناطيسي

شناوري مغناطيسي

ضبط معناطيسي

تاثير ميدان‌هاي مغناطيسي بر انسان

ميدان مغناطيسي زمين

قطبنما- دانشنامه

يخچال مغناطيسي

ميدان مغناطيسي زمين- ويکيپديا

نئوديميم-ويکيپديا

Make your own compass

fun magnet facts for kids