Как сделать компас из иголки и магнита

Пошаговая инструкция по сборке компаса

Для простого опыта подойдут подручные предметы, которые найдутся дома или в школьном кабинете. Понадобятся обычная стальная швейная игла длиной 4-5 сантиметров, постоянный магнит, небольшая неметаллическая миска с водой и легкий плавучий материал.

1. Возьми швейную иглу и постоянный магнит. Проведи одним и тем же полюсом магнита вдоль иглы от ушка к острию. Двигай магнит строго в одном направлении, отрывай его от металла в конце каждого движения и возвращай по воздуху к начальной точке. Повтори это действие 25-30 раз.
2. Вырежи из винной пробки тонкий плоский кружок толщиной около двух-трех миллиметров. Если пробки нет под рукой, подойдет небольшой кусочек пенопласта или сухой кружок плотной бумаги размером с пятирублевую монету.
3. Закрепи намагниченную иглу на поплавке. Иглу можно аккуратно проткнуть сквозь край пробки, прикрепить скотчем либо просто положить сверху на сухое основание.
4. Налей воду в широкую пластиковую, стеклянную или керамическую тарелку. Глубины в два-три сантиметра достаточно для свободного движения поплавка.
5. Аккуратно опусти поплавок с иглой в центр миски, стараясь не утопить конструкцию. Подожди несколько секунд, пока утихнут колебания воды. Игла развернется и замрет в определенном положении.

Физический механизм намагничивания и работы прибора

Стальная игла состоит из ферромагнитного материала. Внутри нее находятся микроскопические области с собственным магнитным полем, которые в физике называют доменами. В обычной фабричной игле магнитные моменты этих доменов направлены хаотично в разные стороны, поэтому они полностью гасят друг друга, а сама деталь внешнего поля не создает.

Когда постоянный магнит проводят вдоль иглы, его сильное внешнее поле заставляет границы доменов смещаться, а магнитные моменты атомов разворачиваться в едином направлении. За счет углерода в составе закаленная инструментальная сталь обладает высокой коэрцитивной силой. Это свойство означает, что после удаления магнита домены не возвращаются в хаотичное положение сразу, превращая обычную иглу в постоянный искусственный магнит.

Планета Земля действует как огромный постоянный магнит. Вокруг нее существует геомагнитное поле, силовые линии которого выходят из южного магнитного полюса и входят в северный. Намагниченная игла на поверхности воды испытывает действие вращающего момента сил Лоренца. Силы выравнивают легкую иглу вдоль магнитных линий Земли, пока магнитный момент стрелки не совпадет с направлением внешнего поля.

Вода в этом опыте выполняет роль шарнира с минимальным коэффициентом трения. Если положить легкую иглу на сухой деревянный стол, сила трения покоя превысит слабое магнитное воздействие геомагнитного поля планеты. На поверхности жидкости сопротивление повороту стремится к нулю, поэтому даже слабое поле поворачивает иголку.

Как определить стороны света по самодельной стрелке

Игла вытягивается вдоль оси север-юг, однако сама по себе она не имеет заводской синей или красной разметки. Чтобы понять, какой именно кончик смотрит на север, полезно запомнить правило взаимодействия магнитных полюсов.

Разноименные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются. Если проводить по игле северным полюсом магнита с маркировкой N по направлению к острию, то острие станет южным полюсом иглы. Земной магнитный полюс в Северном полушарии физически является южным, поэтому острие с южным зарядом притянется к Северному магнитному полюсу Земли. Для проверки направления в солнечный день достаточно взглянуть в окно в полдень. Солнце находится строго на юге, следовательно, противоположный конец иглы указывает на север.

История возникновения плавающего компаса

Первые плавающие компасы изобрели в Китае во время правления династии Сун в одиннадцатом веке. Древнекитайские ученые вырезали из тонкой намагниченной жести фигурки в форме рыб и опускали их в деревянные чаши с водой. Такое устройство называлось юй-чжи, или плавающая южная рыба.

В Европу эта технология попала ближе к двенадцатому веку благодаря арабским мореплавателям. Моряки натирали железную иглу природным минералом магнетитом, втыкали ее в тростинку и пускали в таз с пресной водой, чтобы находить курс в тумане или шторме. Привычная нам сухая коробочка с медной иглой на острие иглы появилась позже, когда итальянский лоцман Флавио Джойя догадался закрепить магнитную стрелку на вертикальной шпильке и снабдить шкалу картушкой с тридцатью двумя румбами.

Что мешает опыту и как избежать ошибок

Эксперимент с плавающей иглой очень чувствителен к внешним условиям. Даже опытный исследователь может получить неверные показания из-за незаметных факторов.

• Металлические предметы поблизости. Железные батареи отопления, стальные линейки на парте, ножницы или ноутбук создают локальные магнитные аномалии. Игла развернется в сторону ближайшего крупного куска железа, а не на север.
• Движения воздуха. Любой слабый сквозняк от открытой форточки или тяжелое дыхание человека сдувают плавающий пенопласт, искажая показания.
• Неправильный материал иглы. Некоторые современные швейные иглы изготавливают из немагнитных сплавов или мягких сортов нержавеющей стали. Проверить заготовку легко: перед опытом она должна четко прилипать к постоянному магниту.
• Поверхностное натяжение у стенок сосуда. Если емкость слишком узкая, поверхностный мениск воды притянет поплавок к краю чашки и заблокирует его вращение.