ทฤษฎีการเบี่ยงเบนขั้วแม่เหล็กในเข็มทิศ

ทฤษฎีการเบี่ยงเบนขั้วแม่เหล็กในเข็มทิศ

        ถ้าหากว่าวันหนึ่งคุณหลงอยู่ในป่า โอกาสที่คุณจะหลุดออกมาจากป่านั้นได้ อาจจะมาจากแค่เข็มทิศเล็กๆเพียงอันเดียวเท่านั้น ดังนั้นแล้ววันนี้เราจะพาไปรู้จักเข็มทิศ    เกี่ยวกับทฤษฎีการเบี่ยงเบนขั้วแม่เหล็กในเข็มทิศ ที่คุณอาจไม่เคยรู้มาก่อน ซึ่งหลายคนอาจจะเคยได้ยินเกี่ยวกับแรงโน้วถ่วงของโลกที่เกิดจากแรงดึงดูดของพลังแม่เหล็กที่มีอยู่ภายในพื้นพิภพของโลก ซึ่งผู้เขียนได้ลองสืบค้นข้อมูลจากเว็บไซต์กลุ่มเผยแพร่และประชาสัมพันธ์ โดยเว็บท่ากรมศิลปากร (https://www.finearts.go.th) ได้พบข้อสัณนิษฐานว่าเข็มทิศ ถูกค้นพบโดยชาวจีน โดย โจเซฟ นีดแฮม ( Joseph Needham) นักวิทยาศสาตร์สาขาชีวเคมีชาวอังกฤษ ที่ทำการศึกษาเรื่องราวของจีนมาอย่างยาวนาน กล่าวว่า "จีนมีความรู้ด้านการเบี่ยงเบนขั้วแม่เหล็กล้ำหน้ากว่าชาวยุโรปไปราวหกศตวรรษ ซึ่งชาวจีนคิดทฤษฎืการเบี่ยงเบนขั้วแม่เหล็กก่อนที่ชาวยุโรปจะรู้จักขั้วแม่เหล็กด้วยซ้ำ" 

        แม่เหล็ก คือ สารแม่เหล็กที่มีโมเลกุลเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ สามารถมีแรงกระทำต่อ สารแม่เหล็กด้วยกันได้ เมื่อแขวนแม่เหล็กอย่างอิสระขั้วเหนือ (N) จะชี้ทิศขั้วโลกเหนือ ขั้วใต้ (S) จะชี้ทิศขั้วโลกใต้ ทำให้เชื่อว่าโลกมีอำนาจแม่เหล็ก โดยขั้วเหนือ (N) ของแม่เหล็ก อยู่ทางขั้วโลกใต้ทางภูมิศาสตร์ และมีขั้วใต้ (S) ของแม่เหล็กอยู่ทางขั้วเหนือทางภูมิศาสตร์ โดยมีการทำมุมกันเล็กน้อย

          ถ้าเราเอาแท่งแม่เหล็กอันเล็กๆ มาแขวนไว้กับเส้นด้ายให้แกว่งได้อย่างอิสระ เราจะพบว่า แท่งแม่เหล็กจะชี้ไปในทิศทางเดิมเสมอ ไม่ว่าในตอนเริ่มต้นเราจะหมุนให้มันวางตัวอย่างไรก็ตาม หลักการนี้ถูกนำมาใช้ในการสร้างเข็มทิศ การที่แท่งแม่เหล็กวางตัวในแนวเดิมเสมอนี้ เกิดขึ้นเนื่องจากการที่โลกประพฤติตัวเป็นเสมือนแท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่ และสร้างสนามแม่เหล็กครอบคลุมโลกไว้ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของประจุ ดังนั้น สนามแม่เหล็กโลก (Earth's Magnetic Field) ก็น่าจะเกิดขึ้นจากกาเคลื่อนที่ของประจุเช่นกัน       

        การที่แก่นโลก ประกอบไปด้วยเหล็กและนิเกิลเหลว มีการหมุนอยู่ตลอดเวลา การหมุนนี้ทำให้เกิดกระแสของอิเล็กตรอนเหมือนกับเป็นไดนาโมหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และนี่เองที่น่าจะเป็นสาเหตุที่ทำให้โลกมีสนามแม่เหล็ก

        อย่างไรก็ดี ในปัจจุบันเราก็ยังไม่เข้าใจกระบวนการเกิดสนามแม่เหล็กโลกดีนัก ทั้งนี้ เนื่องจากเราพบว่า หินอัคนี (Igneous rock) ซึ่งเกิดจากการแข็งตัวของลาวา ที่มีองค์ประกอบของโลหะอยู่ โลหะเหล่านี้จะวางตัวตามแนวเส้นแรงแม่เหล็กขณะที่ค่อยๆ เย็นตัวลง จึงเป็นเสมือนเข็มทิศที่ชี้แสดงทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก เราเรียกหินเหล่านี้ว่าเป็น "ฟอสซิลแม่เหล็ก" (Magnetic fossils) และพบว่าฟอสซิลแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาต่างๆ กันตลอดหลายล้านปีที่ผ่านมา ชี้ทิศทางสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกันไป บางครั้งก็สลับกับทิศทางในปัจจุบัน ซึ่งจะเกิดการสลับเช่นนี้ตลอดเวลา         

                                            เข็มทิศในยุคแรก ประกอบด้วย ช้อนที่ทำจากแร่แม่เหล็กเป็นตัวชี้

ลักษณะของสนามแม่เหล็กโลก

        ขั้วแม่เหล็กโลก (Geomagnetic Poles) นั้นแตกต่างจากขั้วโลกทางภูมิศาสตร์ โดยที่ขั้วใต้ของแม่เหล็กโลกจะอยู่ทางซีกโลกเหนือ ในขณะที่ขั้วเหนือแม่เหล็กโลกนั้นจะอยู่ทางซีกโลกใต้ (ส่งผลให้ขั้วเหนือของแม่เหล็กในเข็มทิศชี้ไปยังทางเหนือของโลก) รวมถึงตำแหน่งของขั้วแม่เหล็กโลกที่อยู่ห่างจากขั้วทางภูมิศาสตร์ประมาณ 11.5 องศา เนื่องจากขั้วแม่เหล็กโลกมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลาหรือราว 11 กิโลเมตรต่อปี

                                                                    ภาพแสดงขั้วแม่เหล็กของโลก

      สนามแม่เหล็กโลก มีลักษณะเหมือนกับสนามแม่เหล็กทั่วๆ ไป คือ ประกอบไปด้วยขั้วแม่เหล็กสองขั้ว คือ ขั้วเหนือและขั้วใต้ และมีเส้นแรงแม่เหล็กชี้จากขั้วเหนือใต้ไปขั้วใต้ โดยที่ขั้วแม่เหล็กโลกจะสลับกับขั้วโลกทางภูมิศาสตร์ หรือขั้วโลกตามแกนหมุน คือ ขั้วใต้ของแม่เหล็กจะอยู่ทางซีกโลกเหนือ ในขณะที่ขั้วเหนืออยู่ทางซีกโลกใต้ (ทำให้ขั้วเหนือของแม่เหล็กในเข็มทิศชี้ไปยังทางเหนือ) และขั้วแม่เหล็กโลกไม่ได้อยู่ในตำแหน่งเดียวกันกับขั้วเหนือและขั้วใต้ทาง ภูมิศาสตร์ แต่จะอยู่ห่างออกมาประมาณ 12 องศา นั่นหมายถึง ถ้าเราเดินตามทิศเหนือของเข็มทิศไปเรื่อยๆ เราจะเดินไปไม่ถึงขั้วโลกเหนือ แต่จะหยุดอยู่ห่างจากขั้วโลกเหนือถึง 12 องศาหรือประมาณ 1,330 กิโลเมตรเลยทีเดียว โดยขั้วใต้แม่เหล็กจะอยู่ในพื้นที่ทางตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศแคนาดา ส่วนขั้วเหนือแม่เหล็กจะอยู่ในทวีปแอนตาร์กติกา

        เมื่อเราเข้าใกล้ขั้วเหนือแม่เหล็กมากขึ้น เข็มทิศของเราจะชี้เอียงลงสู่พื้นดินมากขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดเมื่อเรายืนอยู่เหนือขั้วเหนือแม่เหล็ก เข็มทิศของเราจะวางตัวในแนวดิ่งตั้งฉากกับพื้น ทั้งนี้เพราะสนามแม่เหล็กจะชี้เข้าสู่ขั้วแม่เหล็กที่อยู่ใต้พื้นโลกลงไป

        เข็มทิศ คือ เครื่องมือทางภูมิศาสตร์ สำหรับใช้หาทิศทาง มีเข็มแม่เหล็กที่แกว่งไกวได้อิสระในแนวนอนทอดตัวในแนวเหนือ-ใต้ ตามแรงดึงดูดของแม่เหล็กโลก และที่หน้าปัดมีส่วนแบ่งสำหรับหาทิศทางโดยรอบ เข็มทิศจึงมีปลายชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ (อักษร N หรือ น) เมื่อทราบทิศเหนือแล้วก็ย่อมหาทิศอื่นได้โดยหันหน้าไปทางทิศเหนือ ด้านขวามือเป็นทิศตะวันออก ด้านซ้ายมือเป็นทิศตะวันตก ด้านหลังเป็นทิศใต้ การบอกทิศทางในแผนที่โดยทั่วไป คือการบอกเป็นทิศที่สำคัญ 4 ทิศ คือทิศเหนือ ทิศใต้ ทิศตะวันออก และทิศตะวันตก หรืออาจจะบอกละเอียดเป็น 8,16 หรือ 32 ทิศก็ได้

เข็มทิศทำงานอย่างไร

                แม่เหล็กนั้นจะมีขั้วแม่เหล็ก 2 ขั้ว คือ ขั้วเหนือ(N) และขั้วใต้(S) โดยขั้วเหนือของแม่เหล็กนั้นจะดึงดูดขั้วใต้ของแม่เหล็กตัวอื่นเสมอ เช่นเดียวกันกับขั้วแม่เหล็กของโลก ซึ่งสามารถที่จะดึงดูดแม่เหล็กตัวอื่นได้เช่นกัน ด้วยสาเหตุนี้เองที่ลูกศรแสดงตำแหน่งที่บอกว่าทิศใดเป็นทิศเหนือของเข็มทิศจะถูกดึงดูดไปในทิศทางที่สอดคล้องกับสนามแม่เหล็กของโลกด้วย โดยขั้วแม่เหล็กของโลกเองที่อยู่ทางขั้วโลกเหนือนั้นจะดึงดูดขั้วเหนือ(N) จากแม่เหล็กตัวอื่นๆ หรือจะพูดให้เข้าใจได้ง่ายก็คือ ในทิศเหนือของโลกเรานั้นจะเป็นขั้วแม่เหล็กที่เป็นขั้วใต้(S) นั่นเอง