เข็มทิศรู้ทิศเหนือได้อย่างไร

เข็มทิศธรรมดาไม่มีระบบค้นหาตำแหน่ง ไม่มีดาวเทียม และไม่ต้องใช้ถ่าน แต่กลับหาทิศได้เพราะตัวเข็มเป็นแม่เหล็กแท่งเล็กๆ ที่หมุนได้อย่างอิสระ เมื่อวางอยู่ในสนามแม่เหล็กโลก เข็มจะหมุนจนแนวของมันสอดคล้องกับสนามแม่เหล็กบริเวณนั้น ปลายที่ทำเครื่องหมายไว้จึงหันไปทางทิศเหนือแม่เหล็ก

การบอกว่าเข็มถูกขั้วโลกเหนือดูดอาจช่วยให้นึกตามได้ แต่ไม่ตรงทั้งหมด เข็มไม่ได้ถูกดึงเป็นเส้นตรงไปยังจุดเดียวเหมือนวัตถุถูกแม่เหล็กดูด มันได้รับแรงบิดจากสนามแม่เหล็กโดยรอบ ทำให้ตัวเข็มหมุนจัดแนว เหมือนแม่เหล็กสองแท่งที่พยายามหันตัวให้อยู่ในทิศทางซึ่งสมดุลกัน

เข็มเล็กๆ ภายในเป็นแม่เหล็ก

เข็มทิศมีปลายสองขั้วเหมือนแม่เหล็กทั่วไป ปลายที่เรียกว่าขั้วเหนือหรือ north-seeking pole มักทาสีแดงและมีตัวอักษร N กำกับ ปลายอีกด้านหันไปทางใต้ ตัวเข็มวางบนจุดหมุนที่มีแรงเสียดทานต่ำ หรือแขวนลอยอยู่ในของเหลวเพื่อให้หมุนได้ง่ายและหยุดนิ่งเร็วขึ้น

ถ้าจุดหมุนฝืด เข็มงอ หรือมีฟองอากาศขนาดใหญ่ขัดการเคลื่อนไหว เข็มอาจตอบสนองช้าและค้างผิดทิศ เข็มทิศที่ดีจึงไม่ได้อาศัยเฉพาะแม่เหล็กแรง แต่ต้องมีระบบรองรับซึ่งปล่อยให้เข็มเคลื่อนตัวได้อย่างสมดุลด้วย

โลกสร้างสนามแม่เหล็กมาจากไหน

โลกไม่ได้มีแม่เหล็กแท่งขนาดยักษ์ซ่อนอยู่ตรงแกนกลาง สนามแม่เหล็กส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนที่ของโลหะเหลวที่นำไฟฟ้าได้ โดยเฉพาะเหล็กในแก่นโลกชั้นนอก ความร้อนทำให้ของไหลเคลื่อนที่ ประกอบกับการหมุนของโลกจนเกิดกระแสไฟฟ้าและสร้างสนามแม่เหล็ก กระบวนการนี้เรียกว่าไดนาโมของโลก

สนามดังกล่าวแผ่ออกมารอบโลก มีทั้งองค์ประกอบแนวนอนและแนวดิ่ง เข็มทิศสำหรับเดินทางถูกออกแบบให้หมุนในระนาบแนวนอน จึงตอบสนองกับส่วนแนวนอนของสนามเป็นหลัก หากปล่อยเข็มแม่เหล็กให้หมุนได้สามมิติ ปลายเข็มจะเอียงลงหรือเงยขึ้นตามละติจูดด้วย ปรากฏการณ์นี้เรียกว่ามุมก้มแม่เหล็ก

ทิศเหนือจากเข็มไม่ใช่ทิศเหนือจริงเสมอไป

ทิศเหนือจริงหรือ true north คือทิศไปยังขั้วโลกเหนือทางภูมิศาสตร์ ซึ่งเป็นจุดที่แกนหมุนของโลกตัดกับพื้นผิว ส่วนทิศเหนือแม่เหล็กคือทิศที่ปลายเข็มทิศชี้ตามสนามแม่เหล็กในตำแหน่งนั้น สองทิศนี้มักทำมุมต่างกัน

มุมระหว่างทิศเหนือจริงกับทิศเหนือแม่เหล็กเรียกว่า มุมเบี่ยงเบนแม่เหล็ก หรือ magnetic declination ค่าจะต่างกันตามสถานที่และเปลี่ยนไปตามเวลา เพราะสนามแม่เหล็กโลกไม่สม่ำเสมอและขั้วแม่เหล็กเคลื่อนที่อยู่ตลอด

แผนที่เดินป่าหรือแผนที่ภูมิประเทศมักอ้างอิงทิศเหนือจริงหรือทิศเหนือกริด หากต้องการเดินตามมุมบนแผนที่อย่างแม่นยำ จึงต้องตรวจค่ามุมเบี่ยงเบนของพื้นที่และปีที่ใช้งาน แล้วปรับวงแหวนเข็มทิศหรือคำนวณเพิ่มลดตามวิธีของอุปกรณ์ ไม่ควรจำสูตรบวกหรือลบโดยไม่ตรวจว่าค่าเป็นทิศตะวันออกหรือตะวันตก

ทำไมปลายที่เรียกว่าเหนือจึงถูกดึงขึ้นเหนือ

แม่เหล็กขั้วต่างกันจะดึงดูดกัน ปลายเหนือของเข็มจึงถูกดึงให้หันเข้าหาบริเวณใกล้ขั้วเหนือภูมิศาสตร์ ซึ่งในนิยามทางฟิสิกส์มีลักษณะเป็นขั้วแม่เหล็กใต้ของโลก ชื่อที่ใช้อยู่เกิดจากการเรียกปลายเข็มซึ่งมุ่งขึ้นเหนือว่าเป็นขั้วเหนือมาตั้งแต่ก่อนเข้าใจโครงสร้างสนามแม่เหล็กอย่างละเอียด

ข้อความว่าโลกมีขั้วเหนือแม่เหล็กจึงเป็นชื่อทางภูมิศาสตร์และการนำทาง ไม่ได้หมายความว่าขั้วตรงนั้นต้องมีชนิดเดียวกับขั้วเหนือของแม่เหล็กแท่ง ความต่างด้านคำเรียกนี้เป็นเหตุให้คำอธิบายเรื่องเข็มทิศดูขัดกันได้

เหตุใดต้องวางเข็มทิศให้ราบ

เข็มของเข็มทิศทั่วไปถูกจำกัดให้หมุนซ้ายขวา หากถือเอียง ตัวเข็มอาจไปเสียดสีกับฝาครอบหรือก้นตลับจนหมุนไม่คล่อง ควรวางบนฝ่ามือหรือแผนที่ให้ราบ รอให้เข็มหยุดแกว่ง แล้วค่อยอ่านค่าจากวงองศา

เข็มทิศบางรุ่นถูกปรับสมดุลตามเขตของโลก เพราะแรงเอียงของสนามแม่เหล็กในซีกโลกเหนือและซีกโลกใต้ไม่เหมือนกัน รุ่นสำหรับใช้งานทั่วโลกจะออกแบบให้รองรับช่วงมุมเอียงได้กว้างกว่า แต่ก็ควรตรวจข้อมูลของรุ่นก่อนนำไปใช้ในพื้นที่ห่างไกล

โลหะและอุปกรณ์ไฟฟ้าทำให้เข็มเพี้ยนได้

สนามแม่เหล็กของโลกค่อนข้างอ่อน แม่เหล็กขนาดเล็กหรือเหล็กที่อยู่ใกล้จึงมีอิทธิพลเหนือเข็มได้ โทรศัพท์ ลำโพง หูฟัง ฝาปิดที่มีแม่เหล็ก นาฬิกาบางชนิด มีด รถยนต์ เสาเหล็ก รั้ว และเหล็กเสริมในคอนกรีตล้วนทำให้เข็มเบี่ยงได้

สายไฟหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีกระแสไหลก็สร้างสนามแม่เหล็ก หากเข็มให้ค่าต่างกันเมื่อขยับตำแหน่งเพียงเล็กน้อย ควรถอยออกจากวัตถุเหล่านี้ วัดซ้ำหลายครั้ง และเทียบกับลักษณะภูมิประเทศบนแผนที่ อย่าวางเข็มทิศบนฝากระโปรงรถแล้วคาดหวังค่าที่แม่นยำ

เข็มทิศสามารถสูญเสียความเป็นแม่เหล็กหรือถูกสลับขั้วได้หากเก็บใกล้แม่เหล็กแรงสูงเป็นเวลานาน ก่อนออกเดินทางจึงควรตรวจว่าปลายที่ทำเครื่องหมายไว้ชี้ทิศเดียวกับเข็มทิศอีกอันหรือทิศอ้างอิงที่เชื่อถือได้

เข็มทิศในโทรศัพท์ทำงานต่างออกไปเล็กน้อย

โทรศัพท์ใช้เซ็นเซอร์วัดสนามแม่เหล็กหรือแมกนีโตมิเตอร์หลายแกน ไม่ได้มีเข็มแม่เหล็กหมุนอยู่จริง ซอฟต์แวร์นำค่าจากเซ็นเซอร์มารวมกับมาตรวัดความเร่งและไจโรสโคปเพื่อคำนวณทิศทาง จากนั้นอาจปรับเป็นทิศเหนือจริงด้วยตำแหน่งและแบบจำลองสนามแม่เหล็ก

เซ็นเซอร์ยังถูกรบกวนจากแม่เหล็กในเคส ที่ยึดโทรศัพท์ รถยนต์ และโครงสร้างโลหะได้เช่นเดียวกัน การขยับโทรศัพท์เป็นรูปเลขแปดซึ่งบางแอปแนะนำ เป็นการช่วยเก็บข้อมูลสนามหลายทิศเพื่อปรับเทียบความคลาดเคลื่อน ไม่ได้เป็นการส่งสัญญาณเรียกดาวเทียม

บริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กใช้งานได้ยาก

เมื่อเข้าใกล้ขั้วแม่เหล็ก องค์ประกอบแนวนอนของสนามจะอ่อนลง ขณะที่สนามชี้ลงหรือขึ้นในแนวดิ่งมากขึ้น เข็มทิศแนวนอนจึงไม่เสถียรและหาทิศได้ยาก พื้นที่ดังกล่าวต้องใช้การนำทางจากดาวเทียม ระบบเฉื่อย ดวงอาทิตย์ ดาว หรือเครื่องมือเฉพาะร่วมกัน

เข็มทิศจึงไม่ใช่อุปกรณ์ที่รู้ว่าขั้วโลกตั้งอยู่ตรงไหน มันเพียงตอบสนองต่อทิศของสนามแม่เหล็ก ณ จุดที่ถืออยู่ ความเรียบของตัวเครื่อง สิ่งรบกวนรอบข้าง และมุมเบี่ยงเบนของพื้นที่เป็นตัวกำหนดว่าค่าที่อ่านจะนำไปเทียบกับแผนที่ได้แม่นเพียงใด

อ้างอิงข้อมูล
https://www.ncei.noaa.gov/products/world-magnetic-model
https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/calculators/magcalc.shtml
https://www.usgs.gov/programs/core-science-systems/science/using-compass-usgs-topographic-map
https://geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.html