Kim la bàn chỉ hướng bắc vì Trái Đất là một nam châm khổng lồ, và cây kim, vốn là một thỏi nam châm nhỏ quay tự do, tự xoay cho thẳng hàng với từ trường ấy. Nhưng nó chỉ về cực từ, không phải cực Bắc địa lý: cực từ phía bắc hiện nằm trong vùng Bắc Băng Dương, cách cực địa lý vài trăm kilômét và vẫn đang dịch chuyển mỗi năm. Góc lệch giữa hai hướng bắc gọi là độ từ thiên; ở Việt Nam góc này hiện rất nhỏ.
Cầm la bàn lên, bạn đang thấy gì
Đặt một chiếc la bàn trên bàn, chờ kim đứng yên. Đầu kim sơn đỏ (hoặc có chữ N) chỉ về một hướng cố định, xoay la bàn thế nào nó cũng quay về chỗ cũ. Đưa la bàn lại gần chiếc nồi gang, cây kéo, loa điện thoại, kim lập tức lệch đi. Mang la bàn lên đỉnh núi hay xuống bờ biển, kim vẫn chỉ cùng một hướng.
Ba quan sát này nói lên ba điều: có một lực vô hình tác động khắp nơi trên Trái Đất; lực ấy có hướng; và vật bằng sắt ở gần có thể lấn át nó.
Trái Đất là một nam châm như thế nào
Lõi Trái Đất có hai phần: lõi trong rắn và lõi ngoài là sắt, niken nóng chảy, bắt đầu ở độ sâu khoảng 2.900 km. Kim loại lỏng dẫn điện này chuyển động không ngừng do nhiệt từ sâu bên trong và do Trái Đất tự quay. Kim loại dẫn điện chuyển động trong từ trường thì sinh ra dòng điện, dòng điện lại sinh ra từ trường, tự duy trì lẫn nhau. Các nhà địa vật lý gọi đây là cơ chế dynamo địa cầu. Mô hình này được chấp nhận rộng rãi, dù chi tiết dòng chảy trong lõi vẫn là đề tài nghiên cứu.
Nhìn từ xa, từ trường ấy gần giống từ trường của một thỏi nam châm thẳng đặt trong lòng đất, hơi nghiêng so với trục quay. Đường sức từ đi ra từ vùng gần cực Nam địa lý, vòng qua bầu trời, rồi đi vào ở vùng gần cực Bắc địa lý.
Câu đố tên gọi: "cực bắc" của kim là cực gì
Hai cực khác tên thì hút nhau. Đầu kim la bàn chỉ về phía bắc được gọi là "cực bắc" của kim. Vậy chỗ nó bị hút về, ở gần cực Bắc địa lý, về mặt vật lý thật ra là một cực nam từ. Để khỏi rối, người ta quy ước gọi chỗ đó là "cực từ Bắc" theo vị trí địa lý. Nếu đọc sách vật lý thấy viết "cực Bắc địa lý là cực Nam từ" thì đó không phải lỗi in, mà là cách gọi chính xác theo vật lý.
Ba hướng bắc khác nhau
| Tên | Là gì | Ai dùng |
|---|---|---|
| Bắc thật (bắc địa lý) | Hướng về điểm trục quay Trái Đất xuyên qua mặt đất ở phía bắc | Bản đồ, thiên văn, sao Bắc Cực chỉ gần đúng hướng này |
| Bắc từ | Hướng kim la bàn chỉ tại chỗ bạn đứng | La bàn, người đi rừng, đi biển |
| Bắc lưới | Hướng các đường lưới tung độ trên bản đồ địa hình | Đo đạc, quân sự, bản đồ địa hình |
Góc giữa bắc thật và bắc từ là độ từ thiên. Nó khác nhau tuỳ nơi trên Trái Đất và thay đổi theo năm. Có nơi ở Bắc Mỹ, Bắc Âu, độ từ thiên lên tới hàng chục độ, người đi rừng không hiệu chỉnh là lạc đường. Ở Việt Nam, độ từ thiên hiện chỉ cỡ một, hai độ hoặc ít hơn, nên trong đời thường gần như có thể coi kim chỉ đúng bắc. Muốn biết con số chính xác tại một điểm, có thể tra công cụ tính từ trường trên trang của NOAA (Cơ quan Khí quyển và Đại dương Hoa Kỳ), nhập toạ độ và ngày.
Cực từ đang chạy
Cực từ phía bắc không đứng yên. Từ khi được xác định lần đầu ở vùng Bắc Cực thuộc Canada vào thế kỷ 19, nó trôi dần về phía Siberia. Trong vài thập kỷ gần đây, tốc độ có lúc lên tới khoảng 50 km mỗi năm, rồi chậm lại. Vì vậy các mô hình từ trường thế giới, dùng trong định vị máy bay, tàu biển và điện thoại, được cập nhật định kỳ vài năm một lần.
Ở khoảng thời gian dài hơn nhiều, từ trường Trái Đất còn đảo cực: cực bắc và cực nam từ đổi chỗ cho nhau. Dấu vết được ghi trong đá núi lửa và đá đáy đại dương, nơi các khoáng vật nhiễm từ "đóng băng" hướng từ trường lúc đá nguội. Lần đảo cực gần nhất xảy ra khoảng 780.000 năm trước. Không ai đoán được lần tới khi nào, và một lần đảo cực diễn ra trong hàng nghìn năm, không phải qua một đêm.
Kim không chỉ nằm ngang: góc từ khuynh
Đường sức từ không song song với mặt đất. Ở gần cực từ, chúng cắm gần như thẳng đứng xuống đất; ở gần xích đạo từ, chúng nằm gần ngang. Một chiếc kim nam châm treo tự do sẽ chúc đầu xuống theo góc đó, gọi là độ từ khuynh. Việt Nam ở khá gần xích đạo từ nên góc chúc nhỏ. La bàn du lịch thường được nhà sản xuất cân chỉnh theo từng vùng trên thế giới để kim nằm thăng bằng; mang một chiếc la bàn cân cho Bắc Âu sang Việt Nam, đôi khi kim cạ vào nắp hộp.
Đôi dòng lịch sử
Người Trung Hoa cổ biết đá nam châm (magnetit) hút sắt và tự xoay về một hướng. Các ghi chép thời Hán nhắc đến dụng cụ chỉ hướng, nhưng việc dụng cụ ấy có dùng nam châm hay không vẫn còn tranh luận giữa các nhà sử học. Chắc chắn hơn là Mộng Khê bút đàm của Thẩm Quát, viết cuối thế kỷ 11 thời Bắc Tống, mô tả kim sắt được mài trên đá nam châm để chỉ hướng, và ghi nhận rằng kim không chỉ đúng chính nam mà hơi lệch, tức là đã nhận ra độ từ thiên. Đầu thế kỷ 12 đã có ghi chép người đi biển dùng la bàn khi trời u ám. Ở châu Âu, la bàn hàng hải xuất hiện trong tư liệu từ khoảng cuối thế kỷ 12.
Ở Việt Nam, la bàn quen thuộc nhất trong dân gian có lẽ là chiếc la kinh dùng trong xem hướng nhà, đặt mộ. Phần lõi của nó vẫn là một cây kim nam châm, bao quanh là các vòng chữ của thuật phong thuỷ. Đó là cách dùng văn hoá, còn phần vật lý thì giống hệt la bàn đi biển.
Hiểu lầm thường gặp
- "Kim la bàn chỉ về sao Bắc Cực." Không. Sao Bắc Cực chỉ gần đúng hướng bắc thật. La bàn chỉ bắc từ. Ở Việt Nam hai hướng gần trùng nhau nên dễ tưởng là một.
- "La bàn điện thoại chính xác hơn la bàn kim." La bàn điện thoại dùng cảm biến từ trường bên trong máy, rất dễ bị nhiễu bởi ốp lưng có nam châm, loa, vật kim loại gần. Nó thường cần hiệu chỉnh bằng cách xoay máy theo hình số 8.
- "Đi xích đạo thì la bàn hỏng." Ở xích đạo la bàn vẫn chỉ bắc từ bình thường. Chỉ ở rất gần cực từ, kim mới gần như vô dụng vì đường sức cắm thẳng xuống đất.
- "Chim di cư nhìn thấy từ trường." Nhiều loài chim cảm nhận được từ trường, nhưng chúng cảm nhận bằng cách nào vẫn đang được nghiên cứu, và chúng dùng thêm Mặt Trời, sao, địa hình.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Làm la bàn nước trong năm phút
- Lấy một cây kim khâu và một nam châm tủ lạnh. Vuốt kim dọc nam châm khoảng 30 lần, luôn theo một chiều, nhấc lên rồi vuốt lại, không vuốt qua lại.
- Cắt một khoanh nút bần hoặc một mẩu xốp mỏng, hoặc dùng một chiếc lá nhỏ. Đặt kim nằm trên đó.
- Thả nổi lên một bát nước, xa nồi niêu, điện thoại, loa. Kim sẽ từ từ quay và dừng lại theo hướng bắc nam.
- Kiểm tra bằng la bàn thật hoặc bằng hướng Mặt Trời mọc buổi sáng (gần phía đông, lệch lên bắc hoặc xuống nam tuỳ mùa; nhớ không nhìn thẳng vào Mặt Trời).
Thấy sắt làm nhiễu la bàn
Đặt la bàn trên bàn gỗ, đưa từ từ một chiếc kéo, chìa khoá, nồi gang lại gần. Ghi khoảng cách bắt đầu thấy kim lệch. Rồi thử cạnh khung cửa sắt, xe máy, cột đèn. Đó là lý do người đi rừng không đọc la bàn khi đứng cạnh xe.
Nhớ cất nam châm và kim khâu cẩn thận nếu nhà có trẻ nhỏ.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao kim la bàn luôn chỉ hướng bắc?
Vì Trái Đất có từ trường, sinh ra từ dòng kim loại lỏng chuyển động trong lõi ngoài. Kim la bàn là một nam châm nhỏ quay tự do nên tự xoay thẳng hàng với từ trường đó, đầu bắc của kim chỉ về cực từ ở phía bắc.
Bắc từ và bắc địa lý khác nhau thế nào?
Bắc địa lý là hướng về điểm trục quay Trái Đất xuyên qua mặt đất ở phía bắc. Bắc từ là hướng kim la bàn chỉ, về cực từ hiện nằm ở vùng Bắc Băng Dương và đang dịch chuyển. Góc giữa hai hướng gọi là độ từ thiên.
Ở Việt Nam la bàn lệch bao nhiêu độ?
Độ từ thiên ở Việt Nam hiện chỉ cỡ một, hai độ hoặc ít hơn, nên trong đời thường gần như coi kim chỉ đúng bắc. Con số chính xác thay đổi theo vị trí và năm, có thể tra trên công cụ tính từ trường của NOAA.
Cực từ của Trái Đất có di chuyển không?
Có. Cực từ phía bắc trôi từ vùng Bắc Cực thuộc Canada về phía Siberia, trong vài thập kỷ gần đây có lúc nhanh tới khoảng 50 km mỗi năm. Vì vậy các mô hình từ trường dùng cho định vị được cập nhật định kỳ.
Ai phát minh ra la bàn?
La bàn kim nam châm xuất hiện ở Trung Hoa. Ghi chép rõ ràng sớm nhất là trong Mộng Khê bút đàm của Thẩm Quát cuối thế kỷ 11, mô tả kim được mài trên đá nam châm và ghi nhận độ lệch so với chính nam. Các dụng cụ chỉ hướng sớm hơn thời Hán vẫn còn được tranh luận.
