Az iránytű és a mágnesesség

Ha viszont nincs kedvünk a mondókához és számolgatni sem szeretnénk, akkor inkább tájolót vigyünk magunkkal, amelynek a doboza elforgatható a tűt rögzítő pöcök alatt, az alján pedig ott vannak a fő- és mellék égtájak jelölései. Ezen tehát elég lesz az alján látható „É” feliratot beforgatni a tű hegye alá, és azonnal látjuk az irányokat.

Ha kiránduláshoz használjuk a tájolót, olyankor az irányszöget is leolvashatjuk róla, vagyis azt, hogy a pillanatnyi haladásunk iránya milyen mértékben tér el attól az útvonaltól, amely a célunkhoz vezet. (Mindehhez persze tudnunk kell, hogy merrefelé van a célunk a kiindulópontunkhoz képest.)

Mágnesség-mágnesesség, delej

Az iránytű mögött tehát a mágnesség, hétköznapi szóhasználatban a mágnesesség áll, amely fizikai fogalom, és bizonyos testek (mágnesek) egymás közötti vonzó és taszító képességére utal.

A magyar nyelvben a nyelvújítás idején a „delej” szót találták ki a megmagyarítására. Ez úgy keletkezett, hogy összevonták a mágneses tű két átellenes pontja, a déli és az északi nevét. És mivel a „dél” töve a „del” volt, az „észak” pedig akkor „éjszak”-nak hangzott, a szó első alakja „deléj” volt. Ezt azonban a köznyelv valószínűleg túlságosan mesterkéltnek találta és delejjé formálta át. A szót ma már csak ritkán használjuk a mágnesesség jelölésére, ám átvitt értelemben gyakran találkozhatunk vele, például a hipnózisra utaló „delejes álom”, vagy az erős hatást megfogalmazó „delejes tekintet” kifejezésekben.

Hol használták fel először a Föld mágnesen terét?

Néhány ásvány mágneses tulajdonságait már az ókori közép-amerikai népek is ismerték i. e. 2000 körül, de másutt is hamar felfedezték, hogy például a magnetit (Fe₃O₄) képes apró vasdarabokat magához vonzani. A mágneses test és a vasdarab között a kölcsönhatás mindig a vonzás. Az ilyen mágneseket pedig permanens vagy állandó mágneseknek nevezzük.

Majd miután az 1700-as évektől megjelent az acélgyártás is (az acél a vasnak olyan ötvözete, amely legfeljebb 2,06 százalékban tartalmaz szenet vagy egyéb elemet), azt tapasztalták, hogy egy mágneses érc segítségével az acél felmágnesezhető. Emellett azt a jelenséget is jól ismerték, hogy ha valahová becsapott a villám, ott a közelben az acél pengéjű kések mágnesessé váltak, ami később az elektromágnesesség fizikájának tudományához vezetett.

Azt, hogy bizonyos fémek magukhoz vonzzák a vasat, illetve hogy mások taszítják azt, először Kínában írták le, ahogyan azt is, hogy ha egy mágneses tárgyat felfüggesztenek és hagynak szabadon mozogni, az mindig egy irányba fog beállni. Ezt a szabad mozgást többnyire egy vízzel telt tállal biztosították úgy, hogy a fém tárgyat gyékénydarabra vagy fadarabra tették, amely fenn tartotta a víz felszínén. Az összefüggés felismerésétől pedig már csak egy lépést kellett tenni ahhoz, hogy ezt a gyakorlatban tájolásra is felhasználják.

Az első, iránytű szerepet betöltő tárgy az ún. Sinanshao „délt irányító kanál” volt i.e. 1000 körül. Ezt vitték tehát magukkal az utazók egy vízzel töltött edénnyel együtt.

Ám mivel akkor még a jelenség okát nem ismerhették, a mágnesség szükségképpen a mágia területére is bevonult, s az iránytűként is szolgáló eszközt a Geomanciánál, vagyis a földjóslásnál is használták. A kanál olykor még ma is része a népszerű feng-shuinak. (A kínai feng-shui kifejezés a szavaira bontva azt jelenti, hogy „szél-víz’”. Ez a természet egységét, a lélegzet és az öt elem – fa, föld, víz, tűz és fém – harmóniáját fejezi ki. A feng-shui mesterei az irányba beálló eszközzel azonban nem pusztán az égtájakat határozták meg. A tárgyat egy asztrológiával összefüggésbe hozható térkép közepére helyezték, amelyen koncentrikus körök és azokon áthaladó vonalak voltak. Ez utóbbiak jelezték, hogy például egy adott szobában mi bonthatja meg, illetve állíthatja vissza a természet harmóniáját.)

Az eszköz finomítása során megmérték, hogy a mágneses tű hány fém tűt tud felemelni, és ennek alapján különféle minőségi kategóriákat állítottak fel. Az idők során a kínaiak már kiemelkedően pontos navigációra alkalmas iránytűket is tudtak készíteni, sőt a mágneses és a csillagászati észak eltérését is felismerték, amelynek ma mind a hajózásban, mind a repülésben meghatározó a szerepe. A Föld belső mágneses rúdjának sarka és a földmágneses sark (vagyis az Északi-sark) ugyanis a Föld forgása miatt nem esik egy pontba. Ez pontos műszerek híján eltérő jelzésekhez vezethet és elbizonytalaníthatja a navigációt, ezért a hajózásnál-repülésnél használt, modern műszerek már jóval bonyolultabb számításokkal működnek, mint az egyszerű iránytűk.

A kínaiak által kifejlesztett iránytűt a 13-dik században, az utazások fellendülésének idején hozták be Európába, arab kereskedők. Ebben az időben az iránytű változatlanul egy vízzel teli edényben úszó szalmatutaj volt, amelyen azonban már nem egy nagyobb darab mágneses tárgy, hanem több, keskeny mágneses fémszál adta a műszer mutatóját.

Miért áll be az iránytű tűje egy irányba? 

A Föld mágneses terét, az ún. mágneses mezőt valószínűleg az annak belső szerkezetében működő dinamó-mechanizmus tartja fenn. A dinamó-mechanizmus általában véve azt jelenti, hogy egy rendszer öngerjesztéssel, forgással gerjeszt önmagában áramot. (A szó a görög „erő” jelentésű dünamisz, illetve az ebből származó, „képes rá” jelentésű dünamai kifejezésből ered.)

A Föld fémes belsejét egy 7000 kilométer átmérőjű földmag alkotja (ez nagyjából megegyezik a Hold méretével, a hőfoka pedig a Nap felszínének forróságával azonos). A dinamó-mechanizmus itt azt jelenti, hogy a magban lévő olvadt vasból és nikkelből álló anyag hőelvezetési mozgásai révén örvényáramok, ún. konvekciós áramlatok keletkeznek, és ezek kiterjedt mágneses teret gerjesztenek.

Ezt legutóbb így tette érthetővé a Bécsi Műszaki Egyetem kutatója, Alessandro Toschi (tossi): „A földmag hőjének utat kell találnia fölfelé: a forró anyag a bolygó felsőbb rétegei felé szállva úgynevezett konvekciós áramlatokat kelt. Ugyanekkor a Föld forgása is nagy erőt hoz létre, az úgynevezett Coriolis-erőt, és a két erő együtt a forró anyag bonyolult, spirális áramlását kelti. »Ha egy ilyen áramlásrendszerben elektromos áram keletkezik, az mágneses teret hozhat létre, amely tovább erősíti az elektromosságot és így tovább, míg végül a mágneses erő olyan nagy lesz, hogy a Föld felszínén is mérni tudjuk«".

A mágnességet elsőként az angol Erzsébet királynő udvari orvosa, William Gilbert (zsilber, 1544-1603) vizsgálta. Az erről szóló könyvében – amely nem mellesleg Giordano Bruno megégetésének évében, 1600-ban jelent meg – megfogalmazza, hogy az egész Föld egyetlen nagy mágnesnek is tekinthető.

A kiemelkedő magyar mérnök, fizikus és tudós-tanár (az űrutazó Charles Simonyi édesapja), Simonyi Károly (1916-2001) így foglalta össze Gilbert kutatásainak jelentőségét: „Ilyen módon adja meg Gilber az iránytű elméletét. Megállapítja a pólusok közötti erőhatás jellegét, tehát beszél vonzó- és taszító erőről. Megállapítja azt is, hogy egy mágnestűt kettétörve a két pólus nem választható el egymástól: mindegyik feléből újra egy kétpólusú mágnestű lesz. Megállapítja a mágnestű inklinációját, vagyis elhajlását a vízszinteshez képest. Ilyen módon lehetségesnek véli, hogy ezen elhajlás segítségével a szélességi fokot meg lehessen határozni, minden asztronómiai megfigyelés nélkül”. (Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete, Gondolat Kiadó, 1978., 273. l.)

Az iránytű, illetve a tájoló fejlődéstörténete később igazolta Gilbert feltevését. Az első iránytűk azonban még megelégedtek azzal, hogy megmutatták a mágneses tér áramlási irányát, amely a mágneses déltől a mágneses észak felé mutat. Ennek ereje tehát az, amely a Föld felszínén lévő, ugyancsak mágneses tárgyakat – például az iránytű vagy a tájoló tűjét – beállítja az áramlási irányba.

Hogyan pontosították az iránytűket?

Az első, jelentős műszaki átalakítást valószínűleg egy itáliai hajós, a Nápoly közeli Amalfiból származó Flavio Gioia végezte el a mérőszközön. Ő a mágneses tulajdonságú lemez szilárd felfüggesztését oldotta meg: egy dobozban függőleges tengelyre helyezte rá a mágneses lemezt, amelyre kis lyukat vágott. A lemez így szabadon foroghatott a tengely körül. Később a nehézkes lemezt kicserélte egy karcsú tűre.

A szerkezetet a hajó középvonalában rögzítette, és a házán megjelölte a hajó középvonalát is, hogy látható legyen: merre és milyen mértékben tér el a hajó a tű irányától. Ezzel a mai tájoló ősét alkotta meg, amelyet persze csak akkor lehetett pontosan leolvasni, amikor a hajó nyugodt vízen haladt. A folyamatos hullámzás meglehetősen nehézzé tette a használatát, ezért a műszer fejlesztésének igénye továbbra is aktuális maradt.

A megoldásra azonban a 16-dik századig kellett várni. Ekkor dolgozta ki egy olasz fizikus, Gerolamo Cardano azt a felfüggesztést, amellyel az iránytű a hullámoktól kibillenő hajón is megtarthatta függőleges helyzetét.