قطب نما یکی از مهمترین وسائل جهت یابی در روی کره زمین است از وقتی که قطب نما اختراع شد دانش جغرافیا دگرگون شد و سفرهای دریائی به اقصی نقاط جهان شروع شد . در اینجا هدف پرداختن به طرز کار قطب نام و انواع آن و روش های جهت یابی با قطب نما می باشد . ولی قبل از آن تعریفی هم از شمال داشته باشیم .

۱- انواع شمال

وقتی که در مورد شمال صحبت می کنیم  عامه شمال را فقط شمال جغرافیائی می شناسند در حالی که باید بدانیم در حقیقت سه نوع شمال وجود دارد . ( شکل شماره ۱ )
۱-۱) شمال جغرافیائی ( همینطور جنوب ) که به قطب شمال جغرافیائی ( محور چرخش زمین به دور خودش ) ختم می شود این را شمال جغرافیائی یا شمال حقیقی می گویند که منظور عامه از شمال همیشه همان شمال است .
جهت شمال جغرافیائی در هر نقطه از نیمکره شمالی تقریبا متوجه ستاره قطبی است . بنابر این جهتی را که رو به ستاره قطبی باشد شمال جغرافیائی نام دارد .
۱-۲) شمال مغناطیسی : از چرخش زمین به دور خود یک نیروی جاذبه مغناطیسی به وجود می آید که در قطب شمال متمرکز می شود و نوک عقربه قطب نما را به طرف خود جذب می کند. به عبارتی امتدادی را که عقربه قطب نما نشان می دهد شمال مغناطیسی نام دارد و با علامت N ( مخفف North به معنی شمال است )
۱-۳) شمال شبکه : امتداد خطوط عمودی روی نقشه را در جهت بالا شمال شبکه می گویند و با علامت GN مشخص می گردد Grid North
باید توجه داشته باشیم که قطب شمال مغناطیسی حدود چند درجه با شمال حقیقی اختلاف دارد، که چنانچه از نقشه استفاده می کنیم باید مقدار اختلاف آن را در نقشه تاثیر دهیم. معمولا این اختلاف را در نقشه های دقیق مشخص کرده اند.

شکل شماره ۱ – انواع شمال و زاویه بین آنها

 نکته : زاویه بین یک امتداد دلخواه با شمال در جهت عقربه های ساعت گرا نام دارد .
نقطه B نقطه ای است که امتداد آن را با نقطه A (محل ناظر) تعیین کردیم بنابر این همچنان که سه نوع شمال داریم
برای نقطه B هم سه نوع گرا هم تعریف می کنیم . ( گرای جغرافیائی , گرای مغناطیسی , گرای شبکه )

۲- تاریخچه قطب نما

قطب نما دستگاهی ساده برای نمایش جهت شمال می باشد که در روزگار کهن اختراع شد ولی مانند دیگر اختراعات دوران باستان مدت ها طول کشید تا همه ( مخصوصا دریانوردان ) به ارزش آن پی ببرند در این میان اختلاف وجود دارد عده ای ان را به چینی ها و حتی ایرانیان باستان نسبت می دهند .
۲-۱) روایت اول چینی ها مخترع قطب نما :
چینی ها پس از کشف سنگ مغناطیسی، ابتدا با خاصیت مغناطیسی اش، یعنی خاصیت جذب آهن آشنا شده و سپس به تدریج، خاصیت جهت نمایی آن را کشف کرده و پس از انجام آزمایش ها و مطالعات فراوان، دستگاه قطب نمای اولیه را که به زبان چینی «عقربه نمایش سمت جنوب» نامیده می شود، اختراع کردند.
چینی ها در دوره تاریخی «جان گوئو»( به معنی جنگ ایالت های مختلف چین (حدودا ۴۰۰ ق. م الی ۲۲۱ ق. م دستگاه جهت نمایی به نام «سی نان»، به معنای نشان دهنده جهت جنوب اختراع کردند. هر چند، هیچ تصویر و یا بقایایی از هیچ کدام از دستگاه های «سی نان» در دوره «جان گوئو» باقی نمانده، اما می توان با تماشای مدل مشابه آن که بر اساس کتب تاریخی و از روی بقایای کشف شده آن از جهت نمای دوره سلسله «هان» (۲۰۶ ق.م الی ۲۴ م) ساخته شده است، به راز باستانی این دستگاه پی ببریم. دستگاه «سی نان» از دو قسمت صفحه و قاشق مغناطیسی شامل می شود.صفحه «سی نان»، از جنس برنز ساخته می شود و سطحی بسیار صیقلی دارد که بر روی آن اسامی ۲۴ جهت، به چینی نوشته شده است. قاشق «سی نان» از یک قطعه آهن تراش یافته مغناطیسی طبیعی ساخته می شود و بسیار صیقلی می باشد. برای تعیین جهت با این دستگاه، بایستی قاشق را روی صفحه قرار داده و بچرخانیم و تا آنکه قاشق از حرکت بایستد؛ جهتی که دسته قاشق به آن اشاره می کند، جهت جنوب است. این دستگاه تا قرن هشتم میلادی مورد استفاده قرار می گرفت . (شکل شماره ۲ )

شکل شماره ۲ – قاشق سی نان

۲-۱) روایت دوم ایرانی ها مخترع قطب نما :
در مورد اختراع قطب‌نما روایت‌های زیادی وجود دارد. تنی چند از دانشمندان آن را به چینی‌ها و یا حتی ایتالیایی‌ها نسبت می‌دهند. اما بیشتر دانشمندان همداستانند که قطب‌نما به وسیله ایرانیان ساخته شده‌است. قطب‌نمای ایرانی برخلاف قطب‌نمای چینی که ۲۴ جهت داشت، دارای ۳۲ جهت بوده‌است. عدد ۳۲ علاوه بر نشان‌دادن دقت بیشتر قطب‌نمای ایرانی، نمایانگر آشنایی ایرانیان با اعداد در مبنای ۲ و دانش ریاضی پیشرفته آنان است. در افسانه‌های کهن ایرانی آمده‌است که اسفندیار رویین به هنگام حرکت برای نبرد با اژدها از پیکانی آهنین سود می‌جسته، که همواره جهت ثابتی را به او نشان می‌داده‌است. در دوران نخستین اسلامی، قبله‌نما توسط ایرانیان به قطب‌نما افزوده شد تا همواره و در هر وضعیتی بتوان جهت درست قبله را پیدا نمود. ایرانیان از این اختراع استفاده کامل نموده و آن را به دیگر مسلمانان شناساندند. نام‌های فارسی اجزای قطب‌نما در زبان عربی شاهد تاریخی مسلمی است که کاربرد قطب‌نما از طریق ایرانیان به دست دیگر ملت‌های مسلمان رسیده‌است.
۲-۳)بکار گیری قطب نما در اروپا :
انسان ها در دریانوردی نخستین خود بدون همراه داشتن ابزاری مانند قطب نما ، سکستانت ، کرونومتر و دستگاه های الکترونیکی که امروز شناخته شده است و تنها با استفاده از روشنایی روز و در هوای آرام ، فقط آموخته بودند که چگونه از یک نقطه ساحلی به نقطه ای دیگر رفته سپس به مکان اولیه نخست خود بازگردند و حتی گاهی از حوزه دید علائم خشکی دور می شدند ، ولی به خوبی می دانستند که در کدام نقطه قرار دارند. آنها در روز با استفاده از خورشید و در شب ، در صورت مساعد بودن هوا با استفاده از ستارگان و سیارات دریانوردی می کردند .
با این وجود ممکن بود برای روزها هوا ابری بوده و نتوانند مسیر را پیدا کنند بنابر این همیشه از گم شدن در دریاهای بی کران و ناشناخته وحشت داشتند . از این رو معمولا به گونه ای حرکت می کردند تا بتوانند ساحل را ببینند پس نمیتوانستند در دل اقیانوس حرکت کنند .
در اوائل قرون وسطا قطب نما توسط اعراب تکمیل و بکار گرفته شد و در قرن ۱۲ میلادی به اروپا برده شد .
در سال ۱۱۸۷ نویسنده انگلیسی الکساندر نکام ( ۱۲۱۷ تا ۱۱۵۷ ) توصیف می کند که در کشتی نشانه ای وجود داشت که می توانست حتی وقتی که ستاره قطبی زیر ابرها پنهان بود مسیر مورد تعقیب را نشان دهد.
با تکمیل قطب نما سفرهای دریائی به صورت گسترده شروع شد و عصری نو در تاریخ جهان گشوده شد .

شکل شماره ۳ – قطب نمای متعلق به سال ۱۷۴۶
شکل شماره ۴ – نمونه دیگری از قطب نمای قدیمی متعلق به قرن ۱۸

 ۳- روش استفاده از قطب نما

روش استفاده از قطب نما خیلی ساده است تنها باید به دو نکته توجه داشته باشید .
۳-۱) در مرحله اول باید قطب نما را از هر چیزی که باعث انحراف عقربه می شود دور نگه دارید . اشیاء آهنی و خطوط فشار برق … می تواند عقربه را منحرف کند بنابر این باید از این موارد فاصله بگیرید ( جدول شماره ۱ )

جدول شماره ۱ – حداقل فاصله مورد نیاز قطب نما  با اشیا مختلف

۳-۲) در مرحله دوم باید قطب نما را در جائی که هیچ حرکتی نداشته باشد قرار دهید و کمی صبر کنید تا از حرکت بایستد . ( شکل شماره ۶)

۳-۳) در مرحله بعد باید به آرامی قطب نما را حرکت داده تا  علامت شمال قطب نما زیر عقربه رنگی قرار گیرد (در همه قطب نماها عقربه ای که باید به سمت شمال قرار گیرد رنگی می کنند) در این صورت عقربه رنگی جهت شمال مغناطیسی را نشان می دهد . و درجات و نشانه های دیگر جهات دیگر را نشان می دهند . ( شکل شماره ۷)

۳-۴ ) در صورتی که زاویه مایل مغناطیسی را داشته باشید به جای  گذاشتن علامت شمال زیر عقربه باید در جهت زاویه مایل چرخانده و همان زاویه را قرار دهید(در بسیاری از قطب نماها علاوه بر چهار جهت اصلی کل محیط قطب نما به ۳۶۰ درجه که یک دور دایره باشد تقسیم شده) مثلا زاویه مایل مغناطیسی در تهران فعلا ۵ درجه در جهت شرق می باشد بنابر این عقربه رنگی را ۵ درجه در جهت شرق قرار دهید تا علامت N روی نقشه شمال جغرافیائی را نشان دهد . ( شکل شماره ۸ )

۳-۵) در صورتی که قبله را بخواهید نشان دهد باید زاویه سمت قبله شهر خود را پیدا کرده ( قطب نماهائی هستند که یک علامت دیگر مخصوص پیدا کردن قبله دارند و قبله نما نامیده می شوند ) و عقربه قطب نما را به جای قرار دادن در روی شمال روی زاویه سمت قبله قرار دهید و زاویه مایل را هم به آن اضافه کنید .  ( شکل شماره ۹ )

زاویه سمت قبله در تهران  ۵/۲۱۸درجه می باشد ( زاویه سمت شمال به طرف شرق می باشد اگر نسبت به جنوب حساب کنیم ۵/۳۸درجه از جنوب به سمت غرب می باشد ) و  مایل مغناطیسی هم ۵ درجه می باشد بنابر این داریم : “ ۱۴۶/۵=۵+(۲۱۸/۵-۳۶۰ )“ بنابر این عقربه قطب نما به جای آنکه زیر خط شمال باشد زیر شاخص زاویه ۵/۱۴۶ باید باشد در این صورت علامت N به جای آن که متوجه شمال باشد متوجه قبله می باشد یعنی قبله را نشان می دهد در حالی که عقربه قطب نما همچنان شمال مغناطیسی را نشان می دهد  .

شکل های شماره ۶ تا ۸ طریقه استفاده از قطب نما را نشان می دهد . ما در تهران بین شمال مغناطیسی و شمال جغرافیائی و همینطور جهت قبله زاویه هائی داریم که در شکل شماره ۵ نشان داده شده است 

شکل شماره ۵ – زاویه بین جهت قبله و شمال مغناطیسی با شمال جغرافیائی در تهران

شکل شماره ۶ – قطب نما هنوز تنظیم نشده است

شکل شماره ۷ – وقتی عقربه قرمز زیر حرف N قرار گیرد حرف N ( و همچنین عقربه قرمز ) دقیقا شمال مغناطیسی را نشان می دهد

شکل شماره ۸ – وقتی عقربه قرمز بجای آنکه زیر N قرار گیرد زیر عدد ۵ (مایل مغناطیسی مثال : تهران) قرار گیرد حرف N دقیقا شمال جغرافیائی را نشان می دهد
درحالی که عقربه قرمز همچنان شمال مغناطیسی را نشان می دهد

شکل شماره ۹ – وقتی عقربه قرمز بجای آنکه زیر N قرار گیرد زیر عدد ۱۴۶/۵ (طبق آنچه برای تهران بدست آوردیم) قرار گیرد حرف N بجای شمال جهت قبله را نشان می دهد
درحالی که عقربه قرمز همچنان شمال مغناطیسی را نشان می دهد

۴- انواع قطب نما های مغناطیسی

در اینجا راجع به انواع قطب نماهای مغناطیسی صحبت میکنیم یعنی قطب نماهائی که صرف نظر از ظاهرشان از یک عقربه مغناطیسی و یک صفحه مدرج ساخته شده اند.
۴-۱) قطب نمای مغناطیسی : صرف نظر از نمونه های ساده و پیشرفته اساس کار همه آنها بر یک چیز استوار است یک صفحه مدرج که جهات اصلی جغرافیائی روی آن نوشته شده است . و یک سوزن مغناطیسی که بر اساس میدان مغناطیسی زمین کار می کند .
۴-۱-۱) قطب نماهای حرفه ای : قطب نمائی است که مخصوص کارهای حرفه ای  طراحی شده است کارهائی که دقت و حساسیت زیادی در آن مورد نیاز است همچون : درجه بندی پیشرفته و دقیق , سوزن مغناطیسی قوی تر بدنه ضد آب و … از این سری  بیشتر در امور نظامی و هوانوردی و دریانوردی و … هر کاری که حساسیت بیشتری مورد نیاز است استفاده می شود. در بعضی نمونه ها جهت یاب لیزری و… هم اضافه شده (شکل های ۱۰تا۱۲ )

شکل شماره ۱۰ – قطب نمای نظامی

شکل شماره ۱۱- قطب نمای هوانوردی

شکل شماره ۱۲ – قطب نمای دریانوردی

۴-۱-۲) قطب نماهای خانگی : در این نمونه ها بستگی به قیمت آن انواع و اقسام مدل ها در بازار موجود است و بعضی مدل ها ی گرنقیمت به نمونه های حرفه ای بیشتر شبیه هستند . نمونه هائی را روی انواع ساعت مچی گرفته تا جاسوئیچی سوار می کنند ( شکل های ۱۳ تا ۱۷ )

شکل های شماره ۱۳ تا ۱۵ – قطب نمای ساده خانگی

شکل های شماره ۱۶ و ۱۷ – قطب نما طراحی شده روی جاسوئیچی

۵- انواع قطب نما های دجیتالی

بسیاری از این قطب نماها با استفاده از اهن ربای مغناطیسی اطلاعات را به صورت دجیتالی روی صفحه نمایشگر می فرستند و بسیاری هم برای گوشی های همراه و.. طراحی شده اند و با استفاده از سامانه هائی نظیر Gps و… کار می کنند و در واقع برنامه هائی هستند که به کمک Gps جهت های جغرافیائی را محاسبه کرده و روی صفحه نمایشگر تبلت و موبایل و.. می فرستند . قابلیت قطب نما در تبلت ها و تلفن های همراه  تعبیه شده است حتی در بسیاری از گوشی های همراه هم وجود دارد . درون دستگاه شما یک آهنربای بسیار ریز تعبیه شده که در حال چرخش به دور یک محور می باشد و نوک آن به قطب شمال این سیاره اشاره دارد.
قابلیت قطب نما در تبلت ها و تلفن ها توسط چیزی کمی پیچیده تر فعال می گردد: سنسوری به نام مگنتومتر (magnetometer)، که برای اندازه گیری قدرت و جهت میدان مغناطیسی استفاده می شود. با تجزیه و تحلیل میدان مغناطیسی زمین، سنسور اجازه می دهد تا تلفن جهت خود را با دقت بسیار بالا معلوم نماید. این سنسور حتی در تلفن ها و تبلت های ارزان قیمت هم موجود می باشد . اما قبل از استفاده باید نرم افزارهای مربوط به قطب نما را روی گوشی خود نصب کنید . و قبل از نصب نرم افزار باید سنسور مغناطیسی گوشی خود را کالیبره نمایید .
۵-۱) کالیبره کردن گوشی : کالیبراسیون اندازه‌گیری و تعیین صحت وسیله اندازه‌گیری در مطابقت با مرجع تایید شده می‌باشد. بنابر این کالیبره کردن سنسور قطب نما به معنی کنترل کردن قطب نما برای این که مطمئن شوید درست کار می کند که توسط دو روش صارت می گیرد .
روش اول : که به روش ۸ یا بینهایت مرسوم است(روش ۸ یا بینهایت∞ ) : در این روش شما باید در حین اجرای برنامه گوشی خود را در دست گرفته و در مسیری مشابه علامت بینهایت ریاضی با گستردگی حدود نیم متر چندبار حرکت دهید. (شکل شماره ۱۷ )
روش دوم چرخش سه محوری: در این روش هم بعد از اجرای برنامه گوشی را در دست خود گرفته و حول هر یک از محور‌های عمودی، افقی و عرضی(x, y, z دستگاه مختصات) دوبار ۳۶۰ درجه بچرخانید. ( شکل شماره ۱۸ )

۵-۲) برنامه های مختلفی در بازار موجود است که می توانید از طریق جستجو پیدا کرده و روی گوشی خود نصب کنید .
یکی از بهترین ها  اپلیکیشن( برنامه ) Smart Compassمی باشد .
این قطب نما از GPS هم پشتیبانی می کند، بنابراین با آن می توانید مختصات جغرافیایی را از طریق SMS یا ایمیل به دوستان خود بفرستید. از دیگر قابلیت های Smart Compass نیز می توان به قبله نما، نمایش شمال واقعی (در کنار شمال مغناطیسی) و سرعت سنج اشاره کرد که البته در نسخه Pro اپ قابل دسترسی اند. ( شکل های ۲۰ تا ۲۲)  
 

۶- قطب نمای ژیروسکوپی

قطب نمای مغناطیسی قطب شمال مغناطیسی را نشان می دهد و همانطور که می دانیم قطب شمال مغناطیسی نه منطبق بر قطب شمال جغرافیائی است و نه حتی مکان آن ثابت است و باید مرتب مایل مغناطیسی را اعمال کرد تا بتواند دقیق نشان دهد.همچنین نسبت به میدان های مغناطیسی حساس است و می تواند در دقت آن خطاهای فاحش ایجاد کند قطب نماهای ژیروسکوپی برخلاف قطب نماهای مغناطیسی به میدان مغناطیسی زمین وابسته نیست . بنابر این دو مزیت عمده نسبت به قطب نمای مغناطیسی دارد :
اول : آن که همان طور که اشاره شد قطب نمای زیروسکوپی می تواند دقیقاً جهت شمال جغرافیای را برای ما تأیید کند و به این ترتیب دارای دقت بیشتری است.
دوم:این قطب نماها نسبت به مواد مغناطیسی حساس نمی باشند وبه همین منظوربرخلاف قطب نمای مغناطیسی  بر اثر حضور میدان های مغناطیسی در کشتی و هواپیما دچار اختلاف نمی شوند .کافی است یک بار بدقت تنظیم شود و تا وقتی که موتور ژیروسکوپ حرکت می کند جهت خود را حفظ می کند و با حرکت جسم متحرک جهت خود را عوض نمی کند برای درک چگونگی کارکرد آن باید ابتدا ژیروسکوپ را بشناسیم .
۶-۱) ژیروسکوپ چیست و چگونه کار می کند :
۶-۱-۱) قانون بقای اندازه حرکت زاویه ای ( قانون بقای ممنتوم ) : به صورت خیلی ساده این قانون بیان می کند که اگر جسمی(مثلا یک چرخ دوار) به دور خود بچرخد محور چرخ با تعغیر راستایش مخالفت می کند بنابر این برای هر گونه تعغیر در راستای چرخش چرخ باید نیرو اعمال کنیم. مقدار نیرو هم به جرم چرخ و هم به سرعت چرخش چرخ بستگی دارد هر چقدر چرخ سنگین تر باشد(سنگینی چرخ هر چه بیشتر در کناره های چرخ باشد بهتر است) و با سرعت بیشتری بچرخد نیروی لازم برای تعغیر راستای محور چرخ بیشتر است .

شکل شماره ۲۳ – چرخ در حال دوران بدون جابجائی

شکل شماره ۲۴ -چرخ جابجا شده ولی راستای محور چرخشش به موازات خودش حرکت کرده
نتیجه : برای جابجا شدن محور نیرو لازم نیست

شکل شماره ۲۵ – چرخ جابجا شده راستای محورش هم تعغیر کرده( دیگر موازی نیست )
نتیجه : برای جابجاشدن محور نیرو لازم است

شکل های شماره ۲۳ تا۲۵ نشان می دهد که  برای تعغیر محور چرخ در حال چرخش باید نیرو اعمال شود

۶-۲) اساس کار ژیروسکوپ : از این رو اگر یک جسم متقارن را با دور بالا بچرخانیم و اطراف آنرا با یاتاقان و بلبرینگ آزاد بگذاریم که نیروهای خارجی بر آن اعمال نشود،یا چرخش قابی که جسم درون آن دوران میکند،جهت چرخش جسم دوار تغییر نمی کند،بنابراین با کمک این وسیله میتوانیم در اجسام متحرک جهت ثابتی داشته باشیم که وضعیت فعلی خود را درهر لحظه با آن مقایسه نماییم همچنین موقعیت زاویه ای و تغییر سرعت زاویه ای را هم بدست آوریم. عضو اصلی ژیروسکوپ های مکانیکی،یک دستگاه دوار یا روتور است که معمولا با سرعت زیاذ حول محور تقارن خود دوران میکند این سرعت از ۳۰۰۰تا ۳۰۰۰۰۰ دور در دقیقه می باشد لذا در اثر اینرسی جرم دوار،اندازه رکت(ممنتوم) نسبتا بزرگی ایجاد میشود.اگر یاتاقان بندی محور چرخش را در طوقه ای معلق تعبیه کنیم به نحوی که گشتاور خارجی به آن وارد نشود،با وجود تمام حرکت های قاب،محور چرخش روتور همواره به جهت ثابتی اشاره میکند و موقعیت خود را در فضا حفظ میکند.با این روش میتوان جهت و یا محورهای ثابتی را برای وسیله نقلیه تعریف کرد که هرگونه حرکت زاویه ای نسبت به این محورها سنجیده شود. ( شکل های شماره ۲۶ و ۲۷ ژیروسکوپ )  
به طور خیلی خلاصه هر گاه کل دستگاه ژيروسکوپ به گونه ای جابجا و حرکت کند که محور چرخش را بخواهد جابجا کند سه چرخ تعبیه شده در راستای سه محور (X,Y,Z) به گونه ای دور یاتاقان ها حرکت می کنند که محور چرخش حفظ شود ( نیروی وارده از طرف محور چرخ دوران کننده آنها را می چرخاند )  
  

شکل شماره ۲۶ -یک ژیروسکوپ

شکل شماره ۲۷ – اجزاء يک ژیروسکوپ

۶-۳) قطب نمای ژیروسکوپی : در قطب نمای ژیروسکوپی جهت محور در هر لحظه توسط لیزر و …. خوانده می شود و به دستگاه های نمایشگر و یا عقربه ها فرستاده می شود و بر  همین اساس نشانگرها جهت را نشان می دهند .
علاوه بر قطب نمای ژیروسکوپی , ژیروسکوپ کارکردهای زیاد دیگری هم دارد در هواپیما و کشتی ها دستگاه های هدایت گری که از ژیروسکوپ ها کمک می گیرند به طور اتوماتیک هدایت وسیله را عهده دار می شوند .
برخی کشتیها اسباب دیگری که باز به کمک ژیروسکوپ کار می‌کنند دارند و کشتی را از واژگون شدن حفظ می‌کنند
  

 شکل های شماره ۲۸ و ۲۹ – قطب نمای ژیروسکوپی

 ۷- قطب نمای طبیعی 

در بدن بسیاری از جانوران (منجمله انسان ) گیرنده هائی وجود دارد که قادرند میدان های مغناطیسی را حس کرده و یا حتی ببینند. بنابر این علاوه بر حواس پنج گانه یک حسی هم به نام حس مغناطیسی موجود است که در بسیاری از جانوران موجود و قابل استفاده می باشد( بخصوص پرندگان ) و در بسیاری دیگر ( منجمله انسان ) گیرنده های آن موجود بوده ولی غیر فعال است این را در اصطلاح قطب نمای طبیعی می نامند و در اینجا به شرح آن می پردازیم .

۱) قطب نمای طبیعی در بدن حیوانات 

زیست شناسان تا سال ها با معمایی بزرگ در مورد مکانیزم بدنی حیوانات مختلف، از لاک پشت ها گرفته تا پرندگان و گرگ ها دست و پنجه نرم می کردند و سخت تلاش داشتند که دریابند این جانوران چطور با حس کردن میدان های مغناطیسی زمین می توانند مسافت های طولانی را رهگیری کنند .
در سال های اخیر دو نظریه مختلف در این باره مطرح شد:
اول : توانمندی مذکور به واسطه وجود مولکول های پیوند دهنده آهن در آنها ایجاد شده
دوم : چنین قابلیتی از نوعی پروتئین به نام کریپتوکروم(Cryptochrome )گرفته شده است.
حالا تیمی از محققان دانشگاه پکن دریافته اند که هر دو نظریه یاد شده می توانند توضیحی برای جنبه های پیچیده این سیستم رهگیری زیستی باشند.
این تیم برای تست فرضیات ذکر شده نخست به دنبال پروتئینی با چهار ویژگی خاص گشتند که می تواند با آهن پیوند شیمیایی برقرار کند و این کار را درون سلول انجام دهد (نه غشای آن) و در داخل سیستم عصبی مرکزی جانور کار کند و با کریپتوکروم تعامل داشته باشد.
آنها این ماده را درون پروتئینی به نام MagR پیدا کردند. ظاهرا اشکال مولکولی این ماده و کریپتوکروم می توانند یکدیگر را تکمیل کرده و اشکالی استوانه ای بسازند که به شدت خاصیت مغناطیسی دارند.
آنها زمانی که این ماده را در معرض میدان های مغناطیسی قرار دادند دریافتند که پروتئین های یاد شده از نیمکت های درون آزمایشگاه جدا شده و خود را به ابزارهای فلزی آنجا چسباندند.
تیم پژوهشگران دانشگاه پکن باور دارند که این پروتئین ها قادرند نقش سوزن قطب نما را ایفا کنند. زمانی که جانوری دور می زند، این مولکول ها احتمالا در وضعیت قفل شده باقی می مانند و شمالگان را نشان می دهند و از این طریق حیوان را در جریان تغییر نسبی جهت سرش قرار می دهند.
کریستال های مغناطيسی در ميان پرندگان، اولين بار در ميان کبوترهای خانگی کشف شد. انتهای عصب های پوست در داخل منقار بالایی کبوتر حاوی مقدار زیادی ساختارهای گلوله ای شکل پر از آهن است. اثبات کاربرد این ساختارها برای حس مغناطيسی، چندین دهه طول کشيد.
همچنین آزمایش های مختلفی که درسال ۱۹۶۶توسط جانورشناسی به نام “ولفگانگ ویلسچ کو” انجام شد نشان داد که می توان با بستن آهن رباهای قوی به پرندگان جهت پرواز آنها را تعغیر داد .

به تازگی ساختارهایی مشابه در سينه سرخ ها، چکاوک ها و مرغ خانگی یافت شده است. این گونه ها منشاهای متفاوت داشتند ولی اکنون مشخص شده است که حسگرهای مغناطيسی آهنی در اکثر پرندگان وجود دارد.

شکل های شماره ۳۰ تا ۳۳ – پرواز و جهت یابی پرندگان با استفاده از میدان مغناطیسی

۲) توانائی دیدن میدان مغناطیسی

کریپتوکروم نوعی گیرنده نوری( نور آبی-سبز) است که در شبکیه چشم پرندگان وجود دارد تابش نور در کریپتوکروم ایجاد رادیکال های آزاد می کند و نیروی مغناطیسی از طریق اثر بر روی اسپین این الکترون ها جهتگیری خاصی را در آن ها ایجاد می کند. واکنش های شیمیایی که کریپتوکروم در چشم پرندگان ایجاد می کند به آن ها توانایی دیدن  رنگی میدان مغناطیسی زمین را می دهد .
زمانی که پرندگان شب مهاجر از جهت یابی مغناطیس استفاده می کنند قسمتی به نام”Cluster N”درمغز فعال می شود”Cluster N”  به وسیله اتصالات نورونی به شبکیه متصل شده پرنده با تغییر جهت سر خود در میدان مغناطیسی می تواند علائم و نشانه ها را مشاهده و مسیر را پیدا کند.

جالب اینجاست که Cryptochrome در بعضی از پرندگان مثل سینه سرخ اروپایی فقط در چشم راست و سسک باغی در هر دو چشم وجود دارد. 
 

شکل های شماره ۳۴ و ۳۵ – مکانیزم دیدن میدان مغناطیسی در پرندگان توسط Cryptochrome ها و Cluster N

۳) گیرنده های مغناطیسی در بدن انسان 

بنابر مطالعات انجام شده اجداد ما می توانستند میدان مغناطیسی را همانند پرندگان ببینند . اخیرا مشخص شده است که Cryptochrome در شبکیه چشم انسان وجود دارد. متخصصان علوم اعصاب دانشگاه ماساچوست نمونه‌ای از کریپتوکروم انسان را برداشته و آن را به مگس میوه که فاقد کریپتوکروم بودند، تزریق کردند. نتایج نشان داد که قدرت تشخیص میدان مغناطیسی در مگس‌ها به شکل قابل توجهی افزایش یافت.
در انسان واکنش اکسیداسیونی که در کریپتوکروم رخ می دهد به مقدار کمی سوپراکسید نیاز است. سوپراکسید ماده ای بسیار سمی است که در بدن انسان توسط آنزیمی به نام سوپراکسید دیسموتاز در کمترین حد ممکن نگه داشته می شود.در یک کلام آنتی اکسیدان های بدن انسان از ایجاد رادیکال های آزاد جلوگیری می کنند.
البته ممکن است بشر دیگر هیچ‌گاه قادر به استفاده از این مکانیزم برای دیدن میدان مغناطیسی زمین نباشد، ولی حتی امروزه گزارشاتی دریافت می‌شود که نشان می‌دهند برخی می‌توانند با نگاه کردن میدان مغناطیسی را مشاهده کنند، اما اجداد ما به طور عام دارای این قابلیت بودند و از این توانایی برای جهت‌یابی استفاده می‌کرده‌اند. شاید روزی پژوهشگران دریابند چگونه می‌توان از این قابلیت مجددا بهره برد و انسان دیگر نیازمند به سیستم جی.پی.اس برای جهت‌یابی نباشد.

شکل شماره ۳۶ – گیرنده های مغناطیسی در بدن انسان

 ۸- قطب نماهای دست ساز  

منظور از قطب نماهای دست ساز قطب نماهائی  است که با حداقل امکانات ساخته می شود و ساخت آنها یا از سر اضطرار است ( مانند کسانی که در طبیعت گم شده اند ) و یا بخاطر آزمایش و تفریح می باشد اساس کار خیلی ساده است :
اول مغناطیس کردن یک سوزن یا میخ و… می باشد و بعد شناور کردن آن در روی آب و با آویزان کردن با نخ نازک از یک بلندی ( شکل های ۳۵ تا ۳۷ )
  

شکل های شماره ۳۷ تا ۳۹ – قطب نماهای دست ساز

۹- مراقبت از قطب نما

در صورتی که یک قطب نمای مغناطیسی بخصوص از نوع خوب و گران قیمت دارید حتما مایلید بدانید چگونه باید از آن نگهداری کرد تا عمر بیشتری کند و زود خراب نشود کافی است چند نکته را توجه کنید :
۱- مانند وسائل دیگر  از دسترس بچه ها دور نگه داشته و صدمه فیزیکی نبیند ( بخصوص قسمت شیشه قطب نما ) و… در آب نیفتد که مربوط به هر وسیله دیگری هم می تواند باشد .
۲- بسیاری از قطب نماها یک ضامن دارند که وقتی از آن استفاده نمی کنید و زده تا عقربه قفل شود و تحرک زیادی نداشته باشد آن هم بسیار خوب است .
۳- ولی آنچه نگهداری قطب نما را منحصر به فرد می کند دور نگه داشتن قطب نما از میدان های الکتریکی و مغناطیسی است چنان چه به مدت طولانی در معرض این میدان ها قرار گیرد به مرور ضعیف شده و خاصیت آهن ربائی خودش را از دست می دهد و یا دو قطبش معکوس می شود .
۴- به همین دلیل بزرگترین دشمن قطب نما آهن ربا است . هرگز و تحت هیچ شرایطی آهن ربا را به قطب نما نزدیک نکنید وگرنه یا خاصیت خود را از دست می دهد یا قطب هایش معکوس می شود و در بدترین حالت عقربه از جای خود کنده و شیشه هم می شکند .

۱۰- قبله نما

قبله نما وسله خاصی نیست همان قطب نما است که مجهز به شاخص هائی شده که علاوه بر جهت شمال و جهات اصلی جهت قبله شهرهای مهم را هم دارد .
۱۰-۱ ) چگونگی نمایش قبله در قبله نمای رزم آرا : نظر به این که قبله شهرهای ایران نزدیک بهم هستند برای جلوگیری از شلوغی صفحه در بعضی قبله نماها ( مانند قبله نمای رزم آرا ) زیر قطب نما شفاف است و صفحه های مختلفی کاغذی موجود است که هر کدام یک کار خاص را انجام می دهند  :
یکی از آنها فقط درجه های قطب نما است , دیگری قبله شهرهای مهم ایران و یکی مال منطقه خاورمیانه, اروپا آمریکای شمالی و…  کافی است جای کاغدها را عوض کنید .
۱۰-۲) در بعضی قبله نماها علاوه بر عقربه قطب نما شاخصی رنگی نیز وجود دارد که به عقربه قطب نما وصل است و با عقربه قطب نما حرکت می کند و جداگانه قابلیت تنظیم را هم دارد می توانید زاویه انحراف قبله شهر خود را در آورده و شاخص را روی آن زاویه تنظیم کنید . هر موقع عقربه قطب نما شمال را نشان داد . شاخص جهت قبله را نشان می دهد .
۱۰-۳) با دانستن زاویه انحراف قبله (با یک جستجوی ساده در گوگل زاویه انحراف هر شهری را می توانید در آورید ) می توانید با یک قطب نمای ساده هم کار قبله نما را انجام دهید . ( قسمت” ۳- ۵  “ شکل شماره ۸ )

شکل شماره ۴۰ – چگونگی گذاشتن شاخص قبله شهر های مهم روی قبله نما

 شکل شماره ۴۱ و ۴۲ – انواع مختلف قبله نما

 جدول شماره ۲ – زاویه انحراف قبله مراکز استان ها