מצפן

מצפן הוא מכשיר לקביעת הצפון ולמדידת זוויות במשור האופק (כלומר, מדידת כיוון הרכיב האופקי של השדה המגנטי של כדור הארץ) לצורך ניווט, באמצעות השדה המגנטי של כדור הארץ. באמצעות המצפן יכלו נווטים לנווט את מסעותיהם לכיוון הרצוי, במיוחד ספנים ויורדי ים, שהכיוון היה הדבר העיקרי שיכל להנחות אותם במרחבי האוקיינוסים. 
המצפן מצביע בקירוב רב אל כיוון הקטבים המגנטיים, שמיקומם שונה מאשר הקטבים הגאוגרפיים.

מצפן מגנטי

מצפן מגנטי הוא מצפן הבנוי ממחט מגנטית שנמצאת על ציר וחופשית לנוע על גבי לוח שנתות המצביעה בקירוב רב אל כיוון הקוטב המגנטי הצפוני. בעבר היה נהוג שעל הלוח מסומן מעין כוכב שנקרא שושנת הרוחות ומכיל את רוחות השמיים (צפון, דרום, מזרח ומערב) בקודקודים הראשיים. ולעיתים יש קודקודים נוספים המציינים חלוקות משנה, אולם כיום מקובל יותר לחלק את הלוח ל-360 מעלות (כמו מד זווית). קיימים גם מצפנים בהם מחולק המעגל לאלפיות המעלה. מצפנים אלו משמשים בעיקר לטיווח ארטילרי.

מצפן פריזמטי

זהו מצפן המצויד במנסרה קטנה המאפשרת למשתמש לקרוא את המעלות מעל הלוח.
מצפן כזה יעיל בתנאי שיש אפשרות להניח אותו על משטח ישר, ושהמחט אכן חופשית להסתובב. כדי להשיג את החופשיות הזאת, המצפן מצויד במיסב, שמקטין את החיכוך בציר. כל מערכת המצפן המגנטי נמצאת בתוך קופסת פליז (ולא ברזל או פלדה, כדי למנוע התמגנטות), מלאה בנוזל, וזאת כדי לרסן את הטלטולים של המחט ולייצב אותה.
אם נמצאות כמויות משמעותיות של ברזל או פלדה באזור הסמוך למצפן, צריך לקחת אותן בחשבון. כדי לבטל את השפעתן ממקמים בקרבת המצפן מגנטי מוטות קטנים, ובכך מכיילים אותו. את מיקום המוטות המגנטיים קובעים על ידי ניסוי וטעייה, עד שקריאות המצפן נכונות.
ניתן לקרוא בו גם אזימוט חוזר המסייע בעת ניווט.

מצפן שטף מגנטי

מצפן מגנטי אשר בו הוחלפה המחט המגנטית ב"סלילי חישה" אלקטרומגנטיים, כדי למצוא את הצפון-דרום. ליבתו של הסליל מכילה ברזל רך, המושפעת מהשדה המגנטי של כדור הארץ. תנועות הברזל שבליבה גורמות להעברה של זרם חשמלי בסליל החישה המקיף את הליבה.
ישנם שני סוגים של מצפני שטף מגנטי, באחד מהם, יש שני סלילים הניצבים זה לזה. השוואת הזרמים העוברים בכל סליל מאפשרת לקבוע את הכיוון. יתרון משמעותי של מצפן זה על גבי המצפן המגנטי הוא בכך שמצפן מסוג זה הוא מחולל זרם חשמלי, ומשום כך יכולים מכשירי בקרה חשמליים מסוגים שונים לקרוא אותו באופן ישיר. בסוג השני של מצפן השטף יש סליל יחיד, ועוצמת הזרם בו משתנה על פי הכיוון. מצפן מסוג זה משמש בעיקר לצורך קביעת הסטייה מהכיוון שנקבע מראש, באמצעות מחוון או סמן - ימין/שמאל, שמראה על הסטייה מהכיוון ולעיתים אף על מידת הסטייה.

מצפן גירוסקופי

מכיוון שהגירוסקופ מתנגד לכל שינוי במצבו בזמן שהוא מסתובב, ניתן להשתמש בו כבסיס למצפן. לדוגמה, אם יותקן גירוסקופ בספינה, המצפן שבו יצביע תמיד לאותו הכיוון למרות כל הטילטולים שלה. אך למרות כל זאת, יש לזכור כי הגירוסקופ עצמו אינו מראה על כיוון מסוים ויש להפעיל עליו השפעה חיצונית כדי שיצביע על הצפון האמיתי.
מצפן גירוסקופי יקר הרבה יותר מאשר מצפן מגנטי, אך הוא גם הרבה יותר מדויק. יתרון נוסף שלו על גבי המצפן המגנטי הוא שניתן לכוון את המצפן הגירוסקופי אל הצפון האמיתי ולא אל זה המגנטי. לכן הוא יכול לסייע מאוד בניווט באזורים הקרובים לקטבים ששם משתבשת פעילותם של המצפנים המגנטיים.
דיוקו של מצפן גירוסקופי שמצויד בלייזר מגיע אל עשירית המעלה וחשיבותו גדולה במערכות התבייתות, כמו נשק מונחה.

היסטוריה של המצפן

השימוש במצפן החל לראשונה בסין עוד בימי קדם. האזכור המתועד הראשון המצוי לשימוש במצפן הוא מטקסט סיני מהמאה הרביעית, והמסורת הסינית מייחסת את המצאתו לקיסר הצהוב. בתרבות המערב המצפן נעשה מוכר בתקופת ימי הביניים, כנראה לאחר שהגיע מסין בדרך המשי, אם כי ייתכן גם שהוא התגלה במערב באופן נפרד ובלתי-תלוי.

ימי הביניים באירופה

בעולם המערבי המצפן המגנטי נזכר לראשונה בשנת 1187, בכתביו של הנזיר האוגוסטיני האנגלי, אלכסנדר נֶקָאם. ספרו של נקאם על הטבע, מכיל את התיאור הבא: "הספנים, ברדתם הימה תחת שמים מעוננים, אינם יכולים עוד ליהנות מאור השמש, וכל שכן בעת שהעולם עטוף בצלליה של חשכת הלילה, ואינם יודעים לאיזו רוח מרוחות השמים נוטה ספינתם. לכן הם מצמידים מחט למגנט. אז תחוג המחט ותסתובב במעגל, עד אשר תחדל מתנועתה וחודה יורה היישר אל הצפון". מלבד התיאור הנ"ל אין בכתביו של נקאם האנגלי דבר נוסף שיכול ללמד איך ואיפה שמע על קיומו של המצפן המגנטי. יתר על כן, כלל לא בטוח שנקאם שמע על המצפן באנגליה, מכיוון שנקאם כחלק מהכשרתו למד מספר שנים בפריז, ונלווה להגמון של ווסטר במסעו לאיטליה, כך שייתכן ששמע שם על המצפן.
יתר האזכורים של המצפן באירופה היו בשירה. האזכור הבא הופיע בין השנים 1203-1208, בשירו של הנזיר הצרפתי, גִיו דה פּרוֹבַנְס, שנקרא כתבי הקודש: 
"מכוחו של מגנט... 
 ינעצו את המחט בקנה קש 
 ויניחו אותה על פני המים, 
 תפנה תמיד ובכל עת 
 אל כוכב הצפון, בלי צל של ספק." גם במקרה זה לא ידוע בוודאות היכן שמע פרובנס על המצפן. ידוע שהוא הגיע למזרח התיכון במסגרת מסע הצלב השלישי, וייתכן שבמהלך השייט על הספינה למד על השימוש במצפן.
האזכור הבא על קיומו של המגנט הוא פרי עטו של ז'אק דה ויטרי, ההגמון הצלבן של עכו. הוא כתב בשנת 1218 שהמצפן הוא מכשיר חיוני לניווט בים. מלבד זאת, הוא ציין "יכולות" נוספות של המצפן, כגון: חסינות מפני כישוף, מרפאת שיגעון, הקלה על נדודי שינה וביטול רעלים.
הפעם הראשונה בה מוזכר המצפן במקורות איטלקיים, היא בשיר של גידו גיניצֶלי, מיושבי בולוניה, שחי בסוף המאה ה-13, בשירו הוא מתאר את המחט המגנטית ואת התכונתה העיקרית והחשובה – הצבעה על כוכב הצפון. המצפן שימש בתור דימוי פיוטי בשירים רבים באותה תקופה, בין היתר גם בשיריו של דנטה.
הצליין פטרוס פרגרינוס ממאריקור שהה בשנת 1269 במחנה צבאי, בפוליה שבדרום איטליה, הוא שירת כלוחם בשירותו של הדוכס אנז'ו, שארל הראשון, מלך נאפולי וסיציליה. ובשעות הפנאי שלו כתב מסה שנקראה מכתב לסיגריוס דה פוקוקור, חייל, על המגנט ועסקה מצפן המגנטי. במכתבו, פטרוס כלל תיאור של המצפן בעל הציר היבש (מצפן בו נשען החלק המגנטי על סיכה שנמצאת מתחת למרכזו) ושל המצפן הצף (מצפן בו נח החלק המגנטי על פני נוזל). חיבור זה היה אבן הפינה לכל שאר העבודות שנעשו באירופה לאחר מכן על המגנטיות והמצפן. ליתר דיוק, אפילו 300 שנה לאחר מכן, המתמטיקאי והאסטרונום האנגליה, ג'ון די מצא לנכון להתווכח עם פטרוס, וכתב בשולי ספרו של הלז, שהוא טועה בטענתו שהמחט פונה אל כוכב הצפון, די קבע שהיא פונה אל קוטבו הצפוני של כדור הארץ.
מקורות עתיקים מקשרים את המצאת המצפן המגנטי לאמאלפי, המעצמה הימית הראשונה באותה תקופה. אחד מראשוני ההיסטוריונים שהצביעו על כך בבירור היה ההומניסט האיטלקי אנטוניו בֶּקַדֶלִי, שכתב בלטינית: "Prima dedit nautis, usum magnetis Amalphis" (תרגום חופשי: הראשונים שהשתמשו במגנט לצורך ניווט היו אנשי אמאלפי), מקורות איטלקיים נוספים מעידים על כך שספני אמלפי השתמשו במגנט ובמחט כבר בתחילת המאה ה-13. מכיוון שאמאלפי שלטה בים התיכון בתקופה קצרה יחסית, בין המאה ה-12 למאה ה-14, סבורים מלומדים רבים שספני אמאלפי היו הראשונים שהשתמשו במצפן המגנטי באזור אגן הים התיכון.
כעבור כמה עשרות שנים, בסביבות השנה 1300, הונהג באמאלפי חידוש במבנה המצפן. אנשי אמאלפי הפכו את המצפן ממחט שצפה במים או נמצאת באוויר למצפן כמו שאנחנו מכירים היום - תיבה שבתוכה לוח עם שנתות ושושנת רוחות שעל גביו יש רכיב מגנטי.
האזכור הכי מפורש בספרות להמצאת המצפן באמאלפי הוא פרי עטו של פלאביו ביונדו. בשנת 1450 פרסם ביונדו חיבור שנקרא איטליה המאויירת לפי אזורים, בפרק שעוסק באמאלפי נכתב כך: "אך ידוע היטב שאנו חולקים כבוד לבני אמאלפי, כי השימוש במגנט בניווט, המסתמך על סגולתו של המגנט לכוון את עצמו כלפי צפון, הומצא באמאלפי."

קשר בין חשמל למגנטיות של המצפן

הנס כריסטיאן ארסטד היה פיזיקאי דני. ב-21 באפריל 1820, בזמן שהתכונן לאחת מהרצאותיו באוניברסיטה של קופנהגן, ביצע ארסטד ניסוי שתוצאותיו הפתיעו אותו, כאשר הכין את הציוד, הבחין כי מחט של מצפן סטתה מכיוונה בזמן שינויי הזרם חשמלי הזורם בסוללה בה השתמש. מכאן הסיק על קיומו של קשר בין חשמל למגנטיות.
הסבר פיזיקלי מלא לקשר בין זרם חשמלי לשדה מגנטי ניתן במסגרת משוואות מקסוול.

שמו של המצפן

באיטלקית המצפן נקרא  bussola (בוּסוֹלָה). בספרות, המילה נזכרת לראשונה בפרשנות שנתן פרנצ'סקו דָה בּוּטי על הקומדיה האלוהית של דנטה ב-1380. דה בוטי השתמש במילה בוסולה לציון מצפן שנמצא בתוך תיבה שבה יש לוח ועליו חרוטה שושנת הרוחות.
המילה bussola לקוחה מהאיטלקית הקדומה - bussolo, שהגיעה מן הלטינית של ימי הביניים - buxus, שפירושה תיבת עץ ומקורה במילה - pyxus מהלטינית הקלאסית שפירושה קופסה.
פרנצ'סקו דה בוטי כתב גם על bussola nautica, מצפן ימי, שאותו תיאר כתיבת עץ בעלת מכסה זכוכית ובתוכו דיסקה עגולה שצמודה לחלק המגנטי ומציינת את הכיוון במעלות וכוללת גם את שושנת הרוחות.
המילה העברית מצפן נהגתה על ידי דוד ילין, ומקורה בכיוון הצפון.