指南针为什么指向南北方向，因为地球具有磁场

指南针是中国四大发明之一。东汉时期的王充在《论衡》中描述了“司南之杓，投之于地，其柢指南”，这是对早期司南的明确记录。虽然考古学家根据古代文献复原了司南，但关于它是否是指南针原型的问题，学术界仍存在较大争议。

然而，毫无疑问的是，在宋元时期，指南针已被广泛应用于航海等领域。指南针的基本工作原理是利用一个可以自由旋转的磁针，在地磁场的影响下，磁针的一端指向南，另一端指向北。指向南的一端被称为“南极”（S极），指向北的一端被称为“北极”（N极）。通常，我们会将指向北的一端涂成红色，因此有时也将指南针称为指北针。

指南针为什么能指南北呢？这是因为地球具有磁场。

我们知道：磁铁有两极，N极和S极，而且同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。也就是说：我们用一个磁铁的N极靠近另一个磁铁的S极，就会发现二者相互吸引。如果用一个磁铁的N极靠近另一个磁铁的N极，就会发现二者相互排斥。

为了理解磁铁间的这种作用，人们引入了磁场的概念。磁场是存在于磁体周围的一种看不见摸不着的物质，这种物质的作用是对磁铁有力的作用。也就是说，一个磁铁会在周围空间产生磁场，而这个磁场就会对另一个磁铁有力的作用。如果在磁铁周围放置一堆小磁针，那么小磁针的N极（下图中红色部分）指向就会与磁场方向相同。也就是说，在磁体外部，磁场是从磁体的N极指向磁体的S极。

人们根据指南针在地球表面可以指南北的特点，推断出地球是具有磁场的，这就被称为地磁场。地球的磁场与条形磁铁的磁场非常像。根据小磁针N极向北指的特点，人们分析出地磁场的方向是从南向北的，这就得出了地磁场的N极其实在地理南极附近，而地磁场的S极在地理北极附近，地磁南北极与地理南北极是相反的。

而且，地磁南北极与地理南北极也并不是完全重合的，而是存在着一个夹角，称为地磁偏角，中国的科学家沈括在《梦溪笔谈》中写道：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”，是世界上最早的关于磁偏角的记录。现代指南针都通过技术手段修正了这个偏角。

奥斯特实验：电流产生磁场

那么，地球为什么能够产生磁场呢？这个问题更加普遍的问法是：磁场到底是怎么产生的？

最初，人们认为电与磁是完全不相关的现象。但是随着人类认识自然越来越深入，逐渐发现了电与磁可能是相关的，最典型的就是被闪电劈过的铁矿石可能具有磁性。人们想到，也许电可以产生磁。

丹麦物理学家奥斯特第一个发现了电流与磁场之间的联系。

奥斯特

1806年，他应聘哥本哈根大学教授，每个月他都会给学生准备一节特别的课程，用来介绍科学界的最新成果。在有一次讲课时，他发现，当用通电导线靠近指南针时，指南针发生了转动。他和他的学生共同见证了这一历史时刻，但是他当时并没有对这种现象给出解释。经过几个月的思索，他终于明白了，电流可以产生磁场，而磁场可以对小磁针有力的作用。人们才正式把电和磁联系在一起。

为了纪念奥斯特，丹麦政府把哥本哈根市中心的公园命名为奥斯特公园，里面竖立着奥斯特的雕塑。美国物理教师协会还特别设立了奥斯特奖章，来奖励优秀物理教师。

人们仔细研究了各种形状的通电导线形成的磁场。比如，通电直导线周围的磁场是同心圆环，并且与导线中电流方向符合右手螺旋定则。也就是说：右手握住导线，大拇指指向电流方向，四指的绕向就是磁场方向。

另外还有一种典型情况：通电螺线管。就好像在一根弹簧上通电，所产生的磁场与条形磁铁的磁场很类似。判定方法依然是右手螺旋定则：右手握住螺线管，四指方向与电流方向相同，则大拇指指向螺线管相当于条形磁铁的N极。

如果这个螺线管只有一圈，就变成了通电圆环，它的磁场也类似于条形磁铁，判定方法还是右手螺旋定则。

法国物理学家安培最早对这个问题形成了清晰的认识，所以右手螺旋定则也称为安培定则。

安培详细研究了各种通电导体的磁场，并提出了导线中电流与其产生磁场之间的定量关系，即安培定律。后来，安培的著作《关于电动力学现象之数学理论的回忆录》出版，电动力学作为一个新名词登上了科学的舞台。

安培分子电流假说：磁体产生磁场

安培不满足于研究电流的磁场，他进一步思考：既然各种电流都产生相应的磁场，那么永磁体，例如磁铁，它的磁场是如何产生的呢？

安培产生了一个大胆的想法：也许磁体内部也有电流，是这些电流形成了磁体的磁场。这就是著名的安培分子电流假说。

安培认为：在磁体内部可能存在着很小的环形电流，称为“分子电流”。每个分子电流都有N极和S极。如果这些分子电流的取向是杂乱无章的，那么磁场彼此抵消，宏观上就没有磁性。但是如果在外界磁场的作用下，分子电流的取向变得大致相同，那么宏观上就表现出磁场，两端形成磁极。

在安培的时代，人们并不清楚组成物质的原子是什么样的，更不知道原子里面有原子核和电子，所以安培的这种说法只能停留在“假说”阶段。现在的科学界认为，电子围绕原子核的运动和电子的自旋具有磁场，安培分子电流假说是具有一定正确性的。

既然磁体的磁场也是由于电流产生的，人们总结出一个结论：一切磁现象都是由电流产生的，或者叫一切磁现象都有电本质。

地球磁场

那么，地球的磁场究竟是什么原因产生的呢？对于这个问题，科学界还没有统一的认识。有人认为，地球内部流动的岩浆会造成电流，产生地磁场；也有人认为在大气中存在电荷，大气运动会造成电流，产生磁场。但无论如何，地球的磁场也一定是由电流产生的。

其实，地球磁场并不是一成不变的，地磁南北两极每时每刻都在缓慢移动，而且在历史上，地球磁场的南北极调换过多次，上一次调换是在78万年前。地磁场对生命有重要意义，例如它可以防止太阳风中的各种射线直接射向地球表面，从而保护地球的生命；一些生物可能需要磁场进行导航。如果磁场发生巨大变化，那么一定会对生物产生巨大的影响，甚至能造成生物的大灭绝呢。