指南針

指南針是我國(guó)的四大發(fā)明之一。東漢王充《論衡》中說(shuō)“司南之杓，投之于地，其柢指南”，是早期對(duì)司南比較清楚的描述?？脊艑W(xué)家根據(jù)古代文獻(xiàn)的描述復(fù)原了司南，但是這是不是指南針的雛形，學(xué)術(shù)界還有很大的爭(zhēng)議。

但是沒(méi)有爭(zhēng)議的是，在元代，指南針已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于航海等人類活動(dòng)中。指南針的基本原理就是一個(gè)可以自由旋轉(zhuǎn)的小磁針，在地磁場(chǎng)的作用下，小磁針一端指南，一端指北。 指南的一端就被稱為南極（S極），指北的一端就被稱為北極（N極）。一般我們把指北的一端涂成紅色，所以也有人把指南針叫做指北針。

指南針為什么能指南北呢？這是因?yàn)榈厍蚓哂写艌?chǎng)。

磁場(chǎng)

我們知道：磁鐵有兩極，N極和S極，而且同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。也就是說(shuō)：我們用一個(gè)磁鐵的N極靠近另一個(gè)磁鐵的S極，就會(huì)發(fā)現(xiàn)二者相互吸引。如果用一個(gè)磁鐵的N極靠近另一個(gè)磁鐵的N極，就會(huì)發(fā)現(xiàn)二者相互排斥。

為了理解磁鐵間的這種作用，人們引入了磁場(chǎng)的概念。磁場(chǎng)是存在于磁體周圍的一種看不見(jiàn)摸不著的物質(zhì)，這種物質(zhì)的作用是對(duì)磁鐵有力的作用。也就是說(shuō)：一個(gè)磁鐵會(huì)在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，而這個(gè)磁場(chǎng)就會(huì)對(duì)另一個(gè)磁鐵有力的作用。如果在磁鐵周圍放置一堆小磁針，那么小磁針的N極（下圖中紅色部分）指向就會(huì)與磁場(chǎng)方向相同。也就是說(shuō)：在磁體外部，磁場(chǎng)是從磁體的N極指向磁體的S極。

人們根據(jù)指南針在地球表面可以指南北的特點(diǎn)，推斷出地球是具有磁場(chǎng)的，這就稱為地磁場(chǎng)。地球的磁場(chǎng)與條形磁鐵的磁場(chǎng)非常像。根據(jù)小磁針N極向北指的特點(diǎn)，人們分析出地磁場(chǎng)的的方向是從南向北的，這就得出了地磁場(chǎng)的N極其實(shí)在地理南極附近，而地磁場(chǎng)的 S極在地理北極附近，地磁南北極與地理南北極是相反的。

而且，地磁南北極與地理南北極也并不是完全重合的，而是存在著一個(gè)夾角，稱為地磁偏角，中國(guó)的科學(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》中寫(xiě)道：“方家以磁石磨針?shù)h，則能指南，然常微偏東，不全南也?！笔鞘澜缟献钤绲年P(guān)于磁偏角的記錄?，F(xiàn)代指南針都通過(guò)技術(shù)手段修正了這個(gè)偏角。

那么，地球?yàn)槭裁茨軌虍a(chǎn)生磁場(chǎng)呢？這個(gè)問(wèn)題更加普遍的問(wèn)法是：磁場(chǎng)到底是怎么產(chǎn)生的？

電流產(chǎn)生磁場(chǎng)

最初，人們認(rèn)為電與磁是完全不相關(guān)的現(xiàn)象。但是隨著人類認(rèn)識(shí)自然越來(lái)越深入，逐漸發(fā)現(xiàn)了電與磁可能是相關(guān)的，最典型的就是被閃電劈過(guò)的鐵礦石可能具有磁性。人們想到，也許電可以產(chǎn)生磁。

丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了電流與磁場(chǎng)之間的聯(lián)系。

1806年，他應(yīng)聘哥本哈根大學(xué)教授，每個(gè)月他都會(huì)給學(xué)生準(zhǔn)備一節(jié)特別的課程，用來(lái)介紹科學(xué)界的最新成果。在有一次講課時(shí)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)用通電導(dǎo)線靠近指南針時(shí)，指南針發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)。他和他的學(xué)生共同見(jiàn)證了這一歷史時(shí)刻，但是他當(dāng)時(shí)并沒(méi)有對(duì)這種現(xiàn)象給出解釋。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的思索，他終于明白了：電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)可以對(duì)小磁針有力的作用。人們正式把電和磁聯(lián)系在一起。

為了紀(jì)念?yuàn)W斯特，丹麥政府把哥本哈根市中心的公園命名為奧斯特公園，里面豎立著奧斯特的雕塑。美國(guó)物理教師協(xié)會(huì)還特別設(shè)立了奧斯特獎(jiǎng)?wù)拢瑏?lái)獎(jiǎng)勵(lì)優(yōu)秀物理教師。

人們仔細(xì)研究了各種形狀的通電導(dǎo)線形成的磁場(chǎng)。比如：通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)是同心圓環(huán)，并且與導(dǎo)線中電流方向成右手螺旋定則。也就是說(shuō)：右手握住導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，四指的繞向就是磁場(chǎng)方向。

另外還有一種典型情況：通電螺線管。就好像在一根彈簧上通電，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與條形磁鐵的磁場(chǎng)很類似。判定方法依然是右手螺旋定則：右手握住螺線管，四指方向與電流方向相同，則大拇指指向螺線管相當(dāng)于的條形磁鐵的N極。

如果這個(gè)螺線管只有一圈，就變成了通電圓環(huán)，它的磁場(chǎng)也類似于條形磁鐵，判定方法還是右手螺旋定則。

法國(guó)物理學(xué)家安培最早對(duì)這個(gè)問(wèn)題形成了清晰的認(rèn)識(shí)，所以右手螺旋定則也稱為安培定則。

安培分子電流假說(shuō)

安培詳細(xì)研究了各種通電導(dǎo)體的磁場(chǎng)，并提出了導(dǎo)線中電流與其產(chǎn)生磁場(chǎng)之間的定量關(guān)系，即安培定律。后來(lái)，著作《關(guān)于電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象之?dāng)?shù)學(xué)理論的回憶錄》出版，電動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)新名詞登上了科學(xué)的舞臺(tái)。

安培不滿足于研究電流的磁場(chǎng)，他進(jìn)一步思考：既然各種電流都產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)，那么永磁體——例如磁鐵， 它的磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的呢？

安培產(chǎn)生了一個(gè)大膽的想法：也許磁體內(nèi)部也有電流，是這些電流形成了磁體的磁場(chǎng)。這就是著名的安培分子電流假說(shuō)。

安培認(rèn)為：在磁體內(nèi)部可能存在著很小的環(huán)形電流， 稱為分子電流。每個(gè)分子電流都有N極和S極。如果這些分子電流的取向是雜亂無(wú)章的，那么磁場(chǎng)彼此抵消，宏觀上就沒(méi)有磁性。但是如果在外界磁場(chǎng)的作用下，分子電流的取向變得大致相同，那么宏觀上就表現(xiàn)出磁場(chǎng)，兩段形成磁極。

在安培的時(shí)代，人們并不清楚組成物質(zhì)的原子是什么樣的，更不知道原子里面有原子核和電子，所以安培的這種說(shuō)法只能 停留在“假說(shuō)”階段。現(xiàn)在的科學(xué)界認(rèn)為，電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)和電子的自旋具有磁場(chǎng)，安培分子電流假說(shuō)是具有一定正確性的。

既然磁體的磁場(chǎng)也是由于電流產(chǎn)生的，人們總結(jié)出一個(gè)結(jié)論：一切磁現(xiàn)象都是由于電流產(chǎn)生的，或者叫一切磁現(xiàn)象都有電本質(zhì)。

地球磁場(chǎng)

那么，地球的磁場(chǎng)究竟是什么原因產(chǎn)生的呢？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)界還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。有人認(rèn)為，在地球內(nèi)部的巖漿流動(dòng)會(huì)造成電流，產(chǎn)生地磁場(chǎng)；也有人認(rèn)為在大氣中存在電荷，大氣運(yùn)動(dòng)會(huì)造成電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)。但無(wú)論如何，地球的磁場(chǎng)也一定是由于電流產(chǎn)生的。

其實(shí)，地球磁場(chǎng)并不是一成不變的，地磁南北兩極每時(shí)每刻都在緩慢移動(dòng)，而且在歷史行地球磁場(chǎng)的南北極調(diào)換過(guò)多次，上一次調(diào)換是在78萬(wàn)年前。地磁場(chǎng)對(duì)生命有重要意義，例如它可以防止太陽(yáng)風(fēng)中的各種射線直接射向地球表面，從而保護(hù)地球的生命。一些生物可能需要磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航。如果磁場(chǎng)發(fā)生巨大變化，那么一定會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生巨大的影響，甚至能造成生物的大滅絕呢。