指南針是我國的四大發明之一。東(dong) 漢王充《論衡》中說“司南之杓，投之於(yu) 地，其柢指南”。是早期對司南比較清楚的描述。考古學家根據古代文獻的描述複原了司南，而這是不是指南針的雛形，學術界還有很大的爭(zheng) 議。

但是沒有爭(zheng) 議的是，在宋元時期，指南針已經開始應用於(yu) 航海等人類活動中。指南針的基本原理就是一個(ge) 可以自由旋轉的小磁針，在地磁場的作用下，小磁針一端指南，一端指北。指南的一端就被稱為(wei) “南極”（S極），指北的一端就被稱為(wei) “北極”（N極）。一般我們(men) 把指北的一端塗成紅色，所以也有人把指南針叫做指北針。

指南針為(wei) 什麽(me) 指南北？

指南針為(wei) 什麽(me) 能指南北呢？這是因為(wei) 地球具有磁場。

我們(men) 知道：磁鐵有兩(liang) 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：我們(men) 用一個(ge) 磁鐵的N極靠近另一個(ge) 磁鐵的S極，就會(hui) 發現二者相互吸引。如果用一個(ge) 磁鐵的N極靠近另一個(ge) 磁鐵的N極，就會(hui) 發現二者相互排斥。

為(wei) 了理解磁鐵間的這種作用，人們(men) 引入了磁場的概念。磁場是存在於(yu) 磁體(ti) 周圍的一種看不見摸不著的物質，這種物質的作用是對磁鐵有力的作用。也就是說，一個(ge) 磁鐵會(hui) 在周圍空間產(chan) 生磁場，而這個(ge) 磁場就會(hui) 對另一個(ge) 磁鐵有力的作用。如果在磁鐵周圍放置一堆小磁針，那麽(me) 小磁針的N極（下圖中紅色部分）指向就會(hui) 與(yu) 磁場方向相同。也就是說，在磁體(ti) 外部，磁場是從(cong) 磁體(ti) 的N極指向磁體(ti) 的S極。

人們(men) 根據指南針在地球表麵可以指南北的特點，推斷出地球是具有磁場的，這就被稱為(wei) 地磁場。地球的磁場與(yu) 條形磁鐵的磁場非常像。根據小磁針N極向北指的特點，人們(men) 分析出地磁場的方向是從(cong) 南向北的，這就得出了地磁場的N極其實在地理南極附近，而地磁場的S極在地理北極附近，地磁南北極與(yu) 地理南北極是相反的。

而且，地磁南北極與(yu) 地理南北極也並不是完全重合的，而是存在著一個(ge) 夾角，稱為(wei) 地磁偏角，中國的科學家沈括在《夢溪筆談》中寫(xie) 道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東(dong) ，不全南也。”，是世界上最早的關(guan) 於(yu) 磁偏角的記錄。現代指南針都通過技術手段修正了這個(ge) 偏角。

奧斯特實驗：電流產(chan) 生磁場

那麽(me) ，地球為(wei) 什麽(me) 能夠產(chan) 生磁場呢？這個(ge) 問題更加普遍的問法是：磁場到底是怎麽(me) 產(chan) 生的？
最初，人們(men) 認為(wei) 電與(yu) 磁是完全不相關(guan) 的現象。但是隨著人類認識自然越來越深入，逐漸發現了電與(yu) 磁可能是相關(guan) 的，最典型的就是被閃電劈過的鐵礦石可能具有磁性。人們(men) 想到，也許電可以產(chan) 生磁。
丹麥物理學家奧斯特第一個(ge) 發現了電流與(yu) 磁場之間的聯係。

奧斯特

1806年，他應聘哥本哈根大學教授，每個(ge) 月他都會(hui) 給學生準備一節特別的課程，用來介紹科學界的最新成果。在有一次講課時，他發現，當用通電導線靠近指南針時，指南針發生了轉動。他和他的學生共同見證了這一曆史時刻，但是他當時並沒有對這種現象給出解釋。經過幾個(ge) 月的思索，他終於(yu) 明白了，電流可以產(chan) 生磁場，而磁場可以對小磁針有力的作用。人們(men) 才正式把電和磁聯係在一起。
為(wei) 了紀念奧斯特，丹麥政府把哥本哈根市中心的公園命名為(wei) 奧斯特公園，裏麵豎立著奧斯特的雕塑。美國物理教師協會(hui) 還特別設立了奧斯特獎章，來獎勵優(you) 秀物理教師。

人們(men) 仔細研究了各種形狀的通電導線形成的磁場。比如，通電直導線周圍的磁場是同心圓環，並且與(yu) 導線中電流方向符合右手螺旋定則。也就是說：右手握住導線，大拇指指向電流方向，四指的繞向就是磁場方向。

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(chan) 生的磁場與(yu) 條形磁鐵的磁場很類似。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(yu) 電流方向相同，則大拇指指向螺線管相當於(yu) 條形磁鐵的N極。

如果這個(ge) 螺線管隻有一圈，就變成了通電圓環，它的磁場也類似於(yu) 條形磁鐵，判定方法還是右手螺旋定則。

法國物理學家安培最早對這個(ge) 問題形成了清晰的認識，所以右手螺旋定則也稱為(wei) 安培定則。

安培詳細研究了各種通電導體(ti) 的磁場，並提出了導線中電流與(yu) 其產(chan) 生磁場之間的定量關(guan) 係，即安培定律。後來，安培的著作《關(guan) 於(yu) 電動力學現象之數學理論的回憶錄》出版，電動力學作為(wei) 一個(ge) 新名詞登上了科學的舞台。

安培分子電流假說：磁體(ti) 產(chan) 生磁場

安培不滿足於(yu) 研究電流的磁場，他進一步思考：既然各種電流都產(chan) 生相應的磁場，那麽(me) 永磁體(ti) ，例如磁鐵，它的磁場是如何產(chan) 生的呢？
安培產(chan) 生了一個(ge) 大膽的想法：也許磁體(ti) 內(nei) 部也有電流，是這些電流形成了磁體(ti) 的磁場。這就是著名的安培分子電流假說。

安培認為(wei) ：在磁體(ti) 內(nei) 部可能存在著很小的環形電流，稱為(wei) “分子電流”。每個(ge) 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(luan) 無章的，那麽(me) 磁場彼此抵消，宏觀上就沒有磁性。但是如果在外界磁場的作用下，分子電流的取向變得大致相同，那麽(me) 宏觀上就表現出磁場，兩(liang) 端形成磁極。
在安培的時代，人們(men) 並不清楚組成物質的原子是什麽(me) 樣的，更不知道原子裏麵有原子核和電子，所以安培的這種說法隻能停留在“假說”階段。現在的科學界認為(wei) ，電子圍繞原子核的運動和電子的自旋具有磁場，安培分子電流假說是具有一定正確性的。
既然磁體(ti) 的磁場也是由於(yu) 電流產(chan) 生的，人們(men) 總結出一個(ge) 結論：一切磁現象都是由電流產(chan) 生的，或者叫一切磁現象都有電本質。

地球磁場

那麽(me) ，地球的磁場究竟是什麽(me) 原因產(chan) 生的呢？對於(yu) 這個(ge) 問題，科學界還沒有統一的認識。有人認為(wei) ，地球內(nei) 部流動的岩漿會(hui) 造成電流，產(chan) 生地磁場；也有人認為(wei) 在大氣中存在電荷，大氣運動會(hui) 造成電流，產(chan) 生磁場。但無論如何，地球的磁場也一定是由電流產(chan) 生的。

其實，地球磁場並不是一成不變的，地磁南北兩(liang) 極每時每刻都在緩慢移動，而且在曆史上，地球磁場的南北極調換過多次，上一次調換是在78萬(wan) 年前。地磁場對生命有重要意義(yi) ，例如它可以防止太陽風中的各種射線直接射向地球表麵，從(cong) 而保護地球的生命；一些生物可能需要磁場進行導航。如果磁場發生巨大變化，那麽(me) 一定會(hui) 對生物產(chan) 生巨大的影響，甚至能造成生物的大滅絕呢。

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