指南针的原理(指南针为啥能指南?地球里面有电流吗?)

指南针的原理

指南针是我国的四大发明之一。东汉王充《论衡》中说“司南之杓,投之于地,其柢指南”。是早期对司南比较清楚的描述。考古学家根据古代文献的描述复原了司南,而这是不是指南针的雏形,学术界还有很大的争议。

但是没有争议的是,在宋元时期,指南针已经开始应用于航海等人类活动中。指南针的基本原理就是一个可以自由旋转的小磁针,在地磁场的作用下,小磁针一端指南,一端指北。指南的一端就被称为“南极”(S极),指北的一端就被称为“北极”(N极)。一般我们把指北的一端涂成红色,所以也有人把指南针叫做指北针。

指南针为什么指南北?
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。
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