自制指南针（上）

指南针可以很方便地帮助辨别方向（图1），在战争、探险、旅游等多种场景中得到应用，在古代还用于占卜、祭祀等。指南针为什么能指向南、北方向？所指的方向准确吗？今天，张老师就带大家了解一下指南针的前世今生和工作原理，并利用身边常见的材料做几个指南针。这里面涉及的科学知识还真不少。

早期的指南针

磁体具有3个最基本的性质。

第一是吸铁性。这里的“铁”并不单指铁元素，而是指铁磁性物质，包括铁、钴、镍等。目前，自然界存在的以及人造的元素共有118种，但是具有磁性的寥寥无几。常温下（15～25℃），通常只有铁、钴、镍等少数几种元素具有磁性（稀土金属钆在低于18℃的环境中也能表现出磁性）。

第二是指向性。让磁体在平面内自由转动（常用线悬吊或尖端支撑的方法），静止下来时，它们总是一端指南，一端指北。指南的那一端称为“指南极”，简称“南极”（S极）；指北的那一端称为“指北极”，简称“北极”（N极）。南极与北极是磁体上磁性最强的地方。

第三是同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。据说，西汉的方士栾大就曾利用这个性质做了两个像棋子的磁体，让它们“表演”吸引或排斥，称作“斗棋”。后来，他把这个当时看起来很新奇的玩意儿献给了汉武帝，还被封赏了。今天的磁性玩具就有很多了，比如磁性飞镖、磁性拼装模型等（图2）。

磁体的吸铁性与指向性很早就被发现了。先秦时期，人们把磁石吸引铁类比作慈母对子女的吸引，故把磁石写成“慈石”。磁石的主要成分是四氧化三铁，战国时期的磁山一带（今属邯郸市）多有发现，早期的司南出现在那一区域就不足为奇了。用天然磁石磨制成勺子形状，放置在一个四周刻有方位的盘子上，一个简单的司南就做好了（图3）。“司南”的“司”字，是“掌管”的意思——当旋转的勺子停下来，勺柄总是指向南方。后来，司南在不同时代、不同区域得到不同的改进，大概在唐代时，“变勺为针”就很普遍了。磁针携带起来更加方便，精度也提高了。到了宋代，沈括在《梦溪笔谈》中说磁针“常微偏东，不全南也”，说明已经观察到了磁偏角——地磁的南、北方向与地理的南、北方向（经线）存在的夹角，这比哥伦布1429 年横渡大西洋时发现磁偏角要早得多。

如果你想感受一下磁偏角，也很简单。阳光灿烂的正午，竖直立起一根竹竿，落在水平面上的竿影就是南、北方向；边上再放置一个指南针，你会发现指南针的指向与竿影方向并不平行。“立竿见影”辨别南、北方向，采用的是天文学的方法，易受天气与昼夜影响；用磁体辨别南、北方向，则突破了这种限制。

中国古代还出现过指南车、指南鱼、指南舟等磁体定向器，但是大多数都没有实物出土，后人只能凭借现有的知识与经验去推测它们的构造。但是，罗盘就很常见了，从唐末至今，出现过多种形制。罗盘传入欧洲后，在航海活动和地理大发现中发挥了重要作用。

奇妙的磁场

磁体周围存在磁场，磁场最基本的性质，就是对放入其中的磁体能产生力的作用。但是，磁场看不见、摸不着，比较抽象。为了形象地描绘磁场的强弱和方向，物理学家法拉第引入了磁感线这种模型。

在磁体上方放置透明玻璃板，在玻璃板上撒上铁屑，铁屑立刻会被磁化为一个个小磁针。轻敲玻璃板，铁屑的排列就出现了一定的规律性，形状类似一根根连续的曲线；磁感线的灵感就来自此（图4）。磁场是客观存在的，它的方向却是人为规定的。结合磁感线，空间中某点的磁场方向可以有3种表述：小磁针在该点时北极的受力方向、小磁针在该点时北极的指向、磁感线在该点的切线方向。磁感线是假想的曲线，是为了便于我们描绘磁场而采用的一种模型。磁场的方向用磁感线上的箭头表示；磁场的强弱用磁感线的疏密来表示，磁场越强，磁感线越密。磁感线在磁体周围的形状是立体的，每一条磁感线都是闭合的，任何两条磁感线不能相交。在磁体外部，磁感线总是从磁体的北极出发，回到南极。

如图5所示，B点的磁场比A点磁场强，因为B点的磁感线比较密。小磁针在A点静止时，N极指向A点的切线方向；而B点的小磁针将顺时针旋转，直到N极指向B点的切线方向（图5）。

对“场”的概念难以理解的同学，可以简单地把它想成“看不见的力”。物体间发生力的作用，有的需要接触，比如摩擦力、弹力，而有的不需要接触，就是通过“场”来实现的。飞机受到地球施加的重力，是通过引力场实现的；电荷间的相互作用，是通过电场实现的；磁极间的相互作用，也是通过磁场实现的。

（责任编辑：白玉磊）