能在水平面內自由轉動的磁體,靜止時總是一端指南一端指北,這稱為磁體的指向性,指南針就是利用磁體的指向性制成的 。
大約在公元前3世紀我國人民就發現了磁體的指向性,并制成了“司南”,

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用天然磁石磨成勺子,將勺子放在水平銅盤上,用手撥動勺子,當勺子靜止時,勺柄指南,勺頭指北 。用天然磁石磨制司南很麻煩,并且要十分小心,磁石受到強烈的震動就會失去磁性,成品率很低 。到北宋時期,人們發現將鋼靠近磁石就帶了磁性,并且能長期保持磁性 。于是,人們用天然磁石摩擦鋼針,使鋼針磁化,制成了人造的指南針 。并且采取了多種裝置方法,宋代的百科全書《夢溪筆談》就記載有:水浮法、

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碗唇旋定法、

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指甲旋定法

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和縷旋法 。

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歐洲使用同樣的磁化方法,比我們要晚400多年 。
指南針之所以能指南北,是因為地球是一個巨大的磁體,地磁的北極在地理南極附近,地磁的南極在地理北極附近 。因此,在地球周圍的空間里存在著磁場,叫做地磁場 。指南針靜止時,總是一端指南,一端指北,就是因為受到地磁場的作用 。

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正是認識到地磁場的存在,北宋時期還發明一種人工制作指南魚的方法:將薄鐵片剪成魚形,放在爐火中將貼片燒紅,首尾對準地磁場的方向,然后用冷水將貼片迅速冷卻即可 。

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不過,地磁兩極與地理兩極并不重合,水平放置的指南針的指向,跟地理子午線并不一致,其間有一交角,叫做磁偏角 。

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我國宋代的沈括是世界上第一個清楚地、準確地論述磁偏角的科學家,比哥倫布橫渡大西洋時才觀察到磁偏角現象早了400多年 。
地球是具有磁場的,地球磁場和地球一樣,也是有南北極的,但是地球磁場的南北極與地球的地理南北極正好相反,也就是說地球的地理南極是地球磁場的北極,而地球的地理北極是地球磁場的南極 。(如圖所示)

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磁場都具有同性相斥,異性相吸的特點 。磁化的指南針具有磁性(也有磁場) 。
將指南針放到地球上時,指南針的N(北)極會被地球磁場的N(北)極所排斥,就會指向地球磁場的北極(也就是地理南極),而指南針的S(南)極則正好相反,他會被地球磁場的S(南)極所排斥,只能指向地球磁場的南極(也就是地理北極) 。由于磁場的作用,指南針的南極剛好就指向地球的地理南極,指南針的北極也就剛好指向地理北極,這就是指南針的工作原理 。(如圖所示)
【指南針標記n指的方向是】

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