神秘的地磁場(chǎng)

地球周圍也存在磁場(chǎng)，外部的磁場(chǎng)分布與條形磁體非常類似（圖1）。

地磁的北極在地理南極附近，地磁的南極在地理北極附近。如前所述，地磁的南、北方向與地理的南、北方向并不重合。在地球外部，假想的磁感線從地磁北極出發(fā)，回到地磁南極，包裹住地球。如果我們?cè)诘厍蛏喜煌攸c(diǎn)放置小磁針，這些小磁針的北極將指向該點(diǎn)的磁感線的切線方向，這時(shí)小磁針的南極所指的方向正是地理南方附近，這就是指南針之所以指南的原因。

然而，這并不意味著地球內(nèi)部有一個(gè)真正的條形永磁體。地球的磁場(chǎng)其實(shí)是電流產(chǎn)生的，也就是說(shuō)，地球是“電磁體”。

初中學(xué)到了“電流的磁場(chǎng)”相關(guān)知識(shí)。丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特的實(shí)驗(yàn)告訴我們，電流（或通電導(dǎo)體）周圍存在磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向與電流方向有關(guān)，而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與電流大小、到電流的距離都有關(guān)系。電流的磁場(chǎng)方向可用安培定則來(lái)判斷。如果是直線電流（或通電直導(dǎo)線），則讓右手的大拇指豎起，與四指垂直；大拇指指向電流方向，四指環(huán)繞的方向就是直線電流周圍的磁場(chǎng)方向。據(jù)此，我們可用KT 板、木棒做個(gè)直線電流周圍磁感線的模型（圖2）。這是一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)，沒(méi)有磁極。磁感線是一圈圈的同心圓，越到外圍，間距越大，表示磁場(chǎng)就越弱。

通電螺線管的磁場(chǎng)與條形磁體相似（圖3）。用右手握住螺線管，使四指指向環(huán)繞電流的方向，那么大拇指所指的那一端就是通電螺線管的N極。如果在通電螺線管中插入鐵芯，鐵芯將被磁化，而且磁場(chǎng)方向與螺線管的磁場(chǎng)方向相同，原有的磁場(chǎng)將得到強(qiáng)化。插入鐵芯的通電螺線管，其實(shí)就是電磁鐵。

鐵磁性的材料放到磁場(chǎng)中后，會(huì)表現(xiàn)出磁性，這個(gè)過(guò)程叫作“磁化”。當(dāng)磁體被拿走后，鐵磁性材料仍有磁性保留，這叫“剩磁”。鐵一類的材料，剩磁微弱，被稱為“軟磁性材料”，它們既容易被磁化，也容易消磁。鋼一類的材料，剩磁比較強(qiáng)，被稱為“硬磁性材料”，它們可以被制成永磁體。有一些稀土永磁材料，剩磁超強(qiáng)，可以被制成超強(qiáng)磁體，比如市面上常見(jiàn)的釹鐵硼磁體。磁化的方法比較簡(jiǎn)單，比如想將一根鐵釘磁化，只要拿著釹鐵硼磁體沿一個(gè)固定方向摩擦幾次鐵釘即可。當(dāng)然，也不一定非要接觸到鐵釘，靠近鐵釘，沿固定方向移動(dòng)也可以。如果釹鐵硼磁體是一粒一粒的，可以將它們吸在一起，當(dāng)成一個(gè)大一點(diǎn)的磁體使用（圖4）。

地磁產(chǎn)生的機(jī)制被稱為“發(fā)電機(jī)理論”。從地表到地心，地球的結(jié)構(gòu)大致分為地殼、地幔、地核，其中地核又分為內(nèi)核和外核。內(nèi)核的溫度很高，但是由于受到的壓強(qiáng)很大，所以并沒(méi)有熔化，而是呈固態(tài)，主要是固態(tài)鐵。外核則主要是液態(tài)鐵，在熱對(duì)流、熱化學(xué)對(duì)流、地球自轉(zhuǎn)等影響下，不停地流動(dòng)，就像是金屬導(dǎo)線組成的線圈在不停旋轉(zhuǎn)，如果位于變化的磁場(chǎng)中，就會(huì)產(chǎn)生電流，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。最初啟動(dòng)電磁感應(yīng)的那個(gè)磁場(chǎng)可能來(lái)自太陽(yáng)，這已經(jīng)是三四十億年前的事了。在變化的電流周圍，又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，會(huì)再次引發(fā)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流。流動(dòng)的液態(tài)鐵與磁場(chǎng)之間不斷發(fā)生相互作用，在這樣的循環(huán)機(jī)制下，最終形成了和條形磁體相似的地磁場(chǎng)。但是，由于外核液態(tài)鐵流動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，地磁場(chǎng)的N 極、S 極常會(huì)發(fā)生漂移甚至倒轉(zhuǎn)。研究認(rèn)為，過(guò)去的360 萬(wàn)年間發(fā)生過(guò)11 次地磁倒轉(zhuǎn)，最近一次發(fā)生在約77 萬(wàn)年前。但是，地磁倒轉(zhuǎn)沒(méi)有固定周期，在恐龍生存的白堊紀(jì)，大約4 000 萬(wàn)年間都沒(méi)有發(fā)生過(guò)地磁倒轉(zhuǎn)。目前，人類尚無(wú)能力預(yù)測(cè)地磁倒轉(zhuǎn)。

自制指南針

理論上，如果有磁石，我們也可以磨制一個(gè)司南，但是工序太煩瑣了。

北宋的軍事著作《武經(jīng)總要》記載了指南魚的制作和使用方法，“用薄鐵葉剪裁，長(zhǎng)二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對(duì)子位，蘸水盆中，沒(méi)尾數(shù)分則止，以密器收之。用時(shí)，置水碗于無(wú)風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也”。今天看來(lái)，這就是一個(gè)制造人造磁體的過(guò)程。通過(guò)加熱使薄鐵片的溫度升高，讓原有的磁性基本消失。淬火過(guò)程中，鐵片受到地磁場(chǎng)影響，在特定方向重新表現(xiàn)出磁性，就可以指向南、北方向了?？茖W(xué)原理沒(méi)有問(wèn)題，缺點(diǎn)是地磁場(chǎng)相對(duì)較弱， 被磁化的指南魚的磁性較弱。

我們可以用釹鐵硼磁鐵來(lái)實(shí)施磁化。用記號(hào)筆在鐵片上畫一個(gè)魚的形狀，用剪刀將其剪下，用圖4 的方法將鐵片魚磁化。找個(gè)容器，盛上水，等水面平靜后，讓鐵片魚漂浮在水面上，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它總是指向南、北方向了。如果魚頭指向北方，只需要調(diào)換強(qiáng)磁體的磁極或者摩擦方向或者魚頭魚尾方向，將指南魚重新磁化一下，就可讓鐵片魚的頭指向南方了（圖5）。指南魚能浮在水面上，是因?yàn)樗谋砻鎻埩?。指南魚的表面如果用鐵釘壓出一些凹點(diǎn)，更容易漂浮。

其實(shí)，指南魚在西晉時(shí)代就出現(xiàn)了，優(yōu)點(diǎn)是比司南轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，弱點(diǎn)就是磁性弱。我們用強(qiáng)磁體使指南魚磁化，磁性就強(qiáng)多了。當(dāng)然，也可以改變鐵片的形狀，做成指南龜、指南鴨什么的。后世也有用木頭刻成魚、龜?shù)刃螤畹?，在木頭內(nèi)部放入磁體后用蠟封好，再將針從木頭兩端插入，接觸到磁體，就做成了指南魚、指南龜。如果不放在水上，也可以用針狀物將其支撐起來(lái)，讓其自由轉(zhuǎn)動(dòng)，類似實(shí)驗(yàn)室的小磁針。

我們還可以做幾種水浮指南針。

在細(xì)鐵棒的兩端各吸一個(gè)小的強(qiáng)磁體，將飲料瓶蓋倒置，使其浮于水面，然后將細(xì)鐵棒平穩(wěn)地放在瓶蓋上，一個(gè)水浮指南針就做好了。將磁化后的縫衣針或回形針（彩色的回形針更增強(qiáng)觀感）穿過(guò)泡沫球，然后將其浮在水面上，也能做一個(gè)水浮指南針（圖6）。

怎么樣，這下你可以想到更多的制作方法了吧？

（責(zé)任編輯：白玉磊）