为什么在靠近磁性南北极时，指南针的指向会发生异常？

虽然当代的导航技术已非常成熟，但依然无法完全替代指南针的存在，它就像是一个具有磁化指示器特性的导航仪器，在过去的数千年时间里为人类指引地球上的道路。我们都知道，生活在南极的企鹅是没有指南针的，但它们却总能找到自己要走的路，并且，事实上指南针也无法给它们带来任何实质性的帮助。不要感到惊讶！因为，在向地球的磁性南北极位置靠近的时候，即使是我们手上的指南针，也会发生异乎寻常的行为指示。倘若正在打包行李的你想要和企鹅一起闲逛，即将开启一场南极之旅，那么，你要怎么做才能找到实际上的南极？

为什么指南针具有辨别方向的能力

地球本身就是一个具有强大磁性的物体，它的两极分别位于和地理南极、地理北极接近的地方，而地球表面上可以自由转动的磁体，则会因为磁体特性（异性相吸、同性相斥）而指示出南北方向的所在位置。虽然，古人并不能够清晰地理解地球磁场的本质，但却发现了这样的现象、并利用这样的性能来辨别自己所处位置的方向。指南针的发明，对于人类文明和科学技术的发展而言，都起到了不可估量的作用。在古代的时候，指南针又被称为司南，主要由一根位于轴上的磁针构成的它，在大地测量和航海等领域中被广泛应用。

地球具有天然磁场，磁针在这样的环境下自由转动，并将其位置始终保持在磁子午线的切线方向之上，然后，磁针的北极指向了北磁极。虽然，我们经常使用的GPS被广泛的使用在导航、测速和定位等方面，但对于某些特殊地形，比如：当存在较大的地物遮挡无法准确导航、甚至完全无法使用的时候， GPS便不能给予我们航向的正确指引信息。因而，随着时间的递进，指南针也有了新的版本，各种电子指南针在我们的智能手机中存在，并且它也有了电子罗盘或数字罗盘这一新的名字。通常使用磁通门和磁阻传感器加工而成的电子罗盘，同样也是利用地磁场来定义北极的位置。

指南针如何辨别南极在哪个方向

由于地球的自转活动，以及地核中富含铁的流体的晃动，从而产生了地球的磁场。这也是为什么会流体运动方式和速度的变化，会导致地球的磁场和磁极发生改变。虽然，地球地理上的南北极，所标记的是其旋转中心轴的相对两端，但由于地球磁性南北极的位置，并不是某个固定的点，因而，它们与地理上的南北极之间可能存在数千公里的距离差距。就指南针的设计而言，它的磁性针头的北端会指向地球的磁性北极，而它的另一端则指向了地球的磁性南极。

虽然，指南针在落下时将与我们站立时的磁场线相平行，但是，由于地球的磁场线在从北极到南极的时候，并不是呈现出沿着直线排列的方式。当我们向着地球的磁性南极靠近时，磁力线的分布将会弯曲，并直接进入了与地球表面垂直的磁性南极。也就是说，一旦我们达到这样的特殊位置，此时的指南针无法给予水平指向，而是直接指向了地球。此时，想要通过常见的指南针来指引方向已然行不通。

但是，我们可以携带一种特殊的指南针访问南极，它所拥有的自由浮动的指针，可以在三个方向上进行移动，其指针的“南端”会在你到达磁性南极的时候指向下方。同理，在地球的磁性北极，指南针针头的北端也会试图直至地面。因而，对于在极地探险的人们而言，他们往往会通过绘制太阳角或恒星位置的方式，从而计算出正北位置的所在。事实上，指南针提供的最准确读数应该是在赤道上，因为，此时地球的所有磁场线都处于水平状态，且都与地球的表面平行。

地球的磁场和极点拥有怎样的特性

地球的地理和磁极处于彼此相对的位置，比如，位于地球地理北极附近的是其磁性南极，这便是为什么当我们通过指南针确定位置的时候，它的指针会在北半球的时候指向磁性南极，并在位于南半球时指向磁性北极。与此同时，地球的磁极并不是固定不变的，磁场可能由于受到了流动金属岩浆的影响，而呈现出了不稳定的特征。比如，磁性北极每年的平均移动距离，就达到了大约在55公里左右。并且，这样的电磁异常并不是某个区域的特性，而是广泛的存在于世界各地，比如，位于地球液态外核边界附近地幔中的密集部分，导致了南部非洲的磁场扰动了类似于溪流中的涡流。

在已经过去的这30亿年中，地球的两极一直在发生变化，甚至达到了数以百计的彻底扭转次数，而最近一次的完全逆转则大约发生在78万年前。而这一系列变化，科学家们都从地质记录中找到了证据，包含了地球磁场逆转和位移的完整演变过程。在凝固之前的熔融岩石中，从与磁场对齐的金属被发现，到沉积在沉积岩层中的磁性金属，地球的所有动态变化过程，都通过不同地质时间内产生的新岩石记录了下来。随着上升到地表的熔岩融化，那些悬浮于熔岩中的铁颗粒，开始让自己转向地球磁场的方向，并在熔岩凝固后将金属沉积物的位置锁定，于是，这些地球磁场逆转和变化的信息被记录了下来。

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手机自带的“指南针”APP，跟传统的指南针原理一样吗？

两者原理上是一样的，都是靠测地球磁场的方向来实现指南，但测量的方式不一样，毕竟手机里不可能内置小磁针。手机内置的指南针其实是一个三维电子罗盘，它可以在三个方向上测量地磁场，这样即使手机并非水平也可以算出地磁场方向。目前的主流是用霍尔效应来测量。

霍尔效应是高中物理的重要考点，当电流通过磁场中的导体时，垂直于电流和磁感线的方向上会出现电势差，称为霍尔电压。

图片来源：wikipedia

其中为材料厚度，为材料的霍尔系数。

半导体也有霍尔效应，而且霍尔系数比导体大得多，对应的霍尔电压也高，因此可以用半导体的霍尔效应来测量微弱的地磁场。霍尔传感器体积小，重量轻，很适合用在手机里。但它灵敏度低，而且受温度影响大，因此精度不高。

另外，磁阻效应也可以用于电子罗盘。磁阻传感器拥有磁各向异性，如果外加的磁场方向不同，材料的磁化率和电阻也不同，因此也可以用于测量地磁场。篇幅所限就不做过多介绍了。

那么，手机指南针是否校正了磁偏角呢？经过本人的小样本调查，发现安卓手机没有校正，但苹果手机有校正功能，就是下图中的使用真北。

其实对我们来说校正磁偏角的必要性不大。因为手机指南针容易受到其他磁场的影响，而且本身精度也不高。此外，不同地区的所需的校正值也不同，所以需要大致位置来定位。

by fiufiu

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