Question

地球的南北极是磁场的南北极吗？

Answer 1

地球是个磁铁

地球被认为是一块磁铁意味着什么。人们经常有一种误解， (图1)提供了一个误解的极好例子。你能看出出什么问题了吗?从物理学的一些定义和惯例开始是一个很好的开始。我中学物理教科书上谈到:如果一个条形磁铁被一根绳子悬挂或安装在一个枢轴上，人们会发现条形磁铁大致上朝南北方向排列，条形磁铁的相同的末端总是指向北方。因为这个原因吗，我们把朝向北极的磁条一端称作N极，朝向南极的一端称作S极。这样我们可以标志所有条形磁铁的N极或S极。

到目前为止一切都好。但这个定义并不适用于地球本身，因为我们不能让地球悬挂起来看它磁力指向哪个方向。所以我们必须考虑磁性的一些性质，看看我们是否可以得出一个一致的关于地球的答案。

让我们考虑图1中的线条指定为“磁场线”。怎么理解这些磁场线呢?考虑图2，其中展示了很多经典的磁力试验，即在一张纸上的磁铁棒上分散着许多小铁屑。小铁屑的作用就像小指南针指向磁铁的一极(见图3)。铁屑线显示没有方向。然而我们需要进一步考虑条形磁铁的性能及其磁极。物理教科书一般这样描述:“通过在轴上安装磁棒或悬挂使它们可以自由移动时，我们发现两块磁铁的同极相斥，然而不同的磁极相互吸引。”用细长的磁化针，可以测量一个磁体或数个磁体之间的磁性，并且个别的、近似孤立的极点之间的力也可以测量。这项试验首先是由法国人完成的物理学家查尔斯·库仑(1736-1806)，1785年完成。库仑首先发现两个N极之间的排斥力是与 他们之间的距离 的平方成反比 。 (他还发现力是与磁极强度成正比)

这里有一个类似在相反的两极之间的引力与距离平方反比的关系，但是与斥力的方向相反。

因此我们可以想象绕着磁棒的N极放置一个磁针，画出在磁针上的合力。这

提供了有关磁棒中的磁力作用所产生的静磁的磁场概念，类似于电场周围的静电场(图4)。

现在我们准备根据这些概念来考虑指南针的行为。从图5我们可以看到指南针在磁场中会发生什么。它的指针朝向是沿磁棒的磁极方向，即磁铁的N极到它的S极磁力方向。因此，我们对我们最初的问题有了答案:我们如何把地球看作一个(条形)磁铁?答案是一个反直觉的说法，它是一个“磁铁”，具有磁场的N极在地理的南极，而地理上的北极却是磁场的S极。也就是说，图1和图3中的N和S应该颠倒!

这个结果对于大多数物理书籍来说都是一场噩梦。