为什么光不能让指南针移动？
2024-11-19 阅读 84
更新于 2024年11月21日
电磁波是电磁波，电场是电场，磁场是磁场。电磁波不能使指南针偏转，电场也不能使指南针偏转，只有磁场才能使指南针偏转。
电磁波、电场和磁场是三种独立，但又彼此可以通过某些物质属性实现关联转化的一组能量传递方式。
举个例子，手挥动石头，石头落入水中，水产生波纹，是一组彼此独立但又互相关联的能量传递方式。手抛和石头飞类比与电场和磁场，水波类比与电磁波。他们各自通过各自的方式传递能量，虽然传递的都是动能/电磁能，但三种传递方式之间并不存在直接的影响关系。并不会有因为手挥动，所以水会产生波纹的原理；也并不会说因为水产生波纹所以手在挥动的原理。
虽然三种能量的传递方式互不相干，但是其中一种方式传递的能量可以通过物质（介质）将其能量转化为另一种方式传递的能量，从而实现对另一种能量的传播过程产生干涉。
比如石头在空中飞行和水有波纹这两者间并没有直接的关系，但是，飞行的石头可以通过落入水中的方式激起水波纹，从而影响其他水波纹的传播过程。反过来，水流速度快时，也可以通过冲飞石头来将水流能量转化为石头飞行时的动能，从而引发对其他石头的碰撞或者对人体的碰撞。
电磁波并不能直接影响电场、磁场，他们是彼此独立的能量传播方式。电磁波需要借助介质才能将其电磁波形式的能量转化为电场形式能量（光电效应、感生电动势）、变化电场再产生感生磁场从而实现电磁波对磁场的“干涉”。目前已发现电磁波这种交变能量转化为电场或磁场时必然伴随同时产生交变磁场和交变电场，交变磁场和交变电场且偏振角度合适时才会产生电磁波，所以可以说“电磁波可以通过某种物质传导方式产生对磁场的影响，但电磁波本身不能对磁场产生影响”。
光也可以通过光生电产生电场进而产生磁场，进而影响磁针，所以“光也可以通过某种物质传导方式产生对磁场的影响，但光本身不能对磁场产生影响”。
怪这帮科学家和学者咯，其实地磁不是电磁波的磁场，地磁是地磁，电磁波激励出来的磁场则是磁场······
所以，我觉得，应该直接把地球的磁场定义为地磁，和电磁波划分开来
其实是可以的…光磁效应
全球定位系统（GPS）的发明使人类生活变得更加简单，这是现代导航方式，你所需要做的就是将位置输入GPS系统，该系统就会引导你方向，人们基本上不会迷路。
然而，世界并不总是这么简单，全球定位系统是一项新技术，因此在它出现之前，指南针是值得依赖的，是真实的“导航顾问”。指南针是从公元1年开始使用，当时它是由中国汉朝首次制造的，事实上，第二次世界大战时期，指南针和地图曾以大富翁图板游戏方式走私给德国关押的战俘。
然而，GPS和指南针等导航技术并非没有故障，而是在地球不同地区以不同方式运行。在某些地区，它们甚至可能完全停止运行或者运行不准确！
地球极地之谜
地球有两种类型极地——地极和磁极，从地理位置上，地球存在南极和北极，分别是地球的最南端和最北端，即旋转轴和地表的交汇处，每颗行星都有地理极地。
然而，像地球的一些天体也存在磁场，地球磁场是由地球存在铁芯所致，其内核是固体，而外核是熔融状态，外核和熔铁移动产生持续的对流将形成磁场。
磁场从地球表面向外延伸，而地球内部表现得像一个巨大的磁铁，因此地球存在一个磁北极和一个磁南极，磁北极位于地理南极附近，磁南极位于地理北极附近，地极和磁极并不存在同一位置。
地理北极和磁南极相距大约500公里，磁极不是固定的，而是不断地改变位置，甚至地球磁场会随着时间推移而衰减、逆转和重新建立。
磁场强度变化和不断移动会导致指南针和GPS系统发生故障，但在深入探查原因之前，让我们先了解一下指南针和GPS系统是如何运行的。
指南针如何运行？
指南针是一种非常基本的导航装置，但它却极为重要，它的工作原理是磁北极吸引磁南极，如前所述，地球存在磁北极和磁南极，指南针是一种带有磁针的小装置。
当指南针与地面保持平行时，指针就会旋转，磁针的北极指向就是磁南极方向，由于磁南极位于地理北极附近，因此指针所指的方向就是地理北极。同时，指针指向南方就是地理南极。
在极地使用指南针
地球存在磁场，其非常强大足以使指南针运行，然而，磁场是一个矢量，除了具有磁场强度外，还存在磁场方向。因此，人们如果携带指南针身处任何一个极地，指南针保持水平，而此时磁场方向就垂直于指南针指针，指针会指向任意方向。
GPS系统如何运行？
GPS全球定位系统是一种基于卫星的导航系统，就像古代水手们通过仰望星空来指引他们走正确的路一样，现今的人造导航卫星就是起到这个作用。整体GPS系统是由地面站、卫星和接收器等组成，卫星不断地向接收器发送信号，人们日常驾驶的车辆、使用的笔记本电脑、智能手机都配备GPS系统，接收器执行运算，并对目标进行定位。随着人类部署越来越多的卫星，勘测精度将越来越高，地面站是用于操控人造卫星的。
全球定位系统是由美国拥有和运营的，其他国家也有自己运营的定位系统，例如：中国的“北斗”卫星导航系统和俄罗斯“格洛纳斯（GLONASS）”卫星导航系统。
在极地使用GPS
人们现已清楚为什么指南针会在极地出现故障，然而GPS是否也会像指南针一样在极地出现问题？人们可能会认为GPS并不依赖于地球磁场，而是依赖于人造卫星，所以它们可以正常工作。但是该观点仍存在一定误区。
全球定位系统的功能确实依赖于绕地球运行的卫星，但其功能仅限于提供精确位置，它可以告诉你在一个特定时间点你在哪里，但它无法精准地引导你到达目的地。为了发挥方向性指引作用，GPS设备会安装地图软件，例如：智能手机上的谷歌地图，发挥指南针的方向指示作用。因此，GPS和指南针是同步工作的，GPS在两极本身没有故障，但由于指南针损坏，GPS设备将不再正确显示方向。
同时，我们还需要明白全球定位系统并非永远正常运行，它可能受恶劣天气条件、障碍物（例如：使用者身处地下室）的影响，也可能受电离层效应产生误差的影响。
电离层距离地面50千米至1000千米，它是由连续运动的带电粒子构成，因此，卫星发送的GPS信号可能会在电离层中分散而出现延迟，这将产生信号误差。由于电离层不是均匀的，因此很难有一个简单的错误修正公式进行修改。
导航VS磁极
每当人们将指南针保持水平方向，其指针将指向磁南极，与地理北极保持最小距离。为了纠正这种异常现象，世界磁场模型（WMM）可代表地球微妙的磁场，GPS设备也可以在该模型的帮助下工作，这就是为什么GPS能够告诉人们正确的路径。
然而，不断变化的地球磁场要求每5年更新一次WMM模型，你可以将WMM模型与普通的地理地图进行对比分析，如果大陆一直处于移动状态，每次你都需要一张新地图来确定正确位置，同样，如果你使用的WMM模型过时，GPS跟踪器可能会将你引导至错误位置。
湖面粼粼波纹能推动大船吗。
光和指南针的关系就是这样。光能移动电子等微小带电粒子。
光是一种电磁波，它由交替变化的电场和磁场构成。然而，尽管光具有磁场，它却无法让指南针移动。这看似与我们对磁场和磁力的基本理解相悖，但实际上，这是由光的频率和磁场强度等因素所决定的。
指南针的原理是基于地球磁场与指南针内部磁针的相互作用。磁针会被地球磁场拉动，从而指向南北方向。然而，当我们想到光的磁场时，会不禁产生疑问：既然光也是一种电磁波，既然电磁波包括磁场，为什么它无法让指南针的磁针移动呢？这是一个令人困惑的问题。要解答这个问题，我们需要深入理解光的本质、它与磁场的交互机制以及磁性材料的响应特性。
1 电磁波的本质与光的特性
光是电磁波的一种形式，它的波动性体现在交替变化的电场和磁场。麦克斯韦方程组清楚地描述了这一现象，指出电场的变化会产生磁场，磁场的变化也会产生电场。电磁波以光速传播，光既可以表现为波动，也可以表现为粒子。对于低频率电磁波，如无线电波，我们可以观察到它们的电场和磁场对环境的影响。然而，光的频率极高，其波长在纳米级别。因此，光的电场和磁场变化速度极快，远远超过了我们日常生活中所接触的磁场变化。
对于光这样的高频电磁波，其磁场的强度相对较小。尽管光的电场和磁场是耦合在一起的，但其作用方式不同于我们熟悉的静磁场或低频磁场。这也是为什么我们无法用光的磁场直接感知到明显的磁效应。光的波长和频率极大地影响了它对物体的作用方式。
2 磁场与磁性材料的相互作用
指南针的原理依赖于地球的磁场，它是一种静态的磁场。地球磁场在指南针周围产生一种持续且稳定的力，吸引磁针，使其指向磁北。而光的磁场与地球磁场不同，光的磁场是交替变化的，这意味着光的磁场不会在一处持续产生力，而是瞬时变化。这种交替变化的磁场并不能产生足够的作用力来影响磁针。
指南针中使用的磁性材料，如铁氧体或者磁钢，它们对外部磁场的变化非常敏感，但这种敏感性依赖于磁场的强度和频率。当外部磁场频率过高，超出材料的响应范围时，磁性材料便无法“感知”到这个磁场的变化。光的磁场频率非常高，导致磁性材料无法有效响应，进而无法像地球磁场那样作用于指南针。
3 光的频率与磁效应
光的频率极高，以可见光为例，波长在400至700纳米之间，相应的频率在数百太赫兹的量级。如此高频的电磁波，其磁场的交替变化极为迅速，对于日常使用的磁性材料来说，它们无法跟上这种快速变化，因而不能有效感受到光的磁场。这就像试图用一把机械表来跟踪每秒上亿次的振动一样，机械表的设计决定了它无法追踪如此快的变化。
另一方面，磁场的强度也十分重要。光的磁场强度相对于静磁场或低频磁场来说非常微弱。尽管电磁波包含电场和磁场，但在光的情况下，磁场的强度相对于电场要弱得多。这就解释了为什么我们能感受到光的电效应，比如光电效应，却很难看到光的磁效应。
4 霍尔效应与指南针的对比
在理解光对磁针的作用时，可以参考霍尔效应。霍尔效应描述了当带电粒子在磁场中运动时，会受到洛伦兹力的作用而产生电压差。然而，霍尔效应的磁场是静态或低频的，而光的磁场是高频的。高频电磁波无法像低频磁场那样在物质中引发明显的霍尔效应。同理，光的高频磁场也无法在磁针中产生足够的作用力来让它移动。
指南针中的磁针依赖于较低频率的地球磁场来对齐，而光的磁场虽然理论上可以作用于磁针，但由于其频率过高，无法产生持续的定向作用。这就类似于一种“超快”的磁场作用，它的变化太快，无法在磁针上留下“印记”或影响。
5 能量尺度与作用力
光与物质的相互作用还与能量尺度相关。光子作为光的量子，带有一定的能量，其能量由普朗克常数与光的频率决定。虽然光的能量可以很高，但它与指南针磁针上的原子和电子之间的相互作用强度极其微弱。光子与物质的相互作用通常表现为吸收、散射或者反射，而并不是直接的力学作用。这意味着，即便光带有磁场，它也不会像一个强大的静态磁铁那样施加足够的力去推动磁针。
6 实验与实际观察
科学家们已经进行了大量实验来研究光与物质的相互作用，尤其是在光的电磁效应方面。虽然光的电场可以引发许多明显的现象，例如光电效应和激发物质中的电子，但光的磁效应相对不易观察到。事实上，在常规实验室环境中，很难检测到光的磁场直接作用于宏观物体。这种现象进一步证明了光的磁场在实际应用中很难对指南针产生作用。
