指南针

指南针

指南针，古代叫司南，主要组成部分是一根装在轴上的磁针，磁针在天然地磁场的作用下可以自由转动并保持在磁子午线的切线方向上，磁针的南极指向地理南极(磁场北极)，利用这一性能可以辨别方向。

常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。物理上指示方向的指南针的发明有三类部件，分别是司南、罗盘和磁针，均属于中国的发明。据《古矿录》记载最早出现于战国时期的磁山一带。

指南针是中国古代劳动人民在长期的实践中对磁石磁性认识的结果。作为中国古代四大发明之一，它的发明对人类的科学技术和文明的发展，起了无可估量的作用。在中国古代，指南针起先应用于祭祀、礼仪、军事和占卜与看风水时确定方位。

产生背景

地球是一个大磁体。地球的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。地球表面的磁体，当可以自由转动时，就会因磁体同性相斥、异性相吸的性质指示南北——这个道理，古人不够明白；但这类现象，古人已经发现。

磁现象的发现

先秦时代的中国劳动人民已经积累了对磁现象的认识，在探寻铁矿的时候，常常遇到磁铁矿，即磁石（主要成分是四氧化三铁——化学式Fe3O4，别名氧化铁黑、磁铁、吸铁石，为具有磁性的黑色晶体，故又称为磁性氧化铁）。《管子》的数篇中早已记载了这些发现：“山上又磁石者，其下有金铜。”《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早被人发现，《吕氏春秋》九卷精通篇就有：“慈招铁，或引之也。”古人称“磁”为“慈”。古人把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为：“石是铁的母亲，但石有慈和不慈两种，慈爱的石头能吸引他的子女，不慈的石头就不能吸引了。”汉以前古人把磁石写成“慈石”，是慈爱石头的表达。到了西汉，有一个名叫栾大的方士，他利用磁石的特性做了两个像棋子的东西，通过调整两个棋子极性的相互位置，有时两个棋子相互吸引，有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝，并当场演示。汉武帝惊奇不已，龙心大悦，竟封栾大为“五利将军”。

李约瑟的观点，他在《中国对航海罗盘研制的贡献》一文，有明确的阐述。他从《古今注》、《管氏地理指蒙》、《九天玄女青囊海角经》等书的记载中推测出如下结论：“磁石指向性转移到它吸过的铁块的发现在中国大约在一世纪到六世纪。在十一世纪以前的某个时期就已发现，不仅可以用铁块在磁石上磨擦产生磁化现象；而且还可以用烧红的铁片，经过居里点(CuriePoint)，冷却或淬火而得到磁化，操作时，铁片保持南北方向。

现代指南针

现代电子罗盘

现代人制作了各种电子指南针，智能手机普遍有这个软件，电子罗盘也叫数字罗盘，是利用地磁场来定北极的一种方法，应用到手机上，其实就是电子指南针，电子罗盘一般用磁阻传感器和磁通门加工而成。

电子罗盘

虽然GPS在导航、定位、测速、定向方面有着广泛的应用，但由于其信号常被地形、地物遮挡，导致精度大大降低，甚至不能使用。尤其在高楼林立城区和植被茂密的林区，GPS信号的有效性仅为60%，并且在静止的情况下，GPS也无法给出航向信息。为弥补这一不足，可以采用组合导航定向的方法。电子罗盘正是为满足用户的此类需求而设计的。它可以对GPS信号进行有效补偿，保证导航定向信息100%有效，即使是在GPS信号失锁后也能正常工作，做到“丢星不丢向”。

电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平，否则当罗盘发生倾斜时，也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。虽然平面电子罗盘对使用时要求很高，但如果能保证罗盘所附载体始终水平的话，平面罗盘是一种性价比很好的选择。三维电子罗盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制，因为三维电子罗盘在其内部加入了倾角传感器，如果罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向数据依然准确无误。有时为了克服温度漂移，罗盘也可内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

电子罗盘原理

三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿;MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。

磁偏角

地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角，即为磁偏角。磁偏角在同一地点也不是定值，每天早晚测定的磁偏角也有微小的差异，磁偏角具有长期变化和周日变化的特性。气象条件对磁偏角的影响也很大，尤其在雷电天气下是不能观测的。磁偏角受地磁环境影响比较显著，由于地磁的特性，磁子午线情况比较复杂，且互相不平行，直线愈长，误差越大。