指南針為什麼會指向北方？
― 地球本身，就是一個巨大的磁鐵
登山或露營時使用的指南針，不論在哪裡放手，最後一定會停在同一個方向（北方）。明明附近也沒有放磁鐵，指針為什麼會毫不猶豫地指向北方呢？答案就在於：我們所站立的地球本身，正扮演著一個巨大磁鐵的角色。
把指南針放在手掌上，不管一開始朝向哪個方向，指針都會轉來轉去，最後穩穩地停在同一個方向。無論站在戶外哪個地方，結果都不會改變。
就算知道磁鐵之所以指向北方，是因為磁鐵之間互相吸引或排斥的力所造成的，但「究竟是什麼在拉著指南針呢」這件事，或許意外地很少有人認真想過。
而它的真面目，就在我們腳下，地底深處。
指針是由已被磁化的金屬製成，能夠沿著周圍磁力線的方向，自由地旋轉。
地球內部所發生的現象，製造出了行星等級的磁場。正是這個磁場，讓指南針的指針方向趨於一致。
接下來，我們就依序來認識「地球是一個磁鐵」這個日常中很少會意識到的事實。
指南針的指針，本身就是一個小磁鐵
指南針的指針，是用事先磁化過的細長金屬製成。磁鐵有N極與S極這兩種性質不同的兩端，N極與N極、S極與S極會互相排斥，N極與S極則會互相吸引。
指南針的指針，被設計成以中心為軸，幾乎沒有摩擦地自由旋轉。因此，只要周圍存在磁力方向，指針就會轉動並順著這個方向，穩定地停下來。
地球，是由內部運動所形成的巨大磁鐵
地球內部，愈靠近中心，溫度與壓力就愈高。中心附近有主要由鐵構成的核心，其外側部分（外核）被認為處於熔融的液態狀態。
這些液態鐵，因為地球自轉，以及內部熱能的對流，不斷地像被攪拌一樣運動著。當容易導電的金屬像這樣大規模運動時，就會發生產生電流、電流再形成磁場的現象，這稱為地球發電機（geodynamo）。一般認為，正是這個地球發電機的作用，形成了包圍整個地球的行星規模磁場。
而是我們所站立的地球本身，正靜靜地施加著力量。
其實從磁性上來說，吸引「北方」的是「S極」
這裡有一個稍微有點複雜，卻很有趣的事實。就磁鐵的性質而言，N極與S極會互相吸引。指南針指向北方的那一端，被稱為「N極」。也就是說，吸引這根指針的地球北極附近磁場，就磁性而言其實相當於「S極」。
如果我們平常對「北極是磁鐵的N極」抱有這樣的印象，從磁鐵的性質來看，這其實並不正確。「指向北方的極」這個名稱的由來，與磁極本身的種類，是很容易混淆的一點。
磁鐵指向的北方，和地圖上的北方，有些微差異
指南針所指的北方（磁北），已知與地圖上的北方（地理上的北方，即地球自轉軸的北方）之間，存在些微的偏差。這個偏差稱為磁偏角，角度會因地點而異。此外，由於地球磁場本身，會隨著地球發電機的變化，一點一點地、而且以難以預測的方式持續移動，因此磁北的位置也被認為每年都在改變。
地球的磁力雖然規模達到全球等級，但與身邊的磁鐵相比，其實相當微弱。因此，如果將智慧型手機、金屬製品或強力磁鐵靠近指南針，就可能無法正確指出方向。實際上兩者差距有多大，我們會在下一個折疊區塊中用數字來確認。
可以自己動手確認的事
- 把指南針放在遠離金屬與磁鐵、平坦的地方，確認指針指向北方並靜止下來
- 將冰箱用磁鐵等物品，慢慢靠近指南針
- 當靠近到一定程度時，確認指針不再指向北方，而是轉向磁鐵
- 把磁鐵移開後，也確認指針會再次指向北方並靜止下來
你可以親身體會到，身邊的磁鐵在近距離下，影響力遠比地球整體的磁力還要強大許多。
總結
指南針的指針之所以指向北方，是因為指針本身就是一個小磁鐵，會沿著地球內部液態鐵的運動（地球發電機）所形成的行星規模磁場旋轉。同時也存在著一種有點扭曲的關係：指南針指向北方的那一端被稱為N極，而吸引它的地球北極附近，就磁性而言其實相當於S極。地圖上的北方與磁北之間存在些微偏差，而且這個磁場本身，也被認為正持續緩慢地變化著。
指南針的指針，並不是在遙望遠方的北極星。
它感受到的，是腳下遙遠深處、地球心臟的跳動。
那麼，北極星本身又是如何呢？其實它並不是「最亮的那顆星」。歡迎一併閱讀北極星是最亮的星星嗎？。
想知道更多 ― 用語、數值、與教科書的關聯從國中理科到目前仍在研究中的主題，都會清楚標示屬於哪個程度
- 國中國中理科課程所學範圍
- 高中高中「物理基礎」課程所學範圍
- 高中＋高中「地球科學」，或教科書中屬於延伸、專欄性質的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業科目（地球物理學）的內容
- 研究即使在大學也尚未被當作「定論」教授，是研究者目前正在探討中的內容
國中用語：關於指南針與地磁的詞彙
- 磁場：磁力發揮作用的空間狀態。
- 磁力線：以肉眼可見的線條，表示磁場的方向與強弱。
- 地磁：地球本身所擁有的磁場。
- 磁偏角：地圖上的北方（真北）與指南針所指北方（磁北）之間的偏差角度。
高中用公式確認：地球的磁力，比身邊的磁鐵弱多少
我們來比較一下地球整體的磁力強度，與身邊磁鐵的強度。
| 地球磁場的強度（地表附近，概略值） | 作為代表性參考值，大約為50微特斯拉左右 |
| 冰箱用磁鐵的強度（表面附近，概略值） | 作為代表性參考值，大約為5000微特斯拉（5毫特斯拉）左右 |
磁力強度的單位使用特斯拉。微特斯拉是特斯拉的百萬分之一。
| 將5毫特斯拉換算成微特斯拉 | 5 × 1000 ＝ 5000 |
| 磁鐵的強度（換算成微特斯拉） | 5000 微特斯拉 |
| 磁鐵的強度是地球磁力的幾倍 | 5000 ÷ 50 ＝ 100 |
| 磁鐵的強度是地球磁力的幾倍 | 約 100 倍 |
反過來，我們也計算看看地球磁力相當於磁鐵強度的百分之幾。
| 地球磁力是磁鐵的百分之幾 | (50 ÷ 5000) × 100 ＝ 1 |
| 地球磁力大約是磁鐵的百分之幾 | 約 1% |
計算結果顯示，就連身邊常見的冰箱用磁鐵，在其表面附近的強度，也大約是地球整體所產生磁力的100倍。反過來說，地球的磁力，僅相當於身邊磁鐵強度的1%左右。地球磁場雖然擁有行星規模這種宏大的尺度，但在身邊這種近距離的強度，其實出乎意料地微弱。正因如此，只要把磁鐵靠近指南針，就會輕易蓋過地球磁場的影響。
※ 磁鐵的強度會因種類而有很大差異，此處數值僅為代表性參考值。
高中＋磁北會隨著時間移動
作為地球磁場來源的地球發電機，並非恆常不變，其狀態正一點一點地持續變化。隨著這種變化，觀測已確認指南針所指的磁北位置，也會隨著歲月緩慢地移動。在地圖繪製與測量作業中，據稱必須將這種磁偏角的變化納入考量。
大學地球磁場曾經多次反轉
在地球物理學的研究中，透過調查記錄在海底岩石中、過去磁場方向的痕跡（古地磁），已經得知地球磁場的N極與S極，在地質學的時間尺度上曾多次互換。這稱為地磁反轉。已知海底岩石中，這種反轉的紀錄，會以條紋狀圖案的形式保留下來，這也成為支持板塊構造論的重要證據之一。
研究目前仍不清楚的事
- 目前仍持續進行更精確地模擬地球發電機詳細運動、預測未來磁場變化的研究。近年來，也有磁北移動速度比過去更快的報告，其原因的釐清被視為研究課題。
- 關於下一次地磁反轉會在何時、以何種方式發生，目前仍無法準確預測。有人指出，在地磁反轉發生的期間，地球磁場可能會暫時減弱，相關影響的研究也正在進行中。
- 比較地球以外的行星，其磁場是透過何種機制產生的研究，也被視為加深我們對地球磁場理解的重要研究主題。
在身邊指南針指針轉動的背後，其實延伸著地球內部宏大運動這個至今仍在持續研究的主題。
與教科書的關聯（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・磁鐵與指南針 | 磁場、磁力線、地磁等基本用語 |
| 高中 | 物理基礎・磁學 | 比較地球磁力與身邊磁鐵強度的計算 |
| 高中＋ | 地球科學・地球磁場 | 磁北的移動與磁偏角 |
| 大學 | 地球物理學・古地磁學 | 地磁反轉與海底紀錄 |
| 研究 | 地球物理學（研究中） | 地球發電機的模擬、下一次地磁反轉的預測 |
- 日本氣象廳（気象庁）關於「地磁気」的解說資料。
- 物理基礎教科書中，關於磁場、磁力線的解說。
- 地球物理學相關教科書中，關於地球發電機理論的解說。
- 古地磁學領域中，關於海底條紋狀磁力異常與地磁反轉的研究回顧。
- 日本國土地理院（国土地理院）關於「磁気偏角」的解說資料。
※ 磁場強度的數值為代表性參考值，實際數值會因地點與產品而有所差異。
※本文為一般大眾取向的科學解說。有關登山與戶外活動中指南針的正確使用方式、磁偏角的修正方法，請以專業機構及國土地理院的資訊為準。