簡単でわかりやすい！方位磁石はなぜ北を向く？仕組みや地球の構造を理系大学院卒ライターが詳しく解説

ライター／こーじ

元理系大学院卒。小さい頃から機械いじりが好きで、機械系を仕事にしたいと大学で工学部を専攻した。卒業後はメーカーで研究開発職に従事。
物理が苦手な人に、答案の答えではわからないおもしろさを伝える。

方位磁石とは

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方位磁石とは、磁石の性質を用いて方位を簡単に調べるツールです。方位磁針やコンパスとも言います。方位磁石の針は一般的に磁化された鉄（磁石）です。最近は、フェライト磁石やネオジム磁石のような強力な磁性を持つものも使用され始めています。

この針は一般的に、N極が赤く、S極が白いです。これは、N極が北（North）、S極が南（South）を向くため、その頭文字をとっているためになります。

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方位磁石とN極・S極の関係性

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では、磁石を用いてどのように方角を知っているのでしょうか。磁石の周りに方位磁針を置いた理科の実験で考えてみましょう。磁場の中に磁石を置くと、N極を磁場の方向に、S極を反対の方向に動かす力が生じます。これは磁力による力でコンパスの磁石が動いているのです。コンパスの方位磁針の赤い先端は、砂鉄などを使用して可視化される磁力線の線の模様に沿うように移動します。

磁力線は、N極から出てS極に入る方向です。方位磁針は、N極が北（North）、S極が南（South）を向くため磁力線に連動して磁石が動きます。これは、磁石のS極はN極に、N極はS極にひかれあう性質を利用しているためです。この特性を利用し方角を知っています。

つまり、方位磁針とは磁石の各々の極がひかれあう現象を用いて方角を図る道具です。磁石の周りでは、方位磁針は磁力線に沿って向きをそろえることはわかりましたね。

では、磁石のない場所ではなぜ北を向くのでしょうか。次は、その点について解説していきます。

地球も巨大な磁石

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方位磁針が北を向く理由は、地球上ではほぼ北向きの磁場が発生しているからです。地球は大きな磁石と考えることができます。そのため、地磁気と呼ばれる大きな磁場が地球全体で発生しているのです。これにより、理科の実験のように方位磁針は北を向きます。では、なぜ地球にはこのように大きな磁場が発生しているのでしょうか？

なぜ地球は大きな磁石なのか

地球が大きな磁石であると考えられる理由は、地球の内部にある外核に起因した地磁気が発生しているためです。地球の内部構造は、地殻、マントル、核か構成されています。近くは表層から5-40kmの範囲、マントルは表層から40kmから約2900kmの範囲です。地球の表層から深さ2900km以上は、中心核という鉄とニッケルを主な成分とする金属でできています。深さ2900kmから5150kmまでの部分は外核、5150kmから6360kmは内核です。内核は固体、外核は溶けた液体になっています。外核は電流を流しやすいです。そのため、電流が流れると磁界が発生し、それが地表まで届きます。

外核が磁界を発生させる理論はダイナモ理論です。特に地球のコア部分で生じている特殊な発電の仕組みは、自励ダイナモと呼ばれます。地球が自転することにより、外核の液体が内部流動を起こし大規模な磁界を発生させているのです。

磁界は必ずN極から発生し、S極に向かわなければなりません。つまり、理科の実験のような磁力線が発生しています。これにより、地球は大きな磁石であると見立てることができるのです。

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北極はS極かN極か

地球を大きな磁石と考えると、地磁気を発生させていることがわかりました。では、地球のS極とN極はどこになるのでしょうか。

地球のS極は北極点、N極は南極点です。地球は地軸に沿って自転しています。地軸は北極点と南極点を結ぶ直線です。この直線を大きな磁石と考えてみましょう。地軸に沿って地磁気が発生しています。地磁気はN極から出て、S極に向かう方向です。また、方位磁石はN極が北を向きます。N極はS極にひかれることを考えると、北極点がS極です。

そのため、地球は北極点をS極、南極点をN極とする大きな磁石と考えることができます。

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真北と磁北の違いは

U.S. Geological Survey (USGS) http://www.usgs.gov/ - http://geomag.usgs.gov/products/movies/index.php?type=declination&format=gif, パブリック・ドメイン, リンクによる

では、方位磁石のさしている北は真北なのでしょうか。磁石がさす北は磁北といい、地図における北である真北とは異なります。この磁北と真北のずれを偏角が偏角です。偏角は場所や時間で異なります。例えば、札幌では西に約9°、那覇では西に約5°です。このように、法磁石が指し示す北である磁北と地図上の北にはずれが生じています。

方位磁石は狂うのか？

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方位磁石は簡単に狂います。なぜなら、方位磁石は作成時に磁化させN極とS極の方向付けをしているためです。そのため、より強い磁石を近づけると磁性が反転してしまい、南北が逆転することがあります。

狂った方位磁石の直し方

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では、狂った方位磁石を直すことはできるのでしょうか。強力な磁石を用いれば直すことは可能です。やり方は磁石を近づけその磁石を方位磁針の上をするようにして反対側まで移動させます。こうすることで磁極を反転させることが可能です。ただし、2度3度同じことをすると狂ったり直ったりと収拾がつかなくなるのでやめましょう。

狂った方位磁石は水平にはならない

狂った方位磁石は水平にはなりません。日本付近の地磁気はN極が水平より下に向いているからです。これを伏角といい緯度によって異なります。

その理由は地磁気の磁力線の向きです。赤道付近では、地磁気の磁力線は水平に向いています。その一方で北半球では地面の中を進む向きになっているからです。そのため、方位磁石は針が斜め下を向かないようにS極を重くし水平になるようにしています。

方位磁石は地球の磁場を利用した装置

方位磁石が北を向く理由について解説していきました。方位磁石は地磁気の影響を受け、北を向いています。つまり、地球の構造を利用している装置です。このように、ミクロ的な原理のみを理解するのではなく地球レベルでの原理を理解することで、偉大な発明が可能になります。エンジニアを目指すあなたも、原理・原則を理解し新たな法則を見つけていきましょう。