，把它懸空起來可以向四周隨意活動，它的正極總是指向有負極的北方，而負極總是指向有正極的南方。這是絕對不會變的，這種效能就叫指極性。司南正是根據這種指極性創造出來的。司南的樣子，據學者研究，大致象一把湯勺，頭有一根長柄，略略翹起；另一頭則是光滑的圓底。這是用整塊的磁鐵琢磨而成的。與此同時，還要做一個光滑的底盤，底盤是用鋼做的（也有用木頭做的，但一定要塗上漆以使它光滑），盤的四周刻著分別方向的二十四位和符號。司南就放在底盤中間，輕輕地轉動一下勺柄，靜止時柄的方向必然指向南方。據說，那時有人到山中去採玉，怕迷失路途，就隨身帶有司南，以辨方向。司南是中國也是世界上最早的“指南針”。
除了司南以外，古時還有一種指南車，同樣起著指示方向的作用。指南車的發明，據說是在遠古時代。那時，我國南方的九黎部落與中部地區的黃帝部落為爭奪地盤打起來了。打仗時，九黎部落領袖蚩尤作彌天大霧，黃帝部落首領黃帝便造出一種車子來辨別方向，這車子就叫“指南車”。
磁鐵是做指南儀器最理想的材料。不過缺點也很多，如容易碎，在強烈震動下還會失去磁性，而且加工量也較大。大約在北宋後期（公元十一世紀），人們發現把鋼鐵在磁鐵上磨過以後也能帶上磁性，而且磁性還比較穩固。人們根據這個發現，開始製造人工磁鐵。有了人工磁鐵，指南儀器便有了一個大的改進。北宋的曾公亮和丁度編著的一部《武經總要》中說：行軍時讓老馬在前面帶路，或者用指南車、指南魚辨明方向。這裡說的“指南魚”，就是用人工磁鐵的鐵片剪成的，形狀象一條魚，浮在水面，靜止時，魚頭總是指向南方。另外，指南魚也有用木頭做的。先用木頭刻成魚狀，肚子挖空，裝上磁鐵，用蠟把肚口封好，再用一根針插進魚口，針頭露在外面，放在水中，不管怎樣撥動，針也總是指向南方的。
除了指南魚，還有指南龜，做法與木頭做的指南魚相近，只是把針插在尾部，又在龜腹挖一個小洞，頂在一根釘子上，可以轉動，一停下來，同樣會直指南方。
指南魚和指南龜使用和攜帶都方便，所以行軍、作戰、航海，以及陰雨天或黑夜，帶上它可以用來辨別方向。不過，這兩種東西當時都是玩具，並非是人們有意作為指南儀器用的。
在指南魚的啟示下，人們經過反覆研究、實踐、改進，又用人工磁鐵做成薄薄的針，這種針就是我們常說的指南針了。指南針的用法，根據北宋大科學家沈括的試驗，在他著的《夢溪筆談》一書中作了詳細的說明。他說，指南針一共有四種：一是用燈草串在針上，使針浮於水面，這樣針尖就會指示方向。這叫水浮法。不過，水面常會動盪，用起來不大準確。二是把針放在指甲上。這叫指甲旋定法。三是把針放在碗邊上。這叫碗唇旋定法。指甲旋定法和碗唇旋定法同樣能起指南的作用。不過指甲和碗唇都是光滑的，針在轉動時，容易滑下來，也有不便。四是用一些蠟塗在針的中部，粘上一根絲線，把針懸空起來，針尖也會指向南方。這叫縷旋法，或懸掛法、縷懸法。這第四種方法，與前三種方法比較，既不怕震動，也不會滑落，所以是最好的。
沈括還發現，針所指示的方向並不是正南的，要略為偏東一些。這是因為地球上的磁極不是正好在南北兩極，而是略為偏東的緣故。這叫“磁偏角”。據說十五世紀末哥侖布遠渡大西洋時，對“磁偏角”也有所察覺，但這時已經離宋代有四百多年之久了。可見，宋代磁學研究的水平是相當高的。
有了指南針，人們就不怕迷失方向了，尤其是給航海帶來極大的便利。據1119年北宋朱彧寫的《萍洲可談》一書中記載：當時海船上的水手在船隻出航期間，白天看太陽，夜晚看星星，遇到陰雨天就使用指南針。1123年，北宋的徐競出使朝鮮，也講到在船上使用指南針的事。北宋以後，人們又對指南針有所改進，開始使用羅盤。羅盤可以用銅做，也可以用木頭做。盤的四周刻有方位，針在盤的中央，與盤連成一體。使用時，只要把針對準盤上的正南方位，不論船朝哪個方向行駛，針都是對著南方的。
羅盤的使用，大大促進了航海事業的發展，宋朝時候，我國廣州、泉州、寧波、杭州等地，都成為當時貿易的大商埠，吸引了許多外國商人到中國來經商。不僅經濟得到了發展，文化交流也頻繁起來了。這樣，指南針也就十分自然地透過外國商人之手傳到國外。十二世紀，波斯（伊朗）和阿拉伯等國首先學習使用。十二世紀末、十三世紀初又透過阿拉伯人把指南針的應用技術傳