磁針

磁針

針形磁鐵,通常是狹長菱形。中間支起,可在水準方向自由轉動,受地磁作用,靜止時兩個尖端分別指著南和北。指南針和羅盤是磁針的套用。

  • 中文名稱
    磁針
  • 又    名
    指南針
  • 樣    子
    通常是狹長菱形,中間支起
  • 註    音
    cí zhēn

指南針

發明簡述

在發明指南針之前人類在茫茫大海中航行,常常會迷失方向,造成不可想象的後果,是中國人發明了指南針,使人類航行有了方向。中國古代四大發明之一。主要組成部分是一根裝在軸上可以自由轉動的磁針。磁針在地磁場作用下能保持在磁子午線的切線方向上。磁針的北極指向地理的北極(地磁的南極),利用這一性能可以辨別方向。常用于航海、大地測量、旅行及軍事等方面。

指南針的發明是我國勞動人民,在長期的實踐中對物體磁性認識的結果。由于生產勞動,人們接觸了磁鐵礦,開始了對磁性質的了解。人們首先發現了磁石引鐵的性質。後來又發現了磁石的指向性。經過多方的實驗和研究,終于發明了可以實用的指南針。

"指南魚"

古代民間常用薄鐵葉剪裁成魚形,魚的腹部略下凹,像一隻小船,磁化後浮在水面,就能指南北。當時以此做為一種遊戲。東晉的崔豹在《古今註》中曾提到這種"指南魚"。

北宋時,曾公亮在《武經總要》載有製作和使用指南魚的的方法:"用薄鐵葉剪裁,長二寸,闊五分,首尾銳如魚型,置炭火中燒之,侯通赤,以鐵鈐鈐魚首出火,以尾正對子位,蘸水盆中,沒尾數分則止,以密器收之。用時,置水碗于無風處平放,魚在水面,令浮,其首常向午也。"這是一種人工磁化的方法,它利用地球磁場使鐵片磁化。即把燒紅的鐵片放置在子午線的方向上。燒紅的鐵片內部分子處于比較活動的狀態,使鐵分子順著地球磁場方向排列,達到磁化的目的。蘸入水中,可把這種排列較快地固定下來,而魚尾略向下傾斜可增大磁化程度。

人工磁化

人工磁化方法的發明,對指南針的套用和發展起了巨大的作用。在磁學和地磁學的發展史上也是一件大事。

北宋的沈括在《夢溪筆談》中提到另一種人工磁化的方法:"方家以磁石摩針鋒,則能指南。"按沈括的說法,當時的技術人員用磁石去摩擦縫衣針,就能使針帶上磁性。從現.在的觀點來看,這是一種利用天然磁石的磁場作用,使鋼針內部磁疇的排列趨于某一方向,從而使鋼針顯示出磁性的方法。這種方法比地磁法簡單,而且磁化效果比地磁法好,摩擦法的發明不但世界最早,而且為有實用價值的磁指向器的出現,創造了條件。

沈括還在《夢溪筆談》的補筆談中談到了摩擦法磁化時產生的各種現象:"以磁石摩針鋒,則銳處常指南,亦有指北者,恐石性亦不……,南北相反,理應有異,未深考耳。"這是說,用磁石去摩擦縫衣針後,針鋒有時指南,也有時指北。從現.在的觀點來看,磁石都有N和S兩個極,磁化時縫衣針針鋒的方位不同,則磁化後的指向也就不同。但沈括並不知道這個道理,他真實的記錄了這個現象並坦白承認自己沒有做深入思考。以期望後人能進一步探討。

始祖-司南

戰國時期

指南針的始祖大約出現在戰國時期。它是用天然磁石製成的。樣子象一把湯勺,圓底,可以放在平滑的"地盤"上並保持平衡,且可以自由旋轉。當它靜止的時候,勺柄就會指向南方。古人稱它為"司南",當時的著作《韓非子》中就有:"先王立司南以端朝夕。""端朝夕"就是正四方、定方位的意思。《鬼谷子》中記載了司南的套用,鄭國人採玉時就帶了司南以確保不迷失方向。

春秋時代

春秋時代,人們已經能夠將硬度5度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具,因此也能將硬度隻有5.5度至6.5度的天然磁石製成司南。東漢時的王充在他的著作《論衡》中對司南的形狀和用法做了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經過琢磨製成勺型,勺柄指南極,並使整個勺的重心恰好落到勺底的正中,勺置于光滑的地盤之中,地盤外方內圓,四周刻有幹支四維,合成二十四向。這樣的設計是古人認真觀察了許多自然界有關磁的現象,積累了大量的知識和經驗,經過長期的研究才完成的。司南的出現是人們對磁體指極性認識的實際套用。 但司南也有許多缺陷,天然磁體不易找到,在加工時容易因打擊、受熱而失磁。所以司南的磁性比較弱,而且它與地盤接觸處要非常光滑,否則會因轉動摩擦阻力過大,而難于旋轉,無法達到預期的指南效果。而且司南有一定的體積和重量,攜帶很不方便,這可能是司南長期未得到廣泛套用的主要原因。

司南由青銅盤和天然磁體製成的磁勺組成,青銅盤上刻有二十四向,置磁勺于盤中心圓面上,靜止時,勺尾指向為南。

羅盤定位

方位盤

要確定方向除了指南針之外,還需要有方位盤相配合。最初使用指南針時,可能沒有固定的方位盤,隨著測方位的需要,出現了磁針和方位盤一體的羅盤。羅盤有堪輿用的羅經盤和水羅盤、旱羅盤。'

方位盤仍是二十四向,但是盤式已經由方形演變成圓形。這樣一來隻要看一看磁針在方位盤上的位置,就能斷定出方位來。南宋時,曾三異在《因話錄》中記載了有關這方面的文獻:"地螺或有子午正針,或用子午丙壬間縫針。"這是有關羅經盤最早的文獻記載。文獻中所說的"地螺",就是地羅,也就是羅經盤。文獻中已經把磁偏角的知識套用到羅盤上。這種羅盤不僅有子午針(確定地磁場南北極方向的磁針),還有子午丙壬間縫針(用日影確定的地理南北極方向)這兩個方向之間的夾角,就是磁偏角。

盤面周圍刻二十四方位,內中盛水,磁針橫穿燈草,浮于水面。

磁傾角

人們已經知道,地球的兩個磁極和地理的南北極隻是接近,並不重合。磁針指向的是地球磁極而不是地理的南北極,這樣磁針指的就不是正南、正北方向而略有偏差,這個角度就叫磁偏角。又因為地球近似球形,所以磁針指向磁極時必向下傾斜,和水準方向有一個夾角,這個夾角稱為磁傾角。不同地點的磁偏角和磁傾角都不相同。成書于北宋的《武經總要》在談到用地磁法製造指南針時,就註意利用了磁傾角。沈括在《夢溪筆談》談到指南針不全指南,常微偏東。指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁傾角的發現使指南針的指向更加準確。

磁現象

發現過程

先秦時代我們的先人已經積累了許多這方面的認識,在探尋鐵礦時常會遇到磁鐵礦,即磁石(主要成分是四氧化三鐵)。這些發現很早就被記載下來了。《管子》的數篇中最早記載了這些發現:"山上有磁石者,其下有金銅。"其他古籍如《山海經》中也有類似的記載。磁石的吸鐵特徵很早就被人發現,《呂氏春秋》九卷精通篇就有:"慈招鐵,或引之也。"那時的人稱"磁"為"慈"他們把磁石吸引鐵看作慈母對子女的吸引。並認為:"石是鐵的母親,但石有慈和不慈兩種,慈愛的石頭能吸引他的子女,不慈的石頭就不能吸引了。"

漢以前人們把磁石寫做"慈石",是慈愛石頭的意思。

既然磁石能吸引鐵,那麽是否還可以吸引其他金屬呢?我們的先民做了許多嘗試,發現磁石不僅不能吸引金、銀、銅等金屬,也不能吸引磚瓦之類的物品。西漢的時候人們已經認識到磁石隻能吸引鐵,而不能吸引其他物品。

當把兩塊磁鐵放在一起相互靠近時,有時候互相吸引,有時候相互排斥。磁體有兩個極,一個稱N極,一個稱S極。同性極相互排斥,異性極相互吸引。但那時的人們並不知道這個道理,但對這個現象還是能夠察覺到的。

到了西漢,有一個名叫欒大的方士,他利用磁石的這個性質做了兩個棋子般的東西,通過調整兩個棋子極性的相互位置,有時兩個棋子相互吸引,有時相互排斥。欒大稱其為"鬥棋"。他把這個新奇的玩意獻給漢武帝,並當場演示。漢武帝驚奇不已,龍心大悅,竟封欒大為"五利將軍"。欒大利用磁石的性質,製作了新奇的玩意蒙騙了漢武帝。

地球也是一個大磁體,它的兩個極分別在接近地理南極和地理北極的地方。因此地球表面的磁體,可以自由轉動時,就會因磁體同性相斥,異性相吸的性質指示南北。這個道理古人不夠明白,但這類現象他們很清楚。

磁性質的套用

指南針一經發明很快就被套用到軍事、生產、日常生活、地形測量等方面,特別是航海上。指南針在航海上的套用有一個逐漸發展過程。成書年代略晚于《夢溪筆談》的《萍洲可談》中記有:"舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦則觀指南針。"這是世界航海史上最早使用指南針的記載。文中指出,當時隻在日月星辰見不到的時候才使用指南針,可見指南針剛開始使用時,使用還不熟練。二十幾年後,許兢的《宣和奉使高麗圖經》也有類似的記載:"惟視星鬥前邁,若晦冥則用指南浮針,以揆南北。"到了元代,指南針一躍而成海上指航的最重要的儀器了。不論晝夜晴陰都用指南針導航了。而且還編製出使用羅盤導航,在不同航行地點指南針針位的連線圖,叫做"針路"。船行到某處,採用何針位方向,一路航線都一一標識明白,作為航行的依據。

指南針的發明是古代先民對磁現象的觀察和研究的結果。古代先民對磁現象的觀察和研究的過程中,進一步了解了磁的性質,並嘗試更多地套用這些性質。傳說秦始皇修建阿房宮時,有一宮門是用磁鐵製造的。如果刺客帶劍而過,立刻會被吸住,被衛兵當場捕獲。這樣的故事還很多,《晉書.馬隆傳》記載馬隆率兵西進甘、陝一帶,在敵人必經的狹窄道路兩旁,堆放磁石。穿著鐵甲的敵兵路過時,被牢牢吸住,不能動彈了。馬隆的士兵穿犀甲,磁石對他們沒有什麽作用,可自由行動。敵人以為神兵,不戰而退。東漢的《異物志》記載了在南海諸島周圍有一些暗礁淺灘含有磁石,磁石經常把"以鐵葉錮之"的船吸住,使其難以脫身。

魏晉南北朝時,我國先民對磁石的性質已有了很多認識。就連當時的詩人曹植在矯志詩中也用了"磁石引鐵,于金不連。"的句子。可見他也了解磁石的性質。南北朝梁代的陶弘景在《名醫別錄》中提出了磁力測量的方法,他指出:優良磁石出產在南方,磁性很強,能吸引三、四根鐵針,使幾根針首尾相連掛在磁石上。磁性更強的磁石,能吸引十多根鐵針,甚至能吸住一、二斤刀器。陶弘景不僅提出了磁性有強弱之分,而且指出了測量方法。這可能是世界上有關磁力測量的最早記載。

我國先民對磁石的性質的研究和認識是指南針發明和發展的基礎。

中國在北宋時期就發明了人工磁化的兩種方法:一種是沈括所說的用天然磁石摩擦鋼針的方法,另一種是利用地球磁場的作用使鋼鐵磁化。

人們把經過磁化的鋼針,穿過幾根燈草,放在一個乘滿水的碗裏,它就能浮在水上為航船指明方向,這就是世界上最早用來指示方向的儀器--指南針。而許多動物已經在我們之前就學會了利用地球磁場來辨別方向。

人工磁化

磁針的裝置

沈括方法

沈括介紹了四種方法:

1.水浮法--將磁針上穿幾根燈心草浮在水面,就可以指示方向。

2.碗唇旋定法--將磁針擱在碗口邊緣,磁針可以旋轉,指示方向。

3.指甲旋定法--把磁針擱在手指甲上面由于指甲面光滑,磁針可以旋轉自如,指示方向。

4.縷懸法--在磁針中部塗一些蠟,粘一根蠶絲,掛在沒有風的地方,就可以指示方向了。

沈括還對四種方法做了比較,他指出,水浮法的最大缺點,水面容易晃動影響測量結果。碗唇旋定法和指甲旋定法,由于摩擦力小,轉動很靈活,但容易掉落。沈括比較推重的是縷懸法,他認為這是比較理想而又切實可行的方法。事實上沈括指出的四種方法已經歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系--水針和旱針。

《夢溪筆談》是沈括(1031-1095年)所著的有關我國古代科學技術的著作,書中談到磁學和指南針的一些問題。

製作方法

【指南魚和指南龜】

南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類指南魚和指南龜的製作方法。這種指南魚與《武經總要》一書記載的不一樣,是用木頭刻成魚形,有手指那麽大,木魚腹中置入一塊天然磁鐵,磁鐵的S極指向魚頭,用蠟封好後,從魚口插入一根針,就成為指南魚。將其浮于水面,魚頭指南,這也是水針的一類。

指南龜是當時流行的一種新裝置,將一塊天然磁石放置在木刻龜的腹內,在木龜腹下方挖一光滑的小孔,對準並放置在直立于木板上的頂端尖滑的竹釘上,這樣木龜就被放置在一個固定的、可以自由旋轉的支點上了。由于支點處摩擦力很小,木龜可以自由轉動指南。當時它並沒有用于航海指向,而用于幻術。但是這就是後來出現的旱羅盤的先聲。

指南龜發明年代不晚于1325年。木塊刻成龜型,龜腹部中心嵌以磁體,木龜安放在尖狀立拄上,靜止時首尾分指南北。

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