磁石的奧秘與指南針的發(fā)明

賈彤宇

【去科技館學科學】

磁石對每個人來說并不陌生，我們都知道有一種吸鐵石可以魔術般地吸起小塊的鐵片和鐵針。生活中的方方面面都離不開磁石的應用，指南針的發(fā)明就與磁石有著密切的關系。《義務教育小學科學課程標準》中將“觀察實驗和探索了解磁鐵的基本性質”“了解指南針是中國古代四大發(fā)明之一”作為重要學習內容。

我們的祖先很早就懂得了識別方向的重要性，每天看到太陽總是有規(guī)律地從東方升起，在西方落下，所以開始用太陽作為辨別方向的依據;在繁星滿天的夜晚，就用北極星指引方向?？墒钱旊x開熟悉的環(huán)境，或者遇到陰雨天氣，遇到沒有星光閃爍的夜晚，如果想分清東南西北，那就十分困難了，這個問題在很長的時間里困擾著古人們，于是人們試圖尋找出一種定位辨向的儀器，從此開始了漫長而艱苦的探索和創(chuàng)造的征程。那么我國古代的先人們是什么時候發(fā)現磁石的奧秘，又是如何利用磁石的性質發(fā)明了指南針的呢？來中國科技館“華夏之光”展廳里了解指南針發(fā)明的歷程吧！

磁石的性質

早在2000多年前的春秋時期，我國古代人民就掌握了煉鐵技術，開始冶煉金屬，制造工具。人們在尋找鐵礦的時候發(fā)現了一種神奇的礦石，這種礦石的引人注目之處在于它能夠吸鐵，經常是在一塊石頭上吸附著很多小的鐵屑，最初人們無法正確解釋這一現象，于是就用母子情作比喻，認為礦石是鐵的母親，慈祥的母親在吸引自己的孩子。

相傳在古代的時候，人們用磁石做成棋子，《史記·封禪書》中記載了這么一個故事西漢時有個名叫欒大的方士，制作了一種斗棋，當把2個方形的棋子擺在一起，能夠“相拒不休”，不斷排斥，換個擺法，又相互吸引，把這種棋子一起放到棋盤上，又會互相碰擊、乒乓作響、自動地打斗起來，欒大將棋獻給了漢武帝，漢武帝看了非常驚喜，封他為“五利將軍”。其實欒大的棋子是用磁石做的，磁石有N極和S極，同性磁極相斥，異性磁極相吸，棋子一多，有的相吸，有的相斥，因而就會發(fā)生互相碰擊。

我國古代人民發(fā)現了磁石具有南北方向的指向性，逐漸了解到長條磁棒有指向南北方向的特征。原因是地球本身就是一個大磁石，也有磁性和磁極，磁極為地球南北的2個端點，就是南極和北極。由于磁石有異極相吸和同極相斥的特性，所以磁石的磁南極就與地球的磁北極相互吸引，因此總是指向南方。

磁偏角的發(fā)現與4種磁針指南法

北宋時期的科學家沈括寫了一本《夢溪筆談》，書中記載了“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也”。說明在北宋就已經發(fā)現了地磁場的南北極與地理上的南北極是接近的，但并不重合，它們之間存在夾角，這個夾角被稱為地磁偏角。沈括的記載比哥倫布發(fā)現磁偏角早了400多年。

沈括在《夢溪筆談》一書中還記載了4種磁針的安置方法，首先以“磁石磨針鋒”，實現人工傳磁，制作磁性鋼針，然后介紹了安置磁針的4個實驗。第1種為水浮法，將磁針橫穿于燈芯草，放入盛水的碗中，借助水的浮力，使磁針漂浮于水面，用以指示方向。第2種為碗唇法，將磁針置于碗沿上。第3種為指甲法，把磁針架在指甲上。第2、第3種方法的優(yōu)點是磁針轉動比較靈活，缺點是重心難以掌握，磁針容易墜落。第4種為縷懸法，用新蠶繭的單絲作懸線，以芥子大小的蠟珠黏合，將其懸掛于無風處，可以穩(wěn)定地指示方向，此法在4種磁針安置方法中效果最好?！叭A夏之光”展廳中就放置了一個縷懸法指南模型。

指南魚

北宋時期，曾公亮在《武經總要前集》中記載了指南魚的制作及人工充磁方法，其中指南魚的制作方法分為4個步驟：將薄鐵片剪成長2寸、寬5分，首尾尖銳的魚形，魚腹部略下凹;放入火中燒至通紅;將燒制好的魚鐵片取出后蘸水冷卻，放入水中時使魚尾指向正北方向，并稍向下傾斜;取出后，魚形鐵片即被磁化，具有指向性。使用時將水盆置于無風處，再將魚形鐵片平放入水盆中，則魚頭指向南方。

磁鐵的磁性是由內部磁疇的規(guī)則排列產生的，非磁鐵的磁疇排序則是雜亂無章的，因而不具有磁性。魚尾朝地理北極磁化，則魚尾具有南極磁性，魚首具有北極磁性。魚形鐵片燒紅之后，內部磁疇活動加劇，沿著南北方向放置，在強大的地磁場作用下，磁疇順著地磁場的作用規(guī)則排列，然后將其放入水中經過急劇冷卻，使磁疇的規(guī)則排列迅速固定，按照同性相斥、異性相吸的原理，魚首就指向南方。指南魚不用時，放置在一個鐵制的密閉盒子中，形成閉合磁路，以免磁性消失，或放一塊天然磁石在旁邊，以加強磁性，使用時放在碗中的水面上便可以指出南北方向。

指南龜

南宋陳元靚在《事林廣記》中記載了當時流行的一種指南龜。指南龜由木頭雕刻而成，將l塊磁石藏于它的腹中，在它的肚子下面挖1個光滑小孔，將小孔支撐在一固定的竹釘上，使木龜可以自由旋轉。撥動木龜，待靜止后，指示南北方向。它是世界上第1具支撐式指南工具。

指南龜的原理和指南魚相同，不同的是指南龜的裝置方法，它有了一個固定的支撐方式，由于支點處摩擦力很小，木龜就可以自由地轉動指示方向，這就是后來出現的旱羅盤的雛形。

指南龜發(fā)明的年代不晚于1325年，根據記載，指南龜應是懂得方術的方士創(chuàng)造的，只是用來變戲法，并未用于航海導向。

元代針碗

1958年在遼寧旅順的一座元代墓葬中出土了一批針碗，碗底部寫有“針”字。這些碗的共同特點是碗內有一個類似草書的“王”字，三橫粗大代表燈芯草，中間細豎代表磁針。使用時往碗內注上水，將插有燈芯草的磁針置于水面，浮針與碗內“王”字圖形相對照以確定方向， “王”字在一定程度上起著方位盤的作用。

在船上使用時，針碗的水面上飄著浮針，“王”字有助于指示方向。首先將“王”字形的細劃線對準船身中心線，當船轉彎變換方向時，磁針和細線就會形成夾角，從而顯示航向變換的角度。當浮針與細劃線呈十字交叉時，細劃線指的方向就是東西方位，這樣就很容易確定東西南北4個方向了。

羅盤

羅盤有水羅盤和旱羅盤，水羅盤在凹槽內注水以放置磁針，中間盛水放針部位稱天池，盤面周圍刻有24個字表示24個方位，子為正北，午為正南，卯為正東，酉為正西，乾、巽、艮、坤則分別表示西北、東南、北東、西南4個方位，每兩個字相差15。。磁針不用時，需與磁石放在一起充磁。水羅盤問世后，很快便用于航海。

旱羅盤上刻度精細，標明方位和八卦，磁針采用中軸式支撐，使磁針不再在水面上飄蕩，磁針轉動起來就更加自由，指向也更加精確。

指南針一經發(fā)明，就好似輪船長了眼睛，成為海上導航最重要的儀器。12世紀末13世紀初，指南針由海路傳人阿拉伯，經由阿拉伯傳入歐洲，為哥倫布發(fā)現美洲大陸和麥哲倫的環(huán)球航行奠定了基礎，對中國乃至全世界都產生了巨大的影響，引起了航海技術的重大革新，從此改變了世界的面貌。