磁針
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針形磁鐵，通常是狹長菱形。中間支起，可在水平方向自由轉(zhuǎn)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應(yīng)用。
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指南針
在發(fā)明指南針之前人類在茫茫大海中航行，常常會迷失方向，造成不可想象的后果,是中國人發(fā)明了指南針，使人類航行有了方向。指南針是用以判別方位的一種簡單儀器。中國古代四大發(fā)明之一。主要組成部分是一根裝在軸上可以自由轉(zhuǎn)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(fā)明是我國勞動人民，在長期的實踐中對物體磁性認(rèn)識的結(jié)果。由于生產(chǎn)勞動，人們接觸了磁鐵礦，開始了對磁性質(zhì)的了解。人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石引鐵的性質(zhì)。后來又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性。經(jīng)過多方的實驗和研究，終于發(fā)明了可以實用的指南針。
磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)
先秦時代我們的先人已經(jīng)積累了許多這方面的認(rèn)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(fā)現(xiàn)很早就被記載下來了。《管子》的數(shù)篇中最早記載了這些發(fā)現(xiàn)：“山上有磁石者，其下有金銅。”其他古籍如《山海經(jīng)》中也有類似的記載。磁石的吸鐵特性很早就被人發(fā)現(xiàn)，《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。并認(rèn)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，那么是否還可以吸引其他金屬呢？我們的先民做了許多嘗試，發(fā)現(xiàn)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(jīng)認(rèn)識到磁石只能吸引鐵，而不能吸引其他物品。
當(dāng)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。現(xiàn)在人們都知道磁體有兩個極，一個稱N極，一個稱S極。同性極相互排斥，異性極相互吸引。那時的人們并不知道這個道理，但對這個現(xiàn)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(zhì)做了兩個棋子般的東西，通過調(diào)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“斗棋”。他把這個新奇的玩意獻(xiàn)給漢武帝，并當(dāng)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(zhì)，制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(zhuǎn)動時，就會因磁體同性相斥，異性相吸的性質(zhì)指示南北。這個道理古人不夠明白，但這類現(xiàn)象他們很清楚。
指南針的始祖——司南
指南針的始祖大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國時期。它是用天然磁石制成的。樣子象一把湯勺，圓底，可以放在平滑的“地盤”上并保持平衡，且可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它靜止的時候，勺柄就會指向南方。古人稱它為“司南”，當(dāng)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》中記載了司南的應(yīng)用，鄭國人采玉時就帶了司南以確保不迷失方向。
春秋時代，人們已經(jīng)能夠?qū)⒂捕?度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具，因此也能將硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。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(jīng)過琢磨制成勺型，勺柄指南極，并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(nèi)圓，四周刻有干支四維，合成二十四向。這樣的設(shè)計是古人認(rèn)真觀察了許多自然界有關(guān)磁的現(xiàn)象，積累了大量的知識和經(jīng)驗，經(jīng)過長期的研究才完成的。司南的出現(xiàn)是人們對磁體指極性認(rèn)識的實際應(yīng)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(zhuǎn)動摩擦阻力過大，而難于旋轉(zhuǎn)，無法達(dá)到預(yù)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應(yīng)用的主要原因。
司南由青銅盤和天然磁體制成的磁勺組成，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。
指南針的發(fā)明
古代民間常用薄鐵葉剪裁成魚形，魚的腹部略下凹，像一只小船，磁化后浮在水面，就能指南北。當(dāng)時以此做為一種游戲。東晉的崔豹在《古今注》中曾提到這種“指南魚”。
北宋時，曾公亮在《武經(jīng)總要》載有制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(shù)分則止，以密器收之。用時，置水碗于無風(fēng)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(nèi)部分子處于比較活動的狀態(tài)，使鐵分子順著地球磁場方向排列，達(dá)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。人工磁化方法的發(fā)明，對指南針的應(yīng)用和發(fā)展起了巨大的作用。在磁學(xué)和地磁學(xué)的發(fā)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(dāng)時的技術(shù)人員用磁石去摩擦縫衣針，就能使針帶上磁性。從現(xiàn)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(nèi)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(fā)明不但世界最早，而且為有實用價值的磁指向器的出現(xiàn)，創(chuàng)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(chǎn)生的各種現(xiàn)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(yīng)有異，未深考耳。”這是說，用磁石去摩擦縫衣針后，針鋒有時指南，也有時指北。從現(xiàn)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，則磁化后的指向也就不同。但沈括并不知道這個道理，他真實的記錄了這個現(xiàn)象并坦白承認(rèn)自己沒有做深入思考。以期望后人能進(jìn)一步探討。
關(guān)于磁針的裝置方法
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(zhuǎn)，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(zhuǎn)自如，指示方向。
4.縷懸法——在磁針中部涂一些蠟，粘一根蠶絲，掛在沒有風(fēng)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(jié)果。碗唇旋定法和指甲旋定法，由于摩擦力小，轉(zhuǎn)動很靈活，但容易掉落。沈括比較推重的是縷懸法，他認(rèn)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(jīng)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(guān)我國古代科學(xué)技術(shù)的著作，書中談到磁學(xué)和指南針的一些問題。
南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類指南魚和指南龜?shù)闹谱鞣椒ā＿@種指南魚與《武經(jīng)總要》一書記載的不一樣，是用木頭刻成魚形，有手指那么大，木魚腹中置入一塊天然磁鐵，磁鐵的S極指向魚頭，用蠟封好后，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(dāng)時流行的一種新裝置，將一塊天然磁石放置在木刻龜?shù)母箖?nèi)，在木龜腹下方挖一光滑的小孔，對準(zhǔn)并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(zhuǎn)的支點上了。由于支點處摩擦力很小，木龜可以自由轉(zhuǎn)動指南。當(dāng)時它并沒有用于航海指向，而用于幻術(shù)。但是這就是后來出現(xiàn)的旱羅盤的先聲。
指南龜發(fā)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。
羅盤定位
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(xiàn)了磁針和方位盤一體的羅盤。羅盤有堪輿用的羅經(jīng)盤和水羅盤、旱羅盤。
方位盤仍是二十四向，但是盤式已經(jīng)由方形演變成圓形。這樣一來只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(guān)這方面的文獻(xiàn)：“地螺或有子午正針，或用子午丙壬間縫針。”這是有關(guān)羅經(jīng)盤最早的文獻(xiàn)記載。文獻(xiàn)中所說的“地螺”，就是地羅，也就是羅經(jīng)盤。文獻(xiàn)中已經(jīng)把磁偏角的知識應(yīng)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(nèi)中盛水，磁針橫穿燈草，浮于水面。
現(xiàn)在人們已經(jīng)知道，地球的兩個磁極和地理的南北極只是接近，并不重合。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，和水平方向有一個夾角，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(jīng)總要》在談到用地磁法制造指南針時，就注意利用了磁傾角。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(fā)現(xiàn)使指南針的指向更加準(zhǔn)確。
磁性質(zhì)的應(yīng)用
指南針一經(jīng)發(fā)明很快就被應(yīng)用到軍事、生產(chǎn)、日常生活、地形測量等方面，特別是航海上。指南針在航海上的應(yīng)用有一個逐漸發(fā)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(dāng)時只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。二十幾年后，許兢的《宣和奉使高麗圖經(jīng)》也有類似的記載：“惟視星斗前邁，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(dǎo)航了。而且還編制出使用羅盤導(dǎo)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，采用何針位方向，一路航線都一一標(biāo)識明白，作為航行的依據(jù)。
指南針的發(fā)明是古代先民對磁現(xiàn)象的觀察和研究的結(jié)果。古代先民對磁現(xiàn)象的觀察和研究的過程中，進(jìn)一步了解了磁的性質(zhì)，并試圖更多地應(yīng)用這些性質(zhì)。傳說秦始皇修建阿房宮時，有一宮門是用磁鐵制造的。如果刺客帶劍而過，立刻會被吸住，被衛(wèi)兵當(dāng)場捕獲。這樣的故事還很多，《晉書.馬隆傳》記載馬隆率兵西進(jìn)甘、陜一帶，在敵人必經(jīng)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，磁石對他們沒有什么作用，可自由行動。敵人以為神兵，不戰(zhàn)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(jīng)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(zhì)已有了很多認(rèn)識。就連當(dāng)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(zhì)。南北朝梁代的陶弘景在《名醫(yī)別錄》中提出了磁力測量的方法，他指出：優(yōu)良磁石出產(chǎn)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(guān)磁力測量的最早記載。
我國先民對磁石的性質(zhì)的研究和認(rèn)識是指南針發(fā)明和發(fā)展的基礎(chǔ)。
中國在北宋時期就發(fā)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(jīng)過磁化的鋼針，穿過幾根燈草，放在一個乘滿水的碗里，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(jīng)在我們之前就學(xué)會了利用地球磁場來辨別方向。
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