中国古代磁学领域的创新性研究Word文件下载.docx
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引言：
中国古代积累的磁学知识极为丰富，在磁现象的发现和应用方面，都处在世界的前列。
远在春秋战国时期，古人从事冶铁、寻找矿石的过程中很容易发现磁石。
在世界文明古国中，只有中国和希腊大致同时发现了磁石吸铁现象，中国还发现了磁石的指极性，并利用这一性质发明和创造出指南针的只有中国。
中国最早发现了地磁偏角、地磁倾角和磁石的极性。
1对磁性的归类研究
对于磁石吸铁的性质，在史书有很多精彩的故事，三国吴时万震《南州异物志》曾记载过这样一件事：
“涨海峡头水浅而多磁石，外徼人乘舳，皆以铁铘铘之，至此关以磁石不得过。
”
“涨海”即今西沙、中沙群岛和越南岘港以动海面，此地有磁石岛，凡是有铁的船都不能通过。
这类故事在中国古代有很多记载，也许是这故事颇具吸引力，以至流传千余载。
人们还把这个原理应用到战争、建筑等很多方面。
据记载晋朝大将马隆在泰始年间与羌戎战于西北地，马隆以磁石累交道，阻滞羌人进军。
《晋书。
马隆传》写道：
“初，凉州刺史杨欣失羌戎之和，隆陈其必败，饿而欣为虏所没，河西断绝，帝每有西顾之忧……隆于是西渡温水.虏树机能等以众万计,或乘险以遏隆前,或设伏以截隆后.隆依八阵图作偏箱车,地广则鹿角丰富,路狭则为木屋施于车上,且站且前,弓矢所及,应弦而倒.奇谋间发，或出其不意。
或夹道累磁石，贼负铁铠，行不得前，隆卒悉被犀甲无所留碍，贼以为神。
还有秦始皇为了防避刺客暗杀，用磁石建造阿房宫大门，使有身怀刀剑者不能入。
这些实例都是将磁石吸铁这一简单的道理创造性的应用到生活之中，确实值得后人称道。
在古代有很多离奇古怪的幻术，其中一些是有科学根据的或其本身就是科学知识的应用，只是鉴于当时的科学文化水平，它尚未被人们理解或事实真相被幻术表演者所隐瞒。
宋朝陈元靓《事林广记》的神仙幻术中有多则记载，该书写道：
“实草雕狗子，以胶水并盐醋调针末，搽向狗子上，以好磁石着水内，引之即随手走来也”这则幻术被其称之为“唤狗子走”，这个描写中“实草雕狗子”是指大概的雕刻一只木狗。
“针末”是指磨锉铁针的铁尖时在钢锉上留下的铁粉，很多具有磁性。
铁粉以胶水盐醋粘于木狗身上，当磁铁吸引它时木狗就会走动。
这个幻术实际上就是先制造一狗形铁模，然后用磁石吸铁的性能吸引它。
该书还有一个幻术记载被称为“葫芦相打”，三个葫芦,开阔口每个内装有木屑。
木屑与胶水调和置葫芦内,等干燥后就成为木质。
分别在此三个葫芦内再盛放铁沙,磁石和水银。
当内装铁沙和磁石的两个葫芦，放水面或光滑地板上，因磁铁吸引性质，当它们相近时则相靠拢，紧贴在一起。
当盛水银的葫芦插入它们中心时原来相互吸引的两个葫芦就分开了。
这是因为水银是抗磁体，当它置于磁场时，由它所产生的附加磁场与外磁场方向相反，从而使有所减弱。
这样分别装铁沙与磁铁的连个葫芦就自然不相交。
这也是继汉代《淮南子》记述磁不吸引铜以来，人们发现的又一种抗磁性物质。
在现在人们看来，这些只是非常简单的磁游戏，但从当时的文化水平来看，很多人们还不了解它的道理，而幻术表演者能将它演变成游戏来供人们娱乐，这就是一个小发明，是知识的创新。
磁石的作用可以在相隔一段空间距离内发生。
今天我们称它为超距作用，晋代郑思远在《真元妙道要略》中较早的将这现象称之为“磁石吸铁，隔阔潜应”。
“隔阔”是指有一定的空间距离；
“潜应”指磁铁的感应作用，它是不受认为干扰而潜在的力量。
这种现象显然在磁铁吸引实验中是随时随地可见的。
古代人在发现磁感应作用可以“隔碍潜通”的同时，又发现铁可以隔断铁的感应作用。
后者也就是所谓的磁屏蔽。
清代刘献廷在《广阳杂记》中写道：
“磁石吸铁，隔碍潜通。
或问余曰：
‘磁石吸铁，何物可以蔽之？
’犹子阿孺曰：
‘惟铁可以隔之耳’，其人去而复来曰：
‘试之果然’。
余曰：
“此何必试，自然之理也。
”我们知道，将铁放进带有厚壳的封闭铁罩内，其外的磁铁就不能吸引它。
1786年，法国科学家库仑报道了导体对它内部的屏蔽作用。
在古代，中国人曾以磁石做棋子，其棋子是如何制成的呢？
唐代司马贞《史记索引》中写道：
“取鸡血，杂磨针铁绀，和磁石头，置局上，即自相抵击也。
”即用鸡血与捣碎的磨针铁相拌和成磁石。
“涂头”是指鸡血未全冷却，凝固之前，将这种“鸡血磁”涂于棋子两端。
待晒干后，“置局上”就是将棋子放入棋局中。
由于各个棋子均具有磁极性，异性极相遇，则两棋子吸引。
这样做成的小棋子，可以说是古代人发明的人造小磁体。
宋代，这种人造磁体的技术有所发展，人们将磁性铁屑以胶水粘和在瓢中，从而使浮于水上的各个瓢在相距一二尺左右而彼此触击、跳跃。
这也就是个人造磁瓢。
北宋时，曾公亮在《武经总要》载有制作和使用指南鱼的方法：
“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，侯通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。
用时，置水碗于无风处平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也。
”这是一种人工磁化的方法，它利用地球磁场使铁片磁化。
即把烧红的铁片放置在子午线的方向上。
烧红的铁片内部分子处于比较活动的状态，使铁分子顺着地球磁场方向排列，达到磁化的目的。
蘸入水中，可把这种排列较快地固定下来，而鱼尾略向下倾斜可增大磁化程度。
人工磁化方法的发明，对指南针的应用和发展起了巨大的作用。
在磁学和地磁学的发展史上也是一件大事。
北宋的沈括在《梦溪笔谈》中提到另一种人工磁化的方法：
“方家以磁石摩针锋，则能指南。
”按沈括的
说法，当时的技术人员用磁石去摩擦缝衣针，就能使针带上磁性。
从现在的观点来看，这是一种利用天然磁石的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列趋于某一方向，从而使钢针显示出磁性的方法。
这种方法比地磁法简单，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的发明不但世界最早，而且为有实用价值的磁指向器的出现，创造了条件。
2指南针的发明和创新历程
大约早在战国时代就发现了磁体的指极性，对世界文明做出重大贡献的指南针正是利用磁体的指极性制成的，它是中国古代四大发明之一。
英国哲学家弗兰西斯·
培根曾指出印刷术、火药、指南针“这三种发明已经在世界范围内把事物的全部面貌和情况改变了”“并由此引起难以数计的变化来，竟以任何帝国教派、任何星辰对人类事物的力量和影响都仿佛无过于这些机械的发现。
”指南针的最初形式，古代人把它叫做司南。
有关司南的最早记载是战国末年的《韩非子·
有度》“故先王立司南，以端朝夕”，这篇关于司南的记载过于简略，除了名称之外，对它的形状，特性都没有任何描写。
东汉王充在其《论衡·
是应篇》中写道：
“司南只勺，投之于地，其柢指南。
”五十年前，王振铎对这句话作了严谨的考证，从文字到文物逐字逐句探讨，从而得出了比较另人信服的结论。
首先，王振铎从“勺与斗之古训”等方面论述了“司南之勺”即司南的形状如勺。
“投之于地”句中的“地”是古代用于占卜的地盘。
这句话的意思是：
司南为勺形，将它投放入式占盘的地盘中，其勺柄指向南方。
为了达到磁铁指极性的较好的效果，只要稍似勺状之条形磁铁，即可满足文献记载的要求，不必加工勺池和曲线形勺柄。
磁勺越大，所需转动惯量矩越大，不利于司南在地盘上转动指南。
反之，磁勺越小，勺柄越长，指极性效果越好。
磁石吸铁的性质比较好发现，但发现它的指极性，并制作成指南器来判别方向却有很大的困难，它是一个巨大的进步。
由汉至唐的几百年间，磁铁磁性指南器没有重大突破。
到了宋代，指南器开始迅速发展。
指南鱼作为从司南到指南针的过渡形式，就是在这时期制作的。
前面提到了由曾公亮主编的《武经总要》，介绍指南鱼的制作方法及其应用，在整个制作过程中，可以说是设计精密，而且很符合科学原理的。
将铁片烧红，是使其磁畴瓦解而成顺磁体；
正对子位，是使其磁畴排列有方向性；
蘸水盆中，是淬火使排列好的磁畴稳定。
这里特别有学问的是“设尾数分辄之”，这种不让铁片与地面平行放置，而是北稍倾的做法，说明人们已经意识到有地球倾角的存在。
这一点的认识要比欧洲整整早五百年，一直到1544年，德国的哈特曼才发现磁倾角。
而指南鱼的制造，是人类第一次给出用地球磁场进行人工磁化的方法，直到1600年英国的吉尔伯特才懂得用地磁使铁片人工磁化。
南宋陈元靓在《事林广记》中介绍了另一类指南鱼和指南龟的制作方法。
这种指南鱼与《武经总要》一书记载的不一样，是用木头刻成鱼形，有手指那么大，木鱼腹中置入一块天然磁铁，磁铁的S极指向鱼头，用蜡封好后，从鱼口插入一根针，就成为指南鱼。
将其浮于水面，鱼头指南，这也是水针的一类。
指南龟是当时流行的一种新装置，将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内，在木龟腹下方挖一光滑的小孔，对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上，这样木龟就被放置在一个固定的、可以自由旋转的支点上了。
由于支点处摩擦力很小，木龟可以自由转动指南。
当时它并没有用于航海指向，而用于幻术。
这就是后来出现的旱罗盘的先声。
从天然磁石的司南改进为人工磁铁制作的指南鱼，减少了转动给物体带来的摩擦阻力，从而提高了仪器的灵敏度。
可是这种磁化方法所得到的磁性还是比较底的，它限制了指南鱼的实用价值。
此后，随着磁学知识的发展，人们对指南仪器又有了进一步的认识，发明了指南针。
指南针的发明在磁性指南器的发展史上具有关键意义的一步。
关于指南针的最早记载是在11书记北宋时期沈括所著的《梦溪笔谈》一书。
记载说：
“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。
水浮多摇荡。
指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若悬缕为最善。
其法，取新纺中独茧缕以芥子许蜡于针胺。
无
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