中国古代的电磁学成就.docx

中国古代的电磁学成就.docx

《中国古代的电磁学成就.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中国古代的电磁学成就.docx（6页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

中国古代的电磁学成就

中国古代的电磁学成就

中国古代的电磁学成就

中国古人对电和磁的知识的积累及其技术成就，在世界物理学史中占有极为重要的地位。

古代人在雷电、静电、静磁学方面的知识以及在罗盘的制造方面远远地走在欧洲人前面。

除了用的传统方式解释磁体极性、磁偏角之外，在其他方面的科学发现和技术成就也是令人惊叹的。

对尖端放电现象的观察和研究，使古人发明了避雷器，用于高大建筑的顶端，防止雷击。

特别是磁的研究与应用对中国古代的生产、军事、航海测量等技术的发展产生了重要作用。

一、摩擦起电

我国古代人在电学知识方面很早就有了“琥珀拾芥”的记载，对静电和雷电现象也有许多值得称道的见解。

琥珀是一种透明的树脂化石，在古籍中也写作“虎魄”、“虎珀”。

玳瑁是一种类似龟的海生爬行动物，其甲壳也叫玳瑁；汉代王充等人称它为“顿牟”。

静电现象的最早记载见之于西汉成书的《春秋考异邮》：

“玳瑁吸喏”。

“喏”即草屑一类轻小绝缘体。

王充在《论衡·乱龙篇》中写道：

“顿牟掇芥，磁石引针，皆以其

一件怪事从后宫传出。

方以智认为，所有布料都能摩擦起电。

他写道：

“青布衣，大红西洋布及人身之衣，气盛者皆能出火。

”方以智的论断是完全正确的；他所谓“气盛”是他那时代对摩擦起电的一种流行解释而已。

梳理头发和解脱衣服所发生的静电放电现象。

二、对雷电的认识

在殷商甲骨文中就有了“雷”和“电”的文字符号。

从古代人分别造“雷”与“电”二字起，他们在一个较长时期里在大多数情况下将雷电看作是两种自然现象。

《淮南子》说：

“阴阳相薄为雷，激扬为电”。

它以阴阳二气摩擦与碰撞的激烈程度来区分雷电。

早在战国时期，《慎子》说：

“阴与阳夹持，则磨轧有光而为电”。

《慎子》一书已具有从声音与光二者区分雷电的思想。

宋代陆佃在《烟雅·释天》中指出：

阴阳相激，“其光为电，其声为雷”。

只到此时，雷声电光作为同一现象的不同表现才被人们所认同。

汉代王充对雷电有精辟见解，曾论证雷的本质是火。

他在《论衡·雷虚篇》中写道：

“雷者，火也。

以人中雷而死，即询其身，中头则髦发烧焦，……临其尸上闻火气，一验也。

道术之家以为雷烧石色赤，投于井中，石焦井寒，激声大鸣，若雷之状，二验也。

人伤于寒，寒气入腹，腹中素温，温寒分争，激气雷鸣，三验也。

当雷之时，电光时见，大若火之耀，四验也。

当雷之击时，或燔人室屋及地草木，五验也。

言雷为天怒，无一效验。

然则雷为天怒，虚妄之言。

”王充的以上论述，除第三验为中国特有的中医理论外，其余四验都是实证的、科学的。

他从这些方面论证雷电就是火。

在王充1600余年后，美国富兰克林才达到王充的认识水平。

《南齐书·五行志》记载了公元490年的一次雷电现象：

“雷震会稽山阴恒山保林寺，刹上四破，电火烧塔下佛面，而窗户不异也。

”在寺庙中，佛面常粉以金属涂料，它容易导电。

但是，对于雷电而言是比较复杂的。

王金樵《读律佩满》有云：

“雷发徽州典肆，内外扁藏金铁物，皆以类化，而封识如故”。

明代方以智通过论述自然界发生的种种雷电现象，总结了“雷火”特性，他说：

“雷火所及，金石销熔，而漆器不坏。

”所谓“金石”，也就是金属物质。

方以智可能是在对受雷电作用的自然界物质进行分类：

导电的金属物质被熔化、烧断，而不导电的漆器尚能保存。

古代人对尖端放电和大气电现象早有研究，汉代就有观察到长兵器尖端在大气电场中的放电现象的记载。

晋惠帝永兴元年（304），成都王发动叛乱，攻长沙，陈兵于邺城，夜里“戈载锋皆有火光，遥望如悬烛”。

元顺帝至正二十一年（1361）正月癸酉，“石州大风拔木，六畜皆呜。

人持枪矛，忽生火焰，抹之即无，摇之即有”；明代方以智在《梦溪笔谈》中以“野火塔光”一词将磷光和尖端放电归为一类。

他写道：

“军中刀枪火起，其理亦与野血同。

又曰塔放光者，地中真火，以上腾为本性，而壅阙和合于土上，故蒸为温气，发育万物，风雷云雨霜电虹蜺，无之而非是者。

上腾之性，每依直物而起，偶此塔有蕴腻凝滞之气相触，则附丽发光，与野燐同理。

试观乎雷，亦火也，每依墙杆栋楹有披击出声而上者，可触类也。

”方以智这个唯物的思辩解释也远远胜过同时期西方人归之于神的说法，他的观察极其仔细，将尖端放电解释为雷电之气“上腾之性，每依直物而起”，这个解释是很有价值的。

中国古建筑有否避雷的因素或措施，古代人在建筑高堂大厦、亭阁寺塔中是否知道避雷并有意识采用某些避雷或消雷措施。

古代人曾以大青石建造“避雷室”，其原理大概与绝缘避雷说相同。

刘宋朝盛弘之《荆州记》载：

“湖阳县，春秋参国樊重之邑也。

重母畏雷，为母立石室以避之，悉以文石为阶砌，至今犹存。

”位于山西应县佛宫寺内的应县木塔建于辽清宁二年（1056），是木结构楼阁式建筑，总高67米多；铁制培刹全长14，21米，伸出塔顶长9．91米。

塔刹铁柱被分别系于各个屋脊端的8条铁链所固定。

对应县木塔的模拟高压实验表明，因塔基的绝缘性能好、塔身形同现代绝缘子，故雷电前锋通道一般不向塔身推进；雷电向高电阻率区域放电的概率小于向低电阻率区域放电的概率。

因此，就应县木塔而言，其长期未被雷电破坏的原因是“绝缘避雷”的结果。

三、磁石的性质及其应用

战国时期，由于炼铁技术的兴起，人们已发现了磁铁矿与其他矿物的共生关系。

《管子·地数》写道：

“上有丹砂者，下有黄金。

上有慈石者，下有铜金。

”秦汉时期，人们称磁石为“慈石”。

《吕氏春秋·季秋纪·精通篇》写道：

“慈石召铁，或引之也。

”几千年来，中国人对磁石释义一直持此说法。

这表明，他们早在公元前7世纪已经发现了磁石的吸引性质。

大约在唐宋年间，将“慈石”写成“磁石”或“磁石”。

古代人还根据磁石吸铁能力将磁石分类。

刘宋时期《证类本草》中指出：

“夫欲验者，一斤磁石，四面只吸铁一斤者，此名延年砂；四面只吸铁八两者，号曰续采石；四面只吸铁五两以内者，号曰磁石。

”古代人的这种分类法可以看作现代对磁性材料的分类之肇始。

磁石的吸引性比较容易被人们所发现，明确记载到磁石吸引性质的最早文献是公元前3世纪的《吕氏春秋》。

它写道：

“慈石召铁，或引之也。

”《鬼谷子·反应篇》记有“慈石之取针”，此处的“针”当为铁针。

磁石可以吸铁，但它不能吸引其他某些物质，这一现象也被古代人所发现。

《淮南子·览冥训》写道：

“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦则难矣。

物固不可以轻重论也。

”磁石的作用可以在相隔一段空间距离内发生，这种现象被晋代人称之为“磁石吸铁，隔阔潜应”；这大概是关于电磁超距作用的最早的思想。

到了清初，人们已发现了磁屏蔽现象。

清代刘献廷写道：

“‘磁石吸铁，何物可以隔之？

’犹子阿孺曰：

‘惟铁可以隔耳。

’”我们知道，将铁放进带有厚壳的封闭的铁罩内，其外的磁铁就不能吸引它；这种现象称为磁屏蔽。

磁石在古代医疗、建筑、战争与生产等方面得到广泛应用，利用磁石为治病药剂，其源甚古。

战国初期成书的《周礼·天官·疡医》写道：

“凡疗疡以五毒攻之。

”战国至汉代期间，磁石已成为中药成分之一。

成书于汉代的《神农本草经》是战国秦汉期间药物知识的总结性著作，它写道：

“慈石，味辛寒，主周痹风湿，肢节中痛，不可持物，洗洗酸消，除大热烦满及耳聋。

”从中医理论出发，汉代人已总结了磁石的药性及其所能治疗的疾病；这说明古代许多方法是现代所谓磁疗的始祖。

古代人将磁石用于战争之中，据载，晋朝大将马隆在泰始（265～274）中与羌戎战于西北地区，马隆曾以磁石累夹道，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，……奇谋间发，出敌不意。

或夹道累磁石，贼负铁销，行不得前，隆卒悉被犀甲，无所留碍，贼以为神。

”看来，“夹道累磁石”在这场战争中起了重要作用，当时中原人习以为常的磁石吸铁的知识而在边疆地区却被视为神奇。

四、从司南、指南针到罗盘

指南针的发明举世公认的古代中国的伟大成就之一。

英国哲学家弗·培根（FrancisBacon，1561～1626）曾指出，印刷术、火药和指南针“这三种发明已经在世界范围内把事物的全部面貌和情况都改变了，……并由此又引起难以数计的变化也竟至任何帝国、任何教派、任何星辰对人类事务的力量和影响都仿佛无过于这些机械性的发现。

”

司南是指南针问世之前最古老的磁性指向器；战国时期成书的《韩非子·有度》写道：

“夫人臣之侵其主也，如地形焉，即渐以往，使人主失端，东西易面而不自知。

故先王立司南以端朝夕。

”从这段文字中来看，很可能战国时期已有磁性司南指向器。

《鬼谷子·谋篇》中也有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”的说法，明确说明司南的作用是为了不迷失方向（“为其不惑”）。

东汉王充在其著《论衡·是应篇》中写道：

“司南之勺，投之于地，其抵指南。

”（如图5-4-1）司南的创制可能要早于汉代，从王充记载看，至晚汉代已有了磁性指向器。

自从汉代或战国人发明司南之后，直到唐代，人们不断地制造并使用司南。

图1-5中国汉代时的司南

从天然磁石制作司南到以磁化方法制作指南针，在科学方法和科学认识上都是一个巨大进步。

唐代大概是由司南向指南针过渡的孕育阶段。

宋代以后不仅制造了各种指南针，而且分别发现了地磁场和磁铁磁化铁针、铁片的方法，也有直接以磁铁制作指南鱼、指南龟的方法。

关于指南针的发明是有一个过程的，唐代大概是司南向指南针过渡的孕育时期；唐宋之际、五代时期已完成了这一过渡。

宋代之后，有关指南针的文献记载已非常丰富。

沈括在《梦溪笔谈》中写道：

“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。

水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。

其法，……以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。

”在沈括之后大约20年，1116年编成的《本草衍义》一书中写道：

“（磁石）磨针锋则能指南，然常偏东，不全南也。

其法，取新纩中独缕，以半芥子许蜡，缀于针腰。

无风处垂之，则针常指南。

以针横贯灯心，浮水上，亦指南，然常偏丙位。

盖丙为大火，庚辛金受其制。

故如是，物理相感耳。

”

从沈括以来的记载表明，中国人迟11世纪期间已发现以磁铁摩擦钢铁的感应磁化方法，从而为指南针的制造提供了极大方便。

同时，人们还发现了安装指南针的多种方法：

（l）水浮法，或者将针直接投放水面；或者以几根短小的空心禾草和灯芯草一类比重极轻的物体作为钢针的载体，让针自由地浮在水面。

前一种方法的力学依据和古人的认识，我们在力学章的液体表面张力部分已作了叙述。

后一种方法在宋元时代极为普遍，以致人们还特制一种大瓷碗，以供盛放指南针专用。

迄今，在元代磁州窑等多处遗址中发现了这种碗。

（2）将指南针放于光滑的指甲或碗唇上。

这种安装法“运转尤速，但坚滑易坠。

”（3）以“缕悬为最善”。

方法是，以单根蚕丝悬挂磁针，蚕丝与针的连结是用芥子大小一点点蜡将它们粘接在一起。

沈括所描述的安装方式都为宋代人所想到和做到；水浮法是水罗盘装针的始祖，钉支法是旱罗盘装针的起源，而缕悬法比库仑在1777年因发明这种方法而获得法国科学院的奖赏要早600多年；法国科学院曾悬赏征集船用罗盘的最佳设计方案。

库仑提出了以丝悬指南针的方法，由于他在这个问题上的研究，导致他在后来发明了扭秤，并以此测量静电和静磁的力。

宋代曾公亮记述了直接以磁铁造指南鱼和龟的方法；曾公亮《武经总要前集》卷十五就指南鱼的造法写道：

“若遇天景噎霾，夜色瞑黑，又不能辨方向，则当纵老马前行，令识道路，或出指南车及指南鱼，以辨所向。

指南车世法不传。

鱼法以薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，以铁铃铃鱼首出火。

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，其首常南向午也。

”曾公亮关于指南鱼的造法记述得清楚、具体。

如以近代磁学知识理解他的有关记载。

将“薄铁片”（或许钢片的可能性更大）剪成鱼形片后，令其烧红，当炉温高于居里点（约700摄氏度）时，钢铁磁畴排列完全打乱。

而当它蘸水即淬火急冷时，磁畴排列又复形成。

关键在于其冷却时，其“尾正对子位”，这相当于铁片是按地球子午线方向、即地磁的南北极方向冷却的。

因此，在地磁场的影响下，冷却后的铁片磁畴就都顺着地磁场方向排列，从而使铁片产生了磁性。

在冷却铁片过程中，将铁片“没尾数分”，也就是将铁片斜插入水盆中淬火，这时恰好利用了地磁倾角，增强了对铁片的磁化程度。

在理论上，曾公亮和古代中国人都没有地磁场和地磁倾角的任何概念，然而，在实践中，他们却充分利用了地磁场和地磁倾角以磁化铁片。

当铁片完全冷却，其磁畴也就完全按地磁方向排列，则鱼头为北极，鱼尾为南极。

将其放入水碗、浮于水面时，自然其头指向南，其尾指向北。

在指南鱼制成后，曾公亮还说，要“以密器收之”。

其实，这就是将已磁化好的指南鱼一个个分别地收藏于各个木盒或铜盒之中，以免其受外界磁铁、碰撞或打击等因素影响以致退磁。

曾公亮于1044年在磁化钢片时利用了地磁倾角。

曾公亮的记述是以地磁场磁化法制造指南鱼，而陈元靓的记述却是另一回事。

他写道：

“造指南鱼。

以木刻鱼子，如母指大，开腹一窍，陷好磁石一块子，却以脚填满，用针一半要从鱼子口中钩入，令没放水中，自然指南，以手拨转，又复如初。

”“造指南龟。

以木刻龟子一个，一如前法制造，但于尾边敲针入去；用小板子，上安以竹钉子，如箸尾大；龟腹下微陷一穴，安钉子上，拨转常指北。

须是针尾后。

”

显然，这里的指南鱼、指南龟是直接利用了磁体的指极性特点。

古代人虽然没有地磁场和地磁极的概念，但自从司南发明并应用以来，对于磁体的指极性特点为常人所知。

因此，陈元靓所述的指南鱼、指鱼龟并不一定会比指南针出现更晚。

巧妙的是古人将其装入木质鱼或龟腹中，在鱼头、龟尾又插入一根铁针。

这是方便观察其指向和“以手拨转”之用。

指南鱼所以“没放水中”，大概是木质鱼身和磁体鱼腹的平均比重与水的比重相差无几，因而在水中呈现不沉不浮之状态。

将磁针与刻度盘相结合，使之成为一种辨识方向的仪器，称为罗盘；刻度盘起源于战国至秦汉，一种带刻度的拭盘为占卜者所备有。

罗盘只有在磁针诞生之后才有可能问世。

指南针诞生之后，只要将其置于地盘中央，罗盘就随即问世；罗盘在中国至晚产生于12世纪下半叶。

早期人们称罗盘为“地螺”。

其中的“地”也是地盘之意；“螺”，原是软体动物，或假其硬壳上旋纹以示磁针之旋动。

又借地盘之N方位，罗盘有分度列向、以正南北之功用，故云“经”。

因此称它为地罗经或罗经盘，简称罗盘。

罗盘发明之后，先被用于堪舆：

相墓、相宅、看风水。

到南宋年间，罗盘又分为旱罗盘和水罗盘。

入明之后，罗盘得到更大发展。

漆木制罗盘、铜制罗盘，旱盘、水盘、堪舆用与航海用罗盘，已在许多地方形成作坊以专门生产。

中国人最早创制并使用磁针和罗盘，并由阿拉伯人将指南针、罗盘的知识从中国传播到欧洲的。