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碗唇法是把磁针放在光滑的碗边上,磁体粉末和

2019-10-14 14:38栏目:历史人物
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中国人率先发明了人造磁体

磁体是可以人造的。拿一根本来没有磁性的铁针,靠近或接触一块磁体,或者用磁体在它上面顺着一个方向摩擦几下,这根铁针就可以吸引另一根铁针。也就是说,原来没有磁性的铁针有了磁性。如果这根针是钢铁的,有比较强的剩磁,那么离开了磁体,它还能保持有磁性,那就成了磁体了,这叫人工磁化。

指南针发明之前人类在茫茫大海中航行,常常会迷失方向,造成不可想象的后果,是中国人发明了指南针,使人类航行有了方向。指南针是用以判别方位的一种简单仪器。中国古代四大发明之一。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的南极,利用这一性能可以辨别方向。常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。

指南针也叫罗盘针,是我国古代发明的利用磁石指极性制成的指南仪器。因此,介绍司南必须从磁石说起。

在世界上,率先发现磁石吸铁现象的是中国人,率先发明人造磁体的也是中国人。

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磁现象的发现

磁石通常称为吸铁石,它把许多铁屑紧紧吸在一起,就象一个慈祥的母亲吸引自己的孩子,所以人们称它为慈石。

司马迁在《史记。封禅书》中记载着这样一个故事:西汉时期有个方士,叫栾大。他发明了一种“斗棋”,在汉武帝面前表演,两枚棋子“自相触击”,不仅会互相靠近而且也会互相排斥“相拒不休”。这一下子可把皇帝逗乐了。汉武帝立刻封赏栾大为“五利将军”。

这是什么缘故呢?原来象铁这种物质,它的每个铁微粒,都是有磁性的,我们叫它为磁分子。只是因为磁分子排列漫无规则,它们的磁性互相抵消,所以就显不出磁性来。经与别的磁体一接触或接近,或者经过磁体顺向摩擦,磁分子在磁体的作用下,就得到规则的排列,它们的磁性就互相加强,因而显出磁性来。对某些材料来说,磁分子一经排列好了,虽然离开磁体,也能保持,就成了磁体了。我国古代就用这些办法进行人造磁体。

先秦时代我们的先人已经积累了许多这方面的认识,在探寻铁矿时常会遇到磁铁矿,即磁石(主要成分是四氧化三铁)。磁石的吸铁特性很早就被人发现。既然磁石能吸引铁,那么是否还可以吸引其他金属呢?我们的先民做了许多尝试,发现磁石不仅不能吸引金、银、铜等金属,也不能吸引砖瓦之类的物品。西汉的时候人们已经认识到磁石只能吸引铁,而不能吸引其他物品。

磁石吸铁是因为每块磁石两头都有不同的磁极,一头叫正极,另一头叫负极。人类居住的地球也是一块天然大磁铁,地球的南北两头也有不同的磁极,地球的北极是负磁极,地球南极为正磁极。根据同性磁极相排斥,异性磁极相吸引的原理,拿一根可以自由转动的磁针,无论站在地球的什么地方,它的正极总是指北,负极总是指南。

那么,这两枚棋子是怎么制造出来的呢?栾大自然不会说出来,不过,与他同时代的人还是把制造斗棋的方法给揭开了,事见《淮南子·万毕术》。

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当把两块磁铁放在一起相互靠近时,有时候互相吸引,有时候相互排斥。现在人们都知道磁体有两个极,一个称N极,一个称S极。同性极相互排斥,异性极相互吸引。同时地球也是一个大磁体,它的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。因此地球表面的磁体,可以自由转动时,就会因磁体同性相斥,异性相吸的性质指示南北。这个道理古人不够明白,但这类现象他们很清楚。

战国时期,人们利用磁石指示南北的特性制成了指南工具──司南。但是,战国时期的司南是什么样子无法考证。《中国历史》课本插图──司南,是根据中国历史博物馆展品汉代司南模型绘制的。这个模型是后人根据史书记载以及地下出土的汉代地盘实物制成的。地盘是青铜做成的,内圆外方,中心圆面磨得非常光滑,以保证勺体指示方向的准确性。中心圆外围依次布列八卦、天干、地支和二十八宿,共计二十四个方位。地盘中心的小勺是用整块的天然磁铁磨成的,磁铁的正极磨成司南的长柄,勺头底部是半球面,非常光滑。使用时先把地盘放平,再把司南放在地盘中间,用手拨动勺柄,使它转动,等到司南停下来,勺柄所指方向就是南方。这种勺形司南直到八世纪时仍在应用。

斗棋的制造方法:“取鸡血与针磨捣之,以和磁石涂其头,曝干之,置局上,即相拒不休。”意思是说,把铁针、天然磁石捣碎,碾成粉末,再用鸡血搅拌成浆状,涂在两枚很轻的棋子外面,晒干它们,然后放在棋盘上,这两枚棋子就会斗起来。

一、地磁法

指南针的始祖司南

到了宋代,劳动人民掌握了制造人工磁体的技术,又制造了指南鱼。指南鱼是把薄钢片剪成鱼形,长二寸,宽五分,鱼的肚皮部分凹下去,使鱼象船一样能浮在水面上。然后把鱼和天然磁铁放在一起,由于磁体的吸力,钢片受磁感应也具有磁性。这种人工传磁方法制成的指南鱼比使用司南方便多了,只要有一碗水,把指南鱼放在水面上就能辨别方向了。经过长期的改进,人们又把钢针在天然磁体上摩擦,钢针也有了磁性。这种经过人工传磁的钢针可以说是正式的指南针了。沈括在他的《梦溪笔谈》中提到他对指南针的用法做过四种试验,即水浮法、缕悬法、指甲法和碗唇法。水浮法是把指南针放在有水的碗里,使它浮在水面上,指示方向。缕悬法就是在磁针中部涂上一些蜡,上面粘一根丝线,把丝线悬在木架上,针下安放一个标有方位的圆盘,静止时钢针就指示南北。指甲法就是把钢针放在手指甲面上,轻轻转动,由于手指甲的光滑,磁针就和司南一样也能发生指南作用。碗唇法是把磁针放在光滑的碗边上,转动磁什,便和指甲法一样发生指南作用。沈括经过精密的观察实验,还发现磁针指示的方向并不是正南正北,而是微偏西北和东南,这种发现在科学上叫磁偏角。

棋子自己会斗起来,是有道理的。天然磁石被粉碎之后,每个微粒都是有磁性的,再渗入铁针粉末,使磁性得到加强,用鸡血搅拌涂在棋子表面,放在地面上晾晒,在晾晒过程中,磁石粉末和铁针粉末就在地球磁性的作用下,得到有规则的排序。这样,粉末的磁性得到强化,棋子就成为一块磁体。磁体有两极,同极相斥,异极相吸,利用这个原理,两枚棋子就斗个不停,跟打架似的。

西汉时期的“方士”栾大,大概是我国历史上第一个人造磁体的人。同时代的《淮南万毕术》中记载一种人造磁体的方法。据说,把天然磁体捣碎,碾成粉末,掺入一些铁粉,再用鸡血拌成浆状,涂在很小很轻的棋子外面,让它放着干燥,待凝固后,互相接近,就发现能相互吸引或排斥。

指南针的始祖大约出现在战国时期。古人称它为司南。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺型,圆底,并使整个勺的重心恰好落到勺底的正中并保持平衡,勺置于光滑的地盘之中,且可以自由旋转。地盘外方内圆,四周刻有干支四维,合成二十四向。当司南静止的时候,勺柄就会指向南方。这样的设计是古人认真观察了许多自然界有关磁的现象,积累了大量的知识和经验,经过长期的研究才完成的。司南的出现是人们对磁体指极性认识的实际应用。但司南也有许多缺陷,天然磁体不易找到,在加工时容易因打击、受热而失磁。所以司南的磁性比较弱,而且它与地盘接触处要非常光滑,否则会因转动摩擦阻力过大,而难于旋转,无法达到预期的指南效果。而且司南有一定的体积和重量,携带很不方便,这可能是司南长期未得到广泛应用的主要原因。

磁现象的发现

方士奕大耍个把戏,逗乐汉武帝,骗取官位,这本身是一件荒唐事,不值得称道。但从科学的角度看,实际上奕大是世界上率先发明人造磁体者。这件事情的科学意义不可低估。

栾大用的很可能就是这种办法。我们分析起来,是有道理的。天然磁石被粉碎以后,每个微粒都是有磁性的。掺入一点铁粉,有大大加强磁性的作用;拌以鸡血后,放到地面,在慢慢凝固的过程中,磁体粉末和铁粉就在地球磁性的作用下,得到有规则的排列。那许多粉末的磁性相互加强,因而就成了一块磁体。当接近时有可能相互吸引或相互排斥,好像打架一样,就成了“斗棋”的把戏。作为“方士”们的幻术看,当然没有什么意义,以此骗得一个“五利将军”更是荒唐的事。但在事实上却是世界上最早的人造磁体方法,从这一点看,是应该得到相当高的评价。

指南针的发明

先秦时代我们的先人已经积累了许多这方面的认识,在探寻铁矿时常会遇到磁铁矿,即磁石(主要成分是四氧化三铁)。这些发现很早就被记载下来了。《管子》的数篇中最早记载了这些发现:山上有磁石者,其下有金铜。其他古籍如《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早就被人发现,《吕氏春秋》九卷精通篇就有:慈招铁,或引之也。那时的人称磁为慈他们把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为:石是铁的母亲,但石有慈和不慈两种,慈爱的石头能吸引他的子女,不慈的石头就不能吸引了。据说秦始皇统一六国后,在咸阳附近修阿房宫,宫中有一座门是用磁石做成,如果有人身穿盔甲,暗藏兵器,入宫行刺,就会被磁石门吸住。这个故事告诉我们,古代劳动人民很早就掌握了磁学知识。

随着社会经济生产,军事战争和文化交流的发展,人们活动范围日益扩大,需要比用天然磁石磨制的司南杓更先进的指南仪器。经过长期科研实践,人们终于发明了用人造磁体制造的磁性效果更佳的指南鱼。

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古代民间常用薄铁叶剪裁成鱼形,鱼的腹部略下凹,像一只小船,磁化后浮在水面,就能指南北。当时以此做为一种游戏。北宋时,曾公亮在《武经总要》载有制作和使用指南鱼的的方法: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。

汉朝以前人们把磁石写做慈石,是慈爱石头的意思。

“指南鱼”一词,最早见于西晋时期崔豹所著《古今注》上,但具体制作情况已不可考。在北宋仁宗年间,曾公亮(998——1078)主持编纂的《武经总要》前集卷十五详细地记录了指南鱼的制造方法及其应用。书中说:“若遇天景曀霾,夜色暝黑,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。指南车法世不传。鱼法,用薄铁叶剪裁,长二寸宽五分,首尾锐如鱼形,置炭火中烧之,候通赤,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。”这个记载纯粹是制造指南鱼的经验之谈,然而这个经验符合科学原理。

西晋时代,出现了一种指南鱼,大概也是人造磁体做的,至于用的是怎样一种磁化方法则不得而知。《武经总要》里则有详细的介绍:用钢片做成一条“鱼”,放在炭火里烧得通红,然后用铁钳夹着鱼头,拿出火外,把鱼尾正对北方,蘸入水中。这样钢鱼就带有磁性了。然后把它收藏在一个密闭的盒子里,大概是把这“磁鱼”放置在一块天然磁体旁边,让它继续磁化或保持磁性。

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。

既然磁石能吸引铁,那么是否还可以吸引其他金属呢?我国的先民做了许多尝试,发现磁石不仅不能吸引金、银、铜等金属,也不能吸引砖瓦之类的物品。西汉的时候人们已经认识到磁石只能吸引铁,而不能吸引其他物品。

首先,把铁片剪裁成鱼形,然后在炭火中烧红,其温度已高于居里点即769摄氏度,因而铁片的无规则排列的磁畴瓦解,自发磁化完全消失,铁片已变成顺磁体,不再具有自发磁化的特性。这时,把铁片鱼尾对准子位,即正北方,蘸水,进行淬火,使铁片鱼迅速冷却,可以形成较强的矫顽力,磁畴重新恢复。由于此时鱼尾正对北方,鱼首正对南方,与地磁场方向一致,所以在地磁场的作用下,铁片鱼的磁畴排列具有一定的方向性,即被磁化:正对北方的鱼尾被磁化成指北极,正对南方的鱼首被磁化成指南极。矫顽力越强,永磁性越好。所以,当铁片鱼浮于水面时,鱼首必然指南。另外,因为地磁具有相当大的倾角。所以,淬火时,要让水“没尾数分”,也就是使鱼尾稍向下倾,这样,鱼体的方向就更接近于地磁场的方向,那么磁化效果就会更高。

经过这么一热一冷怎样能使钢鱼带上磁性呢?原来,如上面所说的,每个钢分子都是有磁性的,当它被加热升高温度时,分子就可以比较自由地运动,受到地球磁性的作用,将按一定的规则排列起来,它们的磁性相互加强,突然冷却就使分子排列固定下来,那么磁性也就保持下来了。

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当把两块磁铁放在一起相互靠近时,有时候互相吸引,有时候相互排斥。现在人们都知道磁体有两个极,一个称N极,一个称S极。同性极相互排斥,异性极相互吸引。那时的人们并不知道这个道理,但对这个现象还是能够察觉到的。

指南鱼的制造说明,古代中国人至迟在公元11世纪以前已经能够利用地磁场生产有实用价值的人造磁体,并在实践中发现地磁倾角的存在,而且懂得如何加以利用。这是一件了不起的科学贡献。在西方,发现地磁倾角是公元16世纪的事情。1600年,英国人吉尔伯特所著的《论磁》一书才谈到将铁加热到赤红在地磁场方向冷却磁化的方法。

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到了西汉,有一个名叫栾大的方士,他利用磁石的这个性质做了两个棋子般的东西,通过调整两个棋子极性的相互位置,有时两个棋子相互吸引,有时相互排斥。栾大称其为斗棋。他把这个新奇的玩意献给汉武帝,并当场演示。汉武帝惊奇不已,龙心大悦,竟封栾大为五利将军。栾大利用磁石的性质,制作了新奇玩意用以取悦汉武帝。

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