磁針的裝置

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，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果。碗唇旋定法和指甲旋定法，由于摩擦力小，轉動很靈活，但容易掉落。沈括比較推重的是縷懸法，他認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)所著的有關我國古代科學技術的著作，書中談到磁學和指南針的一些問題。

【指南魚和指南龜】

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?。這種指南魚與《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、可以自由旋轉的支點上了。由于支點處摩擦力很小，木龜可以自由轉動指南。當時它并沒有用于航海指向，而用于幻術。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。

先秦時代我們的先人已經(jīng)積累了許多這方面的認識，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?！豆茏印返臄?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)認識到磁石只能吸引鐵，而不能吸引其他物品。

當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。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。但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給漢武帝，并當場演示。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。

指南針一經(jīng)發(fā)明很快就被應用到軍事、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航了。而且還編制出使用羅盤導航，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果。古代先民對磁現(xiàn)象的觀察和研究的過程中，進一步了解了磁的性質(zhì)，并試圖更多地應用這些性質(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)兵當場捕獲。這樣的故事還很多，《晉書.馬隆傳》記載馬隆率兵西進甘、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)已有了很多認識。就連當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?？梢娝擦私獯攀男再|(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)的研究和認識是指南針發(fā)明和發(fā)展的基礎。

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)在我們之前就學會了利用地球磁場來辨別方向。

人工磁化

使用羅盤儀進行測量時，附近不能有任何鐵器，并要避免高壓線，否則磁針會發(fā)生偏轉，影響測量結果。必須等待磁針靜止才能讀數(shù)，讀數(shù)完畢應將磁針固定以免磁針的頂針被磨損。若磁針擺動相當長時間還不能靜止，這表明儀器使用太久，磁針的磁性不足，應進行充磁。