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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