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磁铁从司南到超级储能王

夏侯楚 //m.auribault.com 2014-03-05 来源：北京日报

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　　春秋时期，人们已经能够将硬度5度至7度的软玉和硬玉琢磨成各种形状的器具，因此也能将硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。东汉时王充在他的著作《论衡》中对司南的形状和用法做了明确的记录。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺形，勺柄指南极，并使整个勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置于光滑的地盘之中，地盘外方内圆，四周刻有干支四维，合成二十四向。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。

　　人工磁化法发明指南鱼

　　如果说司南还只是指南针的雏形的话，那么指南鱼就在形态上酷似指南针了。指南鱼是古代人们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，就能指南北了。当时以此作为一种游戏。东晋崔豹在《古今注》中曾提到这种指南鱼。

　　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跃的状态，使铁分子顺着地球磁场方向排列，达到磁化的目的。铁片蘸入水中，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到了巨大的推动作用。

　　北宋沈括在《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，用磁石去摩擦缝衣针就能使针带上磁性。可以看出，这是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。这种方法比制作指南鱼简单多了，而且磁化效果也好。中国人摩擦式人工磁化的发明不但是世界最早，而且为有实用价值的磁指向器的出现创造了条件。

　　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。遗憾的是当时指南龟并没有用于航海指向，而用于幻术。指南龟发明年代不晚于1325年。

　　南宋时已知存在磁偏角

　　要确定方向除了指南针之外，还需要有方位盘相配合。最初使用指南针时，可能没有固定的方位盘，随着测方位的需要，出现了磁针和方位盘一体的罗盘，这样一来只要看一看磁针在方位盘上的位置，就能断定出方位来。

　　地球的两个磁极和地理的南北极只是接近，并不重合，磁针指向的是地球磁极而不是地理的南北极，这样磁针指的就不是正南、正北方向而略有偏差，这个角度就叫磁偏角。因为地球近似球形，所以磁针指向磁极时必向下倾斜，和水平方向有一个夹角，这个夹角称为磁倾角。不同地点的磁偏角和磁倾角都不相同。

　　南宋时，曾三异在《因话录》中记载了有关这方面的知识：“地螺或有子午正针，或用子午丙壬间缝针。”这是有关罗经盘最早的文献记载。文献中所说的“地螺”，就是罗经盘。文献中已经把磁偏角的知识应用到罗盘上，这种罗盘不仅有子午针（确定地磁场南北极方向的磁针），还有子午丙壬间缝针（用日影确定的地理南北极方向），这两个方向之间的夹角，就是磁偏角。成书于北宋的《武经总要》在谈到用地磁法制造指南针时注意利用了磁倾角。沈括在《梦溪笔谈》谈到指南针不全指南，常微偏东，也指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁倾角的发现使指南针的指向更加准确。

　　古代先民在对磁现象的观察和研究过程中，进一步了解了磁的性质，并试图更多地应用这些性质。《晋书·马隆传》记载，马隆率兵西进甘、陕一带，在敌人必经的狭窄道路两旁堆放磁石。穿着铁甲的敌兵路过时，被牢牢吸住，不能动弹。马隆的士兵穿犀甲，磁石对他们没有什么作用，可自由行动。敌人以为神兵，不战而退。东汉的《异物志》记载了在南海诸岛周围有一些暗礁浅滩含有磁石，磁石经常把“以铁叶锢之”的船吸住，使其难以脱身。

　　魏晋南北朝时，我国先民对磁石有了更多认识。就连诗人曹植在《矫志诗》中也用了“磁石引铁，于金不连”的句子，可见他也了解磁石的特性。南北朝梁代陶弘景在《名医别录》中提出了磁力测量的方法，他指出：优良磁石出产在南方，磁性很强，能吸引三四根铁针，使几根针首尾相连挂在磁石上。磁性更强的磁石，能吸引十多根铁针，甚至能吸住一二斤刀器。陶弘景不仅提出了磁性有强弱之分，而且指出了测量方法。这可能是世界上有关磁力测量的最早记载。

　　指南针航海始于宋代

　　指南针在我国古代主要被用于相宅相墓，同时也被用于航海，后者对人类社会进步发挥了巨大作用，因而指南针才得以跻身我国古代四大发明行列。指南针在航海上的应用有一个逐渐发展的过程。成书年代略晚于《梦溪笔谈》的《萍洲可谈》中记有：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”这是世界航海史上最早使用指南针的记载。文中指出，当时只在日月星辰见不到的时候才使用指南针，可见指南针刚开始使用时，人们使用还不熟练。

　　其后，许兢的《宣和奉使高丽图经》也有类似的记载：“惟视星斗前迈，若晦冥则用指南浮针，以揆南北。”南宋福建路市舶司(当时管理对外贸易的政府机关)提举赵汝适在所著《诸蕃志》中也提到：“舟舶来往，惟以指南针为则，昼夜守视惟谨，毫厘之差，胜似系焉”。之后，类似的文献层出不穷，这表明在航海活动中，指南针普及得相当快。

　　到了元代，指南针一跃而成海上指航的最重要的仪器，不论昼夜晴阴都用指南针导航了。而且人们还编制出使用罗盘导航，在不同航行地点指南针针位的连线图，叫做“针路”。船行到某处，采用何针位方向，一路航线都一一标识明白，作为航行的依据。这一发明后来经阿拉伯传入欧洲，对欧洲的航海业乃至整个人类社会的文明进程，都产生了巨大影响。

　　延伸阅读

　　电磁铁的发明

　　19世纪，经典电磁学理论告诉我们，运动的电荷会产生磁场，天然磁铁的磁场反过来则可以驱动电荷。这个发现足以让大量的铁，自然界最常见的磁性物质，成为马达、发电机和变压器这类关键电力技术的核心，磁芯在这些设备中存储能量，将机械功和电流相互转化。

　　早在1820年，丹麦的奥斯特就发现了这一原理。1822年，法国物理学家阿拉戈和吕萨克也发现，当电流通过其中有铁块的绕线时，它能使绕线中的铁块磁化。这实际上是电磁铁原理的最初发现。1823年，英国人斯特金也做了一次类似的实验：他在一根并非是磁铁棒的U形铁棒上绕了18圈铜裸线，当铜线与伏打电池接通时，绕在U形铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场，这样就使U形铁棒变成了一块“电磁铁”。

　　这种电磁铁上的磁能要比永磁能大许多倍，它能吸起比它重20倍的铁块，而当电源切断后，U形铁棒就什么铁块也吸不住，重新成为一根普通的铁棒。斯特金的电磁铁发明，使人们看到了把电能转化为磁能的光明前景，这一发明很快在英国、美国以及西欧一些国家传播开来。

　　1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新，用磁电绝缘导线代替裸铜导线，因此不必担心被铜导线过分靠近而短路。由于导线有了绝缘层，就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起，由于线圈越密集，产生的磁场就越强，这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力。到了1831年，亨利试制出了一块更新的电磁铁，虽然它的体积并不大，但却能吸起1吨重的铁块。

　　大千世界

　　稀土引发磁场“革命”

　　磁铁只是一个通称,是泛指具有磁性的东西,实际的成分不一定包含铁。较纯的金属态的铁本身没有永久磁性，只有靠近永久磁铁才会感应产生磁性。一般的永久磁铁里面加了其他杂质元素（例如碳）来使磁性稳定下来，但是这样会使电子的自由性降低而不易导电。铁是常见的带磁性元素，但是许多其他元素具有更强的磁性。

　　制造更优良磁铁很大程度上都依赖于冶金学家的黑暗魔法：混合各种可能的元素，然后放入磁场，看命运之轮会如何变化。这种神农尝百草的方法一直屡试不爽。上世纪30年代合成的铝-钴-镍磁铁，能量密度就是最好的铁氧体磁铁的两倍。但真正的突破还是以上世纪70年代发现镧系元素或者叫稀土元素的磁性潜力为开端的。这些元素在元素周期表上总是独立成区，无一例外都能贡献大量自旋相互平行织连成片的电子。用钴和稀土元素钐的混合物做出的磁铁，储能甚至比铝-钴-镍磁铁还要高一倍。

　　磁铁中最大的明星还要属由稀土元素钕加上铁和硼制成的磁铁。在上世纪90年代之前，这些钕系磁铁得到了突飞猛进的发展，以至于指甲盖那么大一块磁铁产生的磁场，比整个地球铁质核心的磁场还要强数千倍。室温下，钕磁铁是我们目前所知的最强磁铁。

　　最终，这带来了一场磁场革命。从汽车中的动力输送，到让硬盘、CD和DVD盘片高速旋转的马达；从扬声器和耳机中将电流脉冲转换成声响的振膜，到医学磁共振成像（MRI）中所需的超高密度磁场——但凡需要用最小体积产生最大磁场的地方，都会闪现出钕磁的身影。（果壳）

　　有此一说

　　四种方法自制指南针

　　《梦溪笔谈》是沈括所著的有关我国古代科学技术的著作，书中谈到磁学和指南针的一些问题。关于磁针的装置方法，沈括介绍了四种：

　　1.水浮法——将磁针上穿几根灯芯草浮在水面，就可以指示方向。

　　2.碗唇旋定法——将磁针搁在碗口边缘，磁针可以旋转，指示方向。

　　3.指甲旋定法——把磁针搁在手指甲上面，由于指甲面光滑，磁针可以旋转自如，指示方向。

　　4.缕悬法——在磁针中部涂一些蜡，粘一根蚕丝，挂在没有风的地方，就可以指示方向了。

　　沈括还对这四种方法做了比较，水浮法的最大缺点是水面容易晃动影响测量结果。碗唇旋定法和指甲旋定法，由于摩擦力小，转动很灵活，但容易掉落。沈括比较推崇的是缕悬法，他认为这是比较理想而又切实可行的方法。事实上沈括指出的四种方法已经归纳了迄今为止指南针装置的两大体系——水针和旱针。

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编辑：尹盼秋