中国古代磁的发展历史

5.古今中外——磁的发展过程

我国是对磁现象最早进行文字记载的国家之一。公元前3世纪的《吕氏春秋》中所写的“慈石召铁，或引之也”，就对磁石的吸铁现象进行了描述。另外，关于磁现象的应用，我国古代后魏的《水经注》等书中，也提到秦始皇为了防备刺客行刺，曾用磁石建造阿房宫的北阀门，以阻止身带刀剑的刺客入内。医书上还谈到利用磁石吸铁的作用，来治疗吞针。在磁现象早期的应用方面，最光辉的成就要数指南针的发明和应用，这是我国对人类作出的巨大贡献。

司南是我国春秋战国时代发明的一种最早的用来指示南北方向的指南器，但其实这时候它还不叫做指南针。最早指南的磁石是一种勺状的，称为司南。司南由一把“勺子”和一个“地盘”两部分组成。它的指勺是由整块磁石制成的，磁南极那一头琢成长柄状，圆圆的底部就是它的重心，琢得非常光滑。地盘是一个铜质的方盘，中央有个光滑的圆槽，四周刻有格线和表示24个方位的文字。由于司南的底部和地盘的圆槽都很光滑，因此，司南放进了地盘就能灵活地转动。当它静止下来的时候，磁石的指极性就会使长柄总是指向南方。这种仪器就是指南针的前身，虽然它的灵敏度很低，但是它的制造却能给人以启示：有一种地磁存在，而且我们可以利用磁石来指明方向。

司南

指南车

后来，人们在制作司南的过程中发现，天然磁石因打击受热容易失去磁性，磁性较弱。因此，司南并没有广泛流传。到宋朝时，有人又发现了人造磁铁。钢铁在磁石上磨过之后，就会带有磁性，这种磁性比较稳固，不容易丢失。在长期实践中，人们制成了新的指向仪器──指南鱼。曾公亮的《武经总要》中详细记载了指南鱼的制造过程。指南鱼的制造有了一个重大突破，它就是采用了磁化的方法，使鱼形铁磁化，成为一个指向仪器。指南鱼是中国古代用于指示方位和辨别方向的一种器械。到北宋时期，我国劳动人民又用智慧创造出了一种指南工具——指南鱼。它是利用人工磁化的方法，将一片薄铁叶剪裁制成鱼的形状，鱼的腹部略微下凹，像一只小船；磁化后浮在水面，就能指示南北了。指南鱼的出现，是指南针发展过程中的一大进步。它起初成形于游戏之中，因为比司南使用方便，加之体积小、灵敏度高，因此逐渐流行于社会，深受人们喜爱。将指南鱼再加以改进，把带磁的薄片改成带磁的钢针，就创造了比指南鱼更先进的新的指南仪器了。把一支缝纫用的小钢针，在天然磁石上摩擦，使它带有磁性，而人造磁体的指南针也就这样产生了。此后，指南针的制造和安装方法，在北宋沈括的《梦溪笔谈》中已有明确记载。不久之后，人们将指南针与方位盘结合起来，也就成了罗盘。罗盘的出现为航海提供了一个方便而可靠的指向仪器。后来，我国指南针又辗转传入了欧洲。将木块刻成龟的形状，在龟的腹部中心嵌入磁体，再将木龟安放在尖状立柱上，那么指南龟就制成了，而且它在静止时首尾是分指南北的。指南龟是当时比较流行的一种新装置。将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内，在木龟腹的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了一个固定的、可以自由旋转的支点上了。另外，由于支点处摩擦力很小，因此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。但是，这就是后来出现的旱罗盘的先身。

指南鱼

罗盘

元代指南龟

到16世纪，欧洲出现了航海罗盘，大大推动了航海事业的发展，也为研究地磁三要素创造了条件。

英国人吉尔伯特在磁的研究方面作出了重要的贡献。他的著作《论磁》是人们对磁现象系统研究开始的标志。书中记录了吉尔伯特研究磁现象时所做的各种仪器及实验过程，也记录了他从实验中所得到的结论。他从磁性“小地球”实验中，根据磁针的排列与指向，提出地球本身就是一个大磁体，两极位于地理的北、南两极附近；提出了磁子午线概念。吉尔伯特还说明了磁偏角及地磁倾角的测定方法、铁的磁化及去磁概念，对磁石的吸引与推斥进行了定性的研究。这些都为磁的进一步研究开拓了道路。

威廉·吉尔伯特

到18世纪，磁的研究方面有了很大的进展。法国物理学家库仑在磁的研究方面作出了突出贡献。他参加了法国科学院为设计指向力强、抗干扰性能好的指南针而举行的竞赛活动，并提出丝悬指南针的设想，得到了磁学奖，并在此基础上制成了库仑扭秤。在建立了电荷相互作用的库仑定律的同时，他还得到了磁力的相互作用定律。可以说，库仑是静电、静磁学的第一位奠基人。此后，法国数学家、物理学家泊松，在库仑的基础上，又提出了磁体间的相互作用的势函数积分方程，将磁的研究发展到了定量的阶段。但这时，电与磁还是分别平行、独立地进行着研究的。

库仑

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，在当时的科学界引起了很大的反响和重视。科学家纷纷转向这一方面的讨论和研究，推动了整个电磁学的发展。安培由电流磁效应想到：既然磁体之间有相互作用，电流与磁体间也有作用，那么两个载流导体之间也一定存在着相互作用。他通过一系列实验，找到了电流间相互作用的实验根据，并进行了定量研究。通过研究，安培于1820年12月4日向科学院提交了一篇论文，提出计算两个电流线元间作用力的公式──安培定律的表达式。到1821年初，安培又进一步提出磁性起源的假说，这就是历史上有名的分子电流假说。

汉斯·克里斯蒂安·奥斯特

之后，安培发现的载流导体间的相互作用，仅在奥斯特发现电流磁效应后的第七天。新的发现的浪潮冲击着整个欧洲。法拉第在新的发现面前，又重做了已有的实验，并提出新的研究课题──既然电可以产生磁，为什么磁不可以产生电呢？于是，他开始了磁生电的研究。经过10年的艰苦努力，在大量实验的基础上，他终于发现了电磁感应现象以及其所遵循的规律。

安德烈·玛丽·安培

电磁感应现象的发现是具有划时代意义的。法拉第把电与磁长期分立的两种现象最后联结在一起，揭露出电与磁本质的联系，并找到了机械能与电能之间的转化方法。这样，在理论上，为建立电磁场的理论体系打下了基础；在实践上，开创了电气化时代的新纪元。

通电导体在磁场中运动

法拉第发现电磁感应现象之后，对法国科学家阿拉果所做的被称之为“神秘”的实验进行了解释，即悬挂着的磁体下方放一个可自由转动的圆铜盘，当盘转动时，磁体会转动；反之，磁体转动时铜盘也会转动。法拉第提出磁感线（磁力线）的概念，并第一次绘制了磁感线图。他认为磁感线是代表实在的物质实体；每根磁感线都对应一对磁极。后来又把有磁感线的空间称为“场”。麦克斯韦是英国著名的物理学家，他发展了法拉第的“力线─场”的思想，并把它数学化，提出了描述电磁场运动规律的方程组，并预言了电磁波的存在。

迈克尔·法拉第

德国物理学家赫兹通过实验，令人信服地证明了电磁波的存在。这不仅验证了麦克斯韦电磁场理论的正确性，也为无线电技术的建立与发展奠定了基础。

1905年，爱因斯坦建立了狭义相对论，第一次把两种自然力——电力与磁力——统一起来。近代，随着电子计算机的发明，新的磁性材料不断涌现出来。人类的科学技术及物质生产活动与电与磁已密不可分，但对磁的探索还是永无止境。随着新的磁现象的发现，磁的更深刻本质的揭露，为磁的广泛应用开辟了一个新的局面。