​「发明创造的故事」（19）-指南针的发明

「发明创造的故事」（19）-指南针的发明

指南针的发明

在发明指南针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。

一、磁现象的发现

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，俗称其为“吸铁石”（主要成分是四氧化三铁）。这种石头可以魔术般地吸起小块的铁片，而且在随意摆动后总是指向同一方向。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。

现在我们都知道，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。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。

二、指南针的始祖——司南

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。

司南

但司南也有许多缺陷，天然磁石不易找到，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。

三、制作指南针的两种方法

1.地磁法

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。当时以此作为一种游戏。

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。”

指南鱼

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。

2.摩擦法

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，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。

四、人造磁铁

经过千百年的发展，今天磁铁已成为我们生活中的强力材料。通过合成不同材料的合金可以达到与吸铁石相同的效果，而且还可以提高磁力。

制造磁铁，首先就是浇铸成型。把铜、硫磺、镍、铁、铝以及钛金属等放入电磁火炉，加热至1600℃以上，让所有的金属全部融化成液体之后，将液体倒入模具当中，从而造就磁铁的大概形状，然而这个时候的磁铁，并没有任何的磁性！

第二步，让磁铁有磁性。将磁铁绑在铜管上放入更大的管中，把铜管放在中间位置，四周紧密堆满矽砂，用混泥土封住两端，露出铜管两端。放入火炉内加热700℃后取出，用夹钳固定住铜管两端，通低压高电荷电流，然后取出金属件，这步已让金属件轻微磁化，正确建立了磁场方向。

通过交流电，用高压电充电，这个时候由于磁铁当中的电子会有跟着电流从正极慢慢流向负极，从而导致两侧的电子发生一定的转换效率，也正是因为这样，这步完成之后，磁铁就拥有了磁性。

作成磁针形状便成指南针了。

指南针