我国古代有关磁学的知识

我国古代关于磁学的知识相当丰富。古籍中记载了很多有关磁学的其他知识。远在二千多年前，我国古代劳动人民就开始同磁打交道。我们祖先对磁的认识，最初是从冶铁业开始的。劳动人民在寻找铁矿的过程中，必然会遇到磁铁矿，就是磁石（主要成分是四氧化三铁）。我国古籍中关于磁石的最早记载，是在《管子·地教篇》中：“上有慈石者，下有铜金。”人们在同磁石不断接触中，逐渐了解到它的某些特性，并且利用这些特性来为人类服务。

关于磁石的吸铁性

磁石有一个区别于别种矿石的显而易见的特性，就是它的吸铁性。磁石吸铁性的发现年代很早，它同静电学里的“琥珀拾芥”现象一起，通常被古代人联系起来比喻事物的本性。由于磁石具有吸铁的特性，因此它也容易被人们发现。古代人把磁石的这种特性比喻做母子相恋，认为“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子；石之不慈者，亦不能引也。”（《吕氏春秋·季秋纪·精通篇》高诱注）因此，汉初以前，都是把“磁石”写成“慈石”。《淮南子·说山训》和《览冥训》中还提到“慈石能引铁，及其于铜则不行也”， “而求其引瓦则难矣”。

从现代物理学知识知道，磁石之所以能够吸铁，是由于铁的导磁系数远远比一大。铁被磁石的磁场作用后，会感应出很大的附加磁场，也就是说铁本身也成为一个强磁体，因而能被磁石吸引。而铜、金等大多数的金属和非金属，都是一般的弱磁性物体，它们的导磁系数都十分接近于一（略大于或小于一），因此这些物体不能被磁石吸引。对于这一问题，宋代的陈显微和俞琰曾经作了探讨，认为磁石所以吸铁，是有它们本身内部的原因，是由铁和磁石之间内在的“气”的联系决定的（“神与气合”，“皆阴阳相感，隔碍相通之理”）。明末的刘献廷（1648—1695）在他的《广阳杂记》一书中也认为磁石吸铁是由于它们之间具有“隔碍潜通”的特性。刘献廷还在他的书中记述了磁屏蔽现象：“或问余曰：‘磁石吸铁，何物可以隔之？’ 犹子阿孺曰：‘惟铁可以隔之耳’”。刘献廷并且把铁的这种磁屏蔽作用理解为“自然之理”。这种力图用自然界本身来解释自然现象的观点是唯物主义的。考虑到当时的科学水平，也只能作出这样解释。

我国古代还把磁石吸铁性应用于生产上。清朱琰著的《匋说》记有古代烧白瓷器的时候，用磁石过滤釉水中的铁屑，因为素瓷如果沾有铁屑，烧成后就会有黑斑。在制药的过程中，由于铁制的杵臼往往会有碎屑混在药里，人们也往往用磁石吸去杵头的铁屑。磁石也应用于医疗上，明代李时珍的《本草纲目》记载到宋代的人就用磁石吸铁作用来进行某种外科手术，如在眼里或口里吸取某些细小的铁质异物。到了现代，已经发展为一种专门的磁性疗法，对关节炎等疾病显示出良好的疗效。

人工磁化法和有关地磁学的初步知识我国古籍中有关人工磁化法的记载，基本上有两种。

一种是如沈括所说的用天然磁石磨擦钢针的的方法。从现代观点来看，这种方法实际上就是以天然磁石的磁场的作用，使钢针内部的单元小磁体—

—“磁畴”由杂乱排列变为规则排列，从而使钢针显示出磁性来。之所以用钢针，是因为钢的剩磁力强，可以成为永磁体。

另一种方法是利用地球磁场的作用使钢针磁化。《武经总要》193 所记载的指南鱼就属于这一种。“鱼法以薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，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。”从现在知识看，把铁叶鱼烧红是为了让铁鱼内部的分子动能增加，从而使分子磁畴从原先的固定状态变为运动状态。然后使烧红的铁叶鱼沿着地球磁场方向放置，为的是通过强大的地磁场迫使运动着的分子磁畴顺着地球磁场方向重新排列（由无规则排列到规则排列），这时铁鱼就被磁化了。最后由于我国地处地球的北半部，地磁场的方向应是北端向下，因此“蘸水盆中，没尾数分则止”，就是令铁叶鱼“正对子位”的鱼尾略为向下倾斜，使它在更大程度上被磁比。蘸入水中是为了使它迅速冷却，把分子磁畴的规则排列固定下来，同时也是淬火过程。最后“以密器收之”，可能是把指南鱼放在天然磁石旁边，以形成闭合磁路，让它保持磁化或继续磁化。这种磁化法完全是凭经验得来的，但是它是磁学和地磁学发展的重要一环，比欧洲用同样磁化方法早了四百多年。

我国关于地球磁场可以磁化铁物的记载，还见于明代的一些著作中，如方以智的《物理小识》卷八《指南说》的注中引滕揖的话：“铁条长而均者，悬之亦指南。”李豫亨的《青乌绪言》中也记有堪舆家悬铁条使它指向的方法：“近遇地师汪弄丸者，始知以铁杖不拘巨细，系绳悬之，以手击之旋，旋定必指南，即罗经法也，余试之良然。”

磁偏角、磁倾角（地球磁场和水平面的夹角）和地磁场的水平分量（或地磁场的强度）称作“地磁三要素”。欧洲人对磁偏角的发现是在哥伦布海上探险途中的 1492 年，磁倾角的发现还要晚一些。而我国对磁偏角、磁倾角的发现都要早得多。

《武经总要》所记述的制指南鱼法，是包含有一定的地磁学知识的。甚至有关磁倾角的知识也反映在这种磁化法中。既然指南鱼在磁化过程中要北端（尾部）向下倾斜，这就隐含着当时的人们已经意识到有个倾角的存在。北宋司天监杨维德于仁宗庆历元年（公元 1041 年）撰成的相墓书《茔

原总录》说：“客主的取，宜匡四正以无差。当取丙午针，于其正处，中而格之，取方直之正也。”之所以“取丙午针”，就是由于磁针存在偏角的缘故。也就是说当磁针处于“丙午”方向时，方向盘的“午”才是地理的正南向。这是至今所发现的有关磁偏角的最早文献记载。

沈括在记述用天然磁石磨擦钢针可以指南的时候指出：“然常微偏东，不全南也。”沈括在这里说的是“常微偏东”，而不是必微偏东。他在说到悬挂磁针的时候，也是说“针常指南”。稍后一些的寇宗奭，在他编的《本草衍义》中收录了沈括的话，但他去掉“微”字，而保留“常”字，写成“常偏东”，“常指南”、“常偏丙位”等等，足见沈、寇二人对“常”字不是随便用的。从后来的地磁学发展知道，磁偏角是随地点的变化而变化的，而同一地点的磁偏角大小又随时间的推移而不断改变。这些变化是由于地磁极不断变动所致。沈括在《梦溪笔谈》里之所以记为“常微偏东”，可能是由于他观察磁针指南是在一个比较长的时间里，同时也由于他观察磁针是在随身携带在各个不同的地点上，因此他所得到的各个偏角值大小不一样，多数

是偏东的，但是也不完全是这样。欧洲人首次发现磁偏角随地点变化是在哥伦布由西班牙航往美洲的途中；而发现同一地点的磁偏角随时间变化是在1634 年。这些发现都是比较具体而详细的。而沈括的记述却很笼统，但是我们可以认为，磁偏角是在不断变化的这一现象，在《梦溪笔谈》里就有所反映。

到了南宋，磁偏角因地而异的情况有了更明确的记载，并且被应用到堪舆罗盘上，如前面已经提到的曾三异，他在《同话录》中说：“天地南北之正，当用子午。或谓今江南地偏，难用子午之正，故以丙壬参之。”这就是说，在地磁子午线和地理子午线一致的地方，用子午正针就可以了；而在我国东部沿海一带，地磁子午线和地理子午线有一夹角，就要参用丙壬缝针。到元明清时期，堪舆罗盘也都设有缝针，而且不同时期、不同地域所制

的罗经盘的缝针方位也都不一致。这可以看成是我国古代关于偏角因时、地而变化的原始记录。

从上面的介绍可以看出，我国古代关于磁学和地磁学的知识是相当丰富的，而指南针的发明，尤其是指南针在航海中的应用，更开世界磁性导航的先河。我国古代劳动人民以自己的辛劳和智慧为人类古代文明做出了巨大的贡献。