指南针与地磁,指南针磁化的正确方法

文｜郭晔旻

另一种名称类似的“指南鱼”，却是货真价实的“指南针”前身。它的出现，其实是古人对磁学认识深化后水到渠成的结果。在长期的历史实践中，当古人意识到天然磁石是多么不可靠时，自然就开始寻找它的替代品——人工磁铁。三国魏人管辂所著的《管氏地理指蒙》中明确提到将铁针磁化后可指南北。不过，后人考证该书实为唐人伪作，实际写作年代在公元9世纪至10世纪期间。也就是说，最迟在晚唐年间，中国人懂得了如何进行人工磁化了。

北宋庆历四年（1044）成书的《武经总要》里，就记载了利用人工磁化的办法制作“指南鱼”的办法。这其实是一本当时的“军事大全”。按其说法，在“夜色暝黑，又不能辨方向”的情况下，“指南鱼”就可以派上用场，“以辨所向”了。

“指南鱼”究竟是怎么回事呢？首先，要把薄铁片做成鱼状，并将其置炭火中加热至通红。接下来，用铁钳夹住鱼头出火，将其尾对着北方。在这样的位置时将其放入水盆中淬火，使尾浸入水中数分，然后取出，收藏在密闭的容器里。如此就大功告成了。使用时，用一小碗盛水，放在无风处。把鱼尽可能平放在水面，使其浮于水面，鱼头就会朝南。

从现代的物理学眼光看，这就是一种利用强大地球磁场的作用来使铁片磁化的方法。正如水烧开后会改变形态变成蒸汽一样，当磁铁被加热到“居里点（770℃）”后，铁磁体由于内部分子剧烈热运动的影响会褪去磁性。同样，正如蒸汽在冷却过程中又能重新冷凝成水那样，高温的铁冷却到“居里点”以下时，只要在冷却时位于南北方向，它就能从地球本身的磁场作用中获得微弱的磁性，令鱼头总是指向南方。

这是世界上最早利用地磁磁化“指南针”的记载。但这种人工磁化法所获得的磁性仍不够强，实用价值也不大，然而人工磁化这一方法本身，就是磁学史和地磁学史的一件大事。沈括在稍后的《梦溪笔谈》（1086年）里记载了另一种更加先进的人工磁化方法：“方家以磁石摩针锋，则能指南。”这是因为在钢针内部本来就存在着一个一个小单元磁体，称之为“磁畴”。但由于这些磁畴排列杂乱无章，所以相互之间都把磁性抵消了，使得钢针总体上就不具备磁性了。钢针受到磁石的摩擦后，受到磁石磁场的强烈影响，这样原来杂乱无章排列的小磁畴就像听话的小学生一样变得有规律的排列，其磁南极和磁北极都各自指向相同的方向，最终这根钢针就变成了磁针——指南针。由于这种人工磁化的方法既简便又有效，具有较高的实用价值。于是，在19世纪现代电磁铁出现之前，几乎所有的“指南针”都是以类似的“人工磁化法”制成的。

值得注意的是，沈括在记述了“指南针”的制法以后紧接着就写道，指南针的指向“常微偏东，不全南也”。这是不是说明古人发明的指南针功能不够完善呢？真相恰恰与之相反。从磁学角度看，针状磁体比琢磨而成的勺状天然磁石或是铁片制作的指南鱼在形状上都更加合理，因为其内部磁畴排列更规则而均匀，其指极灵敏度也随之增加，所以才能发现指示方位的偏移。

今天的物理学知识告诉我们，地球磁场的方向与地理方向有着微小的偏差，比如地磁北极与地理北极相距将近2000公里。地理北极与地磁北极之间的角度差称为“磁偏角”。由于磁偏角的存在，“指南针”的指向的确略微偏离了正南方向。沈括在《梦溪笔谈》里所记录的，正是关于“磁偏角”的认识。在这方面，中国人又一次走在了全世界的最前面。西方据说直到1492年意大利人哥伦布在横渡大西洋的航行中才观察到磁偏角现象，比沈括晚了四百多年。

沈括不愧为那个时代的伟大科学家，他在《梦溪笔谈》里还总结了四种放置指南针的方法。第一种叫“水浮法”，把几小段灯草穿在带磁的钢针上，使磁针可以浮在水面，和指南鱼起同样作用而实用性更强，其缺点是水面常会动荡，磁针所指不准。第二种叫“指甲旋定法”，第三种叫“碗唇旋定法”，就是把磁针放在手指甲上或放在碗边上。宋时的碗与今日使用的碗不同，碗唇较厚，比较适合放置指南针，但手指甲和碗边都比较光滑，磁针很容易滑落，应用起来不太方便。第四种叫“缕旋法”。即用蜡把线的一端粘在针腰，挂在无风处，这种方法不怕震动，磁针也不会滑落。尽管各有千秋，这些方法比起当年王充所说的“司南之杓，投之于地”，无疑都要进步得多了。

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指南鱼、指南针是原理是什么？

我国古代人民很早就掌握了人工磁化的方法，并制成人工磁体——指南鱼、指南针等。
北宋时，曾公亮在《武经总要》中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，……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。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，比欧洲同样磁化方法的使用早了四百多年。
北宋的沈括在《梦溪笔谈》中提到另一种人工磁化的方法：“方家以磁石磨针锋，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。摩擦法的发明不但是世界最早的，而且为有实用价值的磁指向器的出现创造了条件。直到19世纪现代电磁铁出现以前，几乎所有的指南针都是采用这种人工磁化法制成的。北宋时期的指南针已发展成一种更加简便、更有实用价值的指向仪器，以后各种名目繁多的磁性指向仪器，就都是以这种磁针为主体，只是磁针的形状和装置法有所变化罢了。
上述两种人工磁化技术，是我国和世界上有文字记载的最早的人工磁化技术，在磁学和地磁学的发展史上是一个飞跃。它们的发明，尤其是利用天然磁石摩擦钢针显示磁性的方法，对指南针的应用和发展起了巨大的作用，直到19世纪现代电磁体出现以前，几乎所有的指南针都是采用这种方法制成的。

指南针的发展过程.

先秦时代的中国劳动人民已经积累了对磁现象的认识，在探寻铁矿的时候，常常遇到磁铁矿，即磁石（主要成分是四氧化三铁——化学式Fe3O4，别名氧化铁黑、磁铁、吸铁石，为具有磁性的黑色晶体，故又称为磁性氧化铁）。

古人把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为：“石是铁的母亲，但石有慈和不慈两种，慈爱的石头能吸引他的子女，不慈的石头就不能吸引了。”汉以前古人把磁石写成“慈石”，是慈爱石头的表达。

到了西汉，有一个名叫栾大的方士，他利用磁石的特性做了两个棋子的东西，通过调整两个棋子极性的相互位置，有时两个棋子相互吸引，有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝，并当场演示。汉武帝惊奇不已，龙心大悦，竟封栾大为“五利将军”。

扩展资料：

一、磁针的发明

指南针的发明应当是在一个很漫长的时间中，慢慢地改进的结果，而不同时期的形式，应以不同的形式出现。唐代堪舆家的活动相当活跃，并开始强调方向的选择，寻找比磁勺更方便的指向器成了当务之急。于是指南铁鱼或者蝌蚪形铁质指向器及水浮磁针应运而生。

二、磁子午线

磁子午线随一年四季的变化而变化。其一，在春分，秋分这天，磁子午线与子午线，以及地球的经线三线重合，指南针直指地球的南北方向极点，误差只有0.08°地轴偏心率，可以忽略不计。

其二，在夏至，冬至这天，磁子午线和子午线是不重合的并且偏磁角最大，最大偏差量为正负23.26°，也就是说在地球南北极附近偏磁点最大，用地球的周长除以365°角在正负23°，等于偏磁极点对应南北极点的距离(正负弧度公里)。

参考资料来源：百度百科-指南针