春秋時(shí)期，人們已經(jīng)能夠?qū)⒂捕?度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具，因此也能將硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。東漢時(shí)王充在他的著作《論衡》中對(duì)司南的形狀和用法做了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經(jīng)過(guò)琢磨制成勺形，勺柄指南極，并使整個(gè)勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置于光滑的地盤之中，地盤外方內(nèi)圓，四周刻有干支四維，合成二十四向。這樣的設(shè)計(jì)是古人認(rèn)真觀察了許多自然界有關(guān)磁的現(xiàn)象，積累了大量的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究才完成的。

　　司南的出現(xiàn)是人們對(duì)磁體極性認(rèn)識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。但司南也有許多缺陷，天然磁體不易找到，在加工時(shí)容易因打擊、受熱而失磁。所以司南的磁性比較弱，而且它與地盤接觸處要非常光滑，否則會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力過(guò)大而難于旋轉(zhuǎn)，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的指南效果。而且司南有一定的體積和重量，攜帶很不方便，這可能是司南長(zhǎng)期未得到廣泛應(yīng)用的主要原因。

　　人工磁化法發(fā)明指南魚

　　如果說(shuō)司南還只是指南針的雛形的話，那么指南魚就在形態(tài)上酷似指南針了。指南魚是古代人們用薄鐵葉剪裁成魚形，魚的腹部略下凹，像一只小船，磁化后浮在水面，就能指南北了。當(dāng)時(shí)以此作為一種游戲。東晉崔豹在《古今注》中曾提到這種指南魚。

　　北宋時(shí)，曾公亮在《武經(jīng)總要》載有制作和使用指南魚的方法：“用薄鐵葉剪裁，長(zhǎng)二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對(duì)子位，蘸水盆中，沒(méi)尾數(shù)分則止，以密器收之。用時(shí)，置水碗于無(wú)風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也�！边@是一種人工磁化的方法，它利用地球磁場(chǎng)使鐵片磁化。即把燒紅的鐵片放置在子午線的方向上，燒紅的鐵片內(nèi)部分子處于比較活躍的狀態(tài)，使鐵分子順著地球磁場(chǎng)方向排列，達(dá)到磁化的目的。鐵片蘸入水中，可把這種排列較快地固定下來(lái)，而魚尾略向下傾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的發(fā)明，對(duì)指南針的應(yīng)用和發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。

　　北宋沈括在《夢(mèng)溪筆談》中提到另一種人工磁化的方法：“方家以磁石摩針?shù)h，則能指南�！卑瓷蚶ǖ恼f(shuō)法，用磁石去摩擦縫衣針就能使針帶上磁性�？梢钥闯�，這是利用天然磁石的磁場(chǎng)作用，使鋼針內(nèi)部磁疇的排列趨于某一方向，從而使鋼針顯示出磁性。這種方法比制作指南魚簡(jiǎn)單多了，而且磁化效果也好。中國(guó)人摩擦式人工磁化的發(fā)明不但是世界最早，而且為有實(shí)用價(jià)值的磁指向器的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

　　南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類指南魚和指南龜?shù)闹谱鞣椒ā＿@種指南魚與《武經(jīng)總要》一書記載的不一樣，是用木頭刻成魚形，有手指那么大，木魚腹中置入一塊天然磁鐵，磁鐵的S極指向魚頭，用蠟封好后，從魚口插入一根針，就成為指南魚。將其浮于水面，魚頭指南，這也是水針的一類。

　　指南龜是當(dāng)時(shí)流行的一種新裝置，將一塊天然磁石放置在木刻龜?shù)母箖?nèi)，在木龜腹下方挖一光滑的小孔，對(duì)準(zhǔn)并放置在直立于木板上的頂端尖滑的竹釘上，這樣木龜就被放置在一個(gè)固定的、可以自由旋轉(zhuǎn)的支點(diǎn)上了。由于支點(diǎn)處摩擦力很小，木龜可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)指南。遺憾的是當(dāng)時(shí)指南龜并沒(méi)有用于航海指向，而用于幻術(shù)。指南龜發(fā)明年代不晚于1325年。

　　南宋時(shí)已知存在磁偏角

　　要確定方向除了指南針之外，還需要有方位盤相配合。最初使用指南針時(shí)，可能沒(méi)有固定的方位盤，隨著測(cè)方位的需要，出現(xiàn)了磁針和方位盤一體的羅盤，這樣一來(lái)只要看一看磁針在方位盤上的位置，就能斷定出方位來(lái)。

　　地球的兩個(gè)磁極和地理的南北極只是接近，并不重合，磁針指向的是地球磁極而不是地理的南北極，這樣磁針指的就不是正南、正北方向而略有偏差，這個(gè)角度就叫磁偏角。因?yàn)榈厍蚪魄蛐危源裴樦赶虼艠O時(shí)必向下傾斜，和水平方向有一個(gè)夾角，這個(gè)夾角稱為磁傾角。不同地點(diǎn)的磁偏角和磁傾角都不相同。

　　南宋時(shí)，曾三異在《因話錄》中記載了有關(guān)這方面的知識(shí)：“地螺或有子午正針，或用子午丙壬間縫針�！边@是有關(guān)羅經(jīng)盤最早的文獻(xiàn)記載。文獻(xiàn)中所說(shuō)的“地螺”，就是羅經(jīng)盤。文獻(xiàn)中已經(jīng)把磁偏角的知識(shí)應(yīng)用到羅盤上，這種羅盤不僅有子午針（確定地磁場(chǎng)南北極方向的磁針），還有子午丙壬間縫針（用日影確定的地理南北極方向），這兩個(gè)方向之間的夾角，就是磁偏角。成書于北宋的《武經(jīng)總要》在談到用地磁法制造指南針時(shí)注意利用了磁傾角。沈括在《夢(mèng)溪筆談》談到指南針不全指南，常微偏東，也指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁傾角的發(fā)現(xiàn)使指南針的指向更加準(zhǔn)確。

　　古代先民在對(duì)磁現(xiàn)象的觀察和研究過(guò)程中，進(jìn)一步了解了磁的性質(zhì)，并試圖更多地應(yīng)用這些性質(zhì)�！稌x書·馬隆傳》記載，馬隆率兵西進(jìn)甘、陜一帶，在敵人必經(jīng)的狹窄道路兩旁堆放磁石。穿著鐵甲的敵兵路過(guò)時(shí)，被牢牢吸住，不能動(dòng)彈。馬隆的士兵穿犀甲，磁石對(duì)他們沒(méi)有什么作用，可自由行動(dòng)。敵人以為神兵，不戰(zhàn)而退。東漢的《異物志》記載了在南海諸島周圍有一些暗礁淺灘含有磁石，磁石經(jīng)常把“以鐵葉錮之”的船吸住，使其難以脫身。

　　魏晉南北朝時(shí)，我國(guó)先民對(duì)磁石有了更多認(rèn)識(shí)。就連詩(shī)人曹植在《矯志詩(shī)》中也用了“磁石引鐵，于金不連”的句子，可見(jiàn)他也了解磁石的特性。南北朝梁代陶弘景在《名醫(yī)別錄》中提出了磁力測(cè)量的方法，他指出：優(yōu)良磁石出產(chǎn)在南方，磁性很強(qiáng)，能吸引三四根鐵針，使幾根針首尾相連掛在磁石上。磁性更強(qiáng)的磁石，能吸引十多根鐵針，甚至能吸住一二斤刀器。陶弘景不僅提出了磁性有強(qiáng)弱之分，而且指出了測(cè)量方法。這可能是世界上有關(guān)磁力測(cè)量的最早記載。

　　指南針航海始于宋代

　　指南針在我國(guó)古代主要被用于相宅相墓，同時(shí)也被用于航海，后者對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮了巨大作用，因而指南針才得以躋身我國(guó)古代四大發(fā)明行列。指南針在航海上的應(yīng)用有一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程。成書年代略晚于《夢(mèng)溪筆談》的《萍洲可談》中記有：“舟師識(shí)地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦則觀指南針。”這是世界航海史上最早使用指南針的記載。文中指出，當(dāng)時(shí)只在日月星辰見(jiàn)不到的時(shí)候才使用指南針，可見(jiàn)指南針剛開(kāi)始使用時(shí)，人們使用還不熟練。

　　其后，許兢的《宣和奉使高麗圖經(jīng)》也有類似的記載：“惟視星斗前邁，若晦冥則用指南浮針，以揆南北�！蹦纤胃＝肥胁八�(當(dāng)時(shí)管理對(duì)外貿(mào)易的政府機(jī)關(guān))提舉趙汝適在所著《諸蕃志》中也提到：“舟舶來(lái)往，惟以指南針為則，晝夜守視惟謹(jǐn)，毫厘之差，勝似系焉”。之后，類似的文獻(xiàn)層出不窮，這表明在航海活動(dòng)中，指南針普及得相當(dāng)快。

　　到了元代，指南針一躍而成海上指航的最重要的儀器，不論晝夜晴陰都用指南針導(dǎo)航了。而且人們還編制出使用羅盤導(dǎo)航，在不同航行地點(diǎn)指南針針位的連線圖，叫做“針路”。船行到某處，采用何針位方向，一路航線都一一標(biāo)識(shí)明白，作為航行的依據(jù)。這一發(fā)明后來(lái)經(jīng)阿拉伯傳入歐洲，對(duì)歐洲的航海業(yè)乃至整個(gè)人類社會(huì)的文明進(jìn)程，都產(chǎn)生了巨大影響。

　　延伸閱讀

　　電磁鐵的發(fā)明

　　19世紀(jì)，經(jīng)典電磁學(xué)理論告訴我們，運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，天然磁鐵的磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)則可以驅(qū)動(dòng)電荷。這個(gè)發(fā)現(xiàn)足以讓大量的鐵，自然界最常見(jiàn)的磁性物質(zhì)，成為馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和變壓器這類關(guān)鍵電力技術(shù)的核心，磁芯在這些設(shè)備中存儲(chǔ)能量，將機(jī)械功和電流相互轉(zhuǎn)化。

　　早在1820年，丹麥的奧斯特就發(fā)現(xiàn)了這一原理。1822年，法國(guó)物理學(xué)家阿拉戈和呂薩克也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流通過(guò)其中有鐵塊的繞線時(shí)，它能使繞線中的鐵塊磁化。這實(shí)際上是電磁鐵原理的最初發(fā)現(xiàn)。1823年，英國(guó)人斯特金也做了一次類似的實(shí)驗(yàn)：他在一根并非是磁鐵棒的U形鐵棒上繞了18圈銅裸線，當(dāng)銅線與伏打電池接通時(shí)，繞在U形鐵棒上的銅線圈即產(chǎn)生了密集的磁場(chǎng)，這樣就使U形鐵棒變成了一塊“電磁鐵”。

　　這種電磁鐵上的磁能要比永磁能大許多倍，它能吸起比它重20倍的鐵塊，而當(dāng)電源切斷后，U形鐵棒就什么鐵塊也吸不住，重新成為一根普通的鐵棒。斯特金的電磁鐵發(fā)明，使人們看到了把電能轉(zhuǎn)化為磁能的光明前景，這一發(fā)明很快在英國(guó)、美國(guó)以及西歐一些國(guó)家傳播開(kāi)來(lái)。

　　1829年，美國(guó)電學(xué)家亨利對(duì)斯特金電磁鐵裝置進(jìn)行了一些革新，用磁電絕緣導(dǎo)線代替裸銅導(dǎo)線，因此不必?fù)?dān)心被銅導(dǎo)線過(guò)分靠近而短路。由于導(dǎo)線有了絕緣層，就可以將它們一圈圈地緊緊地繞在一起，由于線圈越密集，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越強(qiáng)，這樣就大大提高了把電能轉(zhuǎn)化為磁能的能力。到了1831年，亨利試制出了一塊更新的電磁鐵，雖然它的體積并不大，但卻能吸起1噸重的鐵塊。

　　大千世界

　　稀土引發(fā)磁場(chǎng)“革命”

　　磁鐵只是一個(gè)通稱,是泛指具有磁性的東西,實(shí)際的成分不一定包含鐵。較純的金屬態(tài)的鐵本身沒(méi)有永久磁性，只有靠近永久磁鐵才會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生磁性。一般的永久磁鐵里面加了其他雜質(zhì)元素（例如碳）來(lái)使磁性穩(wěn)定下來(lái)，但是這樣會(huì)使電子的自由性降低而不易導(dǎo)電。鐵是常見(jiàn)的帶磁性元素，但是許多其他元素具有更強(qiáng)的磁性。

　　制造更優(yōu)良磁鐵很大程度上都依賴于冶金學(xué)家的黑暗魔法：混合各種可能的元素，然后放入磁場(chǎng)，看命運(yùn)之輪會(huì)如何變化。這種神農(nóng)嘗百草的方法一直屢試不爽。上世紀(jì)30年代合成的鋁-鈷-鎳磁鐵，能量密度就是最好的鐵氧體磁鐵的兩倍。但真正的突破還是以上世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)鑭系元素或者叫稀土元素的磁性潛力為開(kāi)端的。這些元素在元素周期表上總是獨(dú)立成區(qū)，無(wú)一例外都能貢獻(xiàn)大量自旋相互平行織連成片的電子。用鈷和稀土元素釤的混合物做出的磁鐵，儲(chǔ)能甚至比鋁-鈷-鎳磁鐵還要高一倍。

　　磁鐵中最大的明星還要屬由稀土元素釹加上鐵和硼制成的磁鐵。在上世紀(jì)90年代之前，這些釹系磁鐵得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以至于指甲蓋那么大一塊磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，比整個(gè)地球鐵質(zhì)核心的磁場(chǎng)還要強(qiáng)數(shù)千倍。室溫下，釹磁鐵是我們目前所知的最強(qiáng)磁鐵。

　　最終，這帶來(lái)了一場(chǎng)磁場(chǎng)革命。從汽車中的動(dòng)力輸送，到讓硬盤、CD和DVD盤片高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)；從揚(yáng)聲器和耳機(jī)中將電流脈沖轉(zhuǎn)換成聲響的振膜，到醫(yī)學(xué)磁共振成像（MRI）中所需的超高密度磁場(chǎng)——但凡需要用最小體積產(chǎn)生最大磁場(chǎng)的地方，都會(huì)閃現(xiàn)出釹磁的身影。（果殼）

　　有此一說(shuō)

　　四種方法自制指南針

　　《夢(mèng)溪筆談》是沈括所著的有關(guān)我國(guó)古代科學(xué)技術(shù)的著作，書中談到磁學(xué)和指南針的一些問(wèn)題。關(guān)于磁針的裝置方法，沈括介紹了四種：

　　1.水浮法——將磁針上穿幾根燈芯草浮在水面，就可以指示方向。

　　2.碗唇旋定法——將磁針擱在碗口邊緣，磁針可以旋轉(zhuǎn)，指示方向。

　　3.指甲旋定法——把磁針擱在手指甲上面，由于指甲面光滑，磁針可以旋轉(zhuǎn)自如，指示方向。

　　4.縷懸法——在磁針中部涂一些蠟，粘一根蠶絲，掛在沒(méi)有風(fēng)的地方，就可以指示方向了。

　　沈括還對(duì)這四種方法做了比較，水浮法的最大缺點(diǎn)是水面容易晃動(dòng)影響測(cè)量結(jié)果。碗唇旋定法和指甲旋定法，由于摩擦力小，轉(zhuǎn)動(dòng)很靈活，但容易掉落。沈括比較推崇的是縷懸法，他認(rèn)為這是比較理想而又切實(shí)可行的方法。事實(shí)上沈括指出的四種方法已經(jīng)歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系——水針和旱針。