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古代电磁学知识

[字体: ] [ 中学生科技网 | 时间:2006-07-03 01:26 ]

      我国是用文字记载电磁现象最早的国家之一。早在公元前16-15世纪,殷商时代的甲骨文字中就有“雷”字;西周时代的青铜器上发现刻有“电”字。西汉末年,《春秋纬·考异邮》中有“玳瑁吸 ”的记载,它告诉人们经过摩擦的玳瑁,能够吸引微小的物体。东汉王充已把顿牟被摩擦后可以吸引微小物体,与磁石吸引针的现象同时提出,这说明当时对这两种吸引现象引起了同样重视。在《三国志·吴书》中,曾有这样的说法:“琥珀不取腐芥,磁石不受曲针”,这就是说,腐烂的芥草不被摩擦过的琥珀吸引,比较柔软易于弯曲的金属也不被磁石吸引。这个发现说明当时已经初步可以分清哪些物质可以被吸引,哪些物质不被吸引。晋代张华曾发现用梳子梳理头发和解脱丝绸毛料衣服时的起电现象。明代的都邛在《三余赘笔》中,曾记述了一种丝绸摩擦起电现象,“吴绫出火。吴绫为裳,暗室中力持曳,以手摩之良久,火星直出。”

      号称古希腊七贤之一的泰勒斯在公元前600年左右,发现摩擦过的琥珀可以吸引轻小的干草叶。琥珀是一种矿物化的黄色树胶,在古代用于装饰,琥珀和金子一样发亮,因此当时被称为“琥珀金”,后来则称为“琥珀电”。古罗马自然哲学家普林尼(Pliny公元23~79年)曾讲了两个传说:其一是说牧羊人玛格内斯在克里特岛的艾达山上时,他的鞋被山石所吸,以至于很难行走;另一个是说,有一座沿海的磁山,它可以使驶向它的船四分五裂,原因是钉在船上的钉子,在磁山的吸引力作用下被拔掉了。这些传说证明西方古代也是很早就发现了磁现象。据说磁石这个词,是古罗马自然哲学家和诗人卢克莱修从磁铁矿的产地,小亚细亚的地名Magnesia得来的。 

      为什么会产生前面所叙述的这种吸引现象,古代人曾试图给予解释。在《论衡·乱龙篇》中这样写道:“他类有似,不能掇取者何也?气性异殊,不能相感动也。”这就是说,琥珀和磁石为什么对有些类似的东西,不能产生吸引的效果呢?是由于气性不同,不能互相感应的缘故。东晋郭璞在《山海经图赞》中也有类似的解释,其中写道:“磁石吸铁,玳瑁取芥,气有潜通,数有冥合。”西汉刘安(公元前200—122年)等人著的《淮南子》中,对雷、电作如下的解释:“电激气也”,“阴阳相薄为雷,激扬为电。”这就是说,当时把雷看做是阴阳相互作用的产物,把电则看做是激发的气。这种看法,是比较接近几百年后的近代关于电的学说的。 

      卢克莱修在他的《物的本性》长诗中,对磁石吸铁现象作了这样的解释:从磁石中发射出一种看不见的细小微粒,这种微粒通过空气进入铁中,从而引起磁石与铁的相互吸引现象的发生。宋代的陈显微在《古文参同契笺注集解》中,对磁石吸铁有过这样的解释:“磁石吸铁,皆阴阳相感,阻碍相通之理……”这就是说,磁石吸铁也是由阴阳相互感应引起的。 

      由此可见,古代对电与磁的吸引现象的产生有两种解释:一种是阴阳感应作用引起的;一种是“气”或“微粒”的作用引起的。 

      磁石吸铁现象,在指南针发明前就有各种应用的记载,如《水经注》等书中,提到秦始皇为了防备刺客行刺,就曾经用磁石建造阿房宫的北阙门,以阻止身带刀剑的刺客入内。此外医书上还谈到用磁石吸铁的作用,来治疗吞针。 

      把磁石利用在指向上,是在发现地磁场对磁石作用之后,并且经历了3个发展阶段最后制成了指南针。 

      最早指南的磁石,叫做司南,它是由磁石制成一种勺状的物体,把它放在光滑的圆盘上,勺底(球形)与盘接触,勺柄作为指向用。东汉王充在《论衡》中,对司南作了比较详细的描述。他写道:“司南之杓,投之于地,其柢指南。”这就是说,把勺状的磁石,放在刻有表示方位的铜盘上,它的柄停止在指南方向上。虽然司南只是天然磁石的利用,它的灵敏度是很低的,但是它却给人以启示:有一种地磁存在,利用磁石可以指向。 

      北宋时期,已经可以用人工的方法制造一种新的指向仪器,这就是指南鱼。它的制作过程,有个重大的突破,就是采用磁化的方法。制作过程可分为两步,第一步是使鱼形铁加热,达到700℃左右变成顺磁体;第二步再把鱼尾对正子位(北方)进行蘸水,使鱼磁化,成为一个指向仪器。

关于指南针的制造和安装方法,最早出现在北宋沈括(1035~1095年)的《梦溪笔谈》的第24卷《杂志一》中。其中对指南针的制造有这样的记载:“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。”这说明沈括不仅发现了针状的指南仪器,而且也发现地磁场的南北极与地球的南北方向并不完全一致。此外,沈括还提出了四种简单的指南仪器的结构。第一种是水浮法,就是将指南针穿在几节灯芯草上,并使它浮在水面指示方向。这就是后来常用的在远海航行中曾使用过的水浮磁针仪器。第二种是指旋法,就是将指南针放在拇指的指甲上,经适当的转动而指示方向。第三种是碗唇法,就是把磁针放在碗沿上,待磁针停稳后以指示方向。第四种方法是丝悬法,就是用芥子那样大小的一滴蜡粘接一根蚕丝,并把磁针用丝缕悬挂起来,以指示方向。这种丝悬法最接近近代的各种指示仪器的方法。对这四种方法,沈括自己有一个评价,他认为前三种方法都有明显的缺点,唯独丝悬法最好。

沈括所记载的几种方法都没有方位盘。不久磁针与方位盘结合起来,使指南针的发展进入一个新阶段。罗盘的出现为航海提供了一个可靠而方便的指向仪器。最早在我国出现了水罗盘。南宋朱继芳的航海诗中就有:“沈石寻孤屿,浮针辨四维”的诗句。后来,我国指南针传入欧洲之后,西方制成了旱罗盘,罗盘的磁针支在一个固定的钉尖上,可以自由转动,而钉盘就是刻有方位的方向盘。到了16世纪,欧洲出现了航海罗盘,这种罗盘的结构,增加了两个铜圈组成的常平架,小铜圈正好内切于大铜圈,并且由曲枢轴把它们联接起来,然后再把它们安放在一个固定支架上。

指南针的发明,不仅为航海提供了一个非常准确的指向仪器,而且也为研究地磁三要素创造了条件。

沈括在《梦溪笔谈》中记载了磁针的南北指向与地球的南北方向并不完全一致,这就是说存在着一个磁偏角。但是这个偏角多大,当时并没有进行定量的研究。美洲大陆的发现者,意大利的航海家哥伦布于1492年在海上航行时,发现罗盘上的指针并不是指向北极星,而是向西偏5~6度。在陆地上最早对磁偏角进行定量测定的,是德国天体物理学家哈特曼,他在1544年3月4日给友人的一封信中指出:“磁针指北端稍向东偏9度左右,并且还发现磁针并不保持水平,其中一端向下倾斜。”他在信中向友人表示,磁针向下方倾斜的原因还不十分清楚。

磁倾角的大小,是由罗盘制造者、英国地质学家罗伯特·诺曼测定的。他在1581年出版的《新奇的吸引力》小册子中,介绍了他实验的结果。他自制了一个简易的磁倾角测试仪,并于1576年测得伦敦的磁倾角为71°50′。他还发现悬浮在水面上的穿在软木上的磁针,尽管方向上发生偏转,但只是在原位置,并不产生移动。于是,他断定使磁针发生偏转的力,不是移动力而是一种定向力。即我们现在所说的力矩。

对地磁的另一个要素——强度的测定要稍晚些,是由法国天文学家和数学家博达于1776年利用磁针振动法测得的。

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