书城科普古代数学与物理学(中国文化史丛书)
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第39章 人造磁体

我国古代以人为方法制造磁体可能有三种方法,介绍如下:

磁粉胶合法

西汉《淮南万毕术》有两条记载:

“慈石提棋”。注云:“取鸡(血)磨针铁,以相和慈石、棋头置局上,自相投也。”

“慈石拒棋”。注云:“取鸡血与作针磨铁,捣之,以和慈石,用涂棋头,曝干之,置局上,即相拒不休。”

综合这两条来看,“提棋”、“自相投”,指相吸;“拒棋”、“相拒不休”,当指相斥。在西汉之前,只发现磁石的吸铁性质,这里记载了磁体的相斥现象,这是一个很大的进展,以磨针所得的铁粉与磁石粉末一起拌入鸡血,涂在棋子上。晾干之后,用磁石去接近它,有相吸现象是可能的。但要出现相斥,棋子必须有极性,也就成了人造磁体。就理论而言,每个磁石粉末具有极性,掺入铁屑就能大大增强磁畴。鸡血作为一种粘合剂,拌入磁粉与铁末涂在棋子上,放置在地球磁场中,慢慢晾干,凝结的过程中,每个磁与铁的小颗粒必循着地球磁力线作有规则的排列,因而可以显出极性来。但本编作者之一洪震寰做过实验,不能成功。虽然如此,还不能贸然否定它的可能性,因为除了《万毕术》之外,《史记》、《汉书》等历史典籍也都记载所谓“栾大斗棋”,据解释就是指这件事。后世也有这方面的记载,例如南宋庄绰(季裕)的《鸡肋篇》说有人搞幻术骗钱,“捣磁石错铁末,以胶涂瓢中各半边”,“二瓢……置之以去一、二尺,而跳跃相就,上下宛转不止”。明代方以智也记载过类似的事。结合起来看,古代也许确实使用磁粉胶合法制成了人造磁体。

地磁感应法

北宋初年曾公亮主编的《武经总要》(1044年成书)记载了制造“指南鱼”的方法《武经总要》指南鱼:“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。用时置水碗于无风处,平放鱼在水面令浮,其首常南向午也。”

这里叙述人造磁体的方法十分具体:把铁片加热至通红,温度升至居里点以下,铁的磁畴瓦解而成了顺磁体,铁片出炉取南北方向放置,即循着地球磁力线,突然入水冷却,温度骤降,磁畴即会作有规律的排列,显出极性。这样,形成的是一种矫顽力较高、永磁性较好的马氏体,浮在水面就能指向南北。

这里还要指出两点,第一,所谓“以密器收之”,据研究,可能是指指南鱼不用时要放在一个铁制的密闭盒中,以形成闭合磁路,避免失磁,或者顺着一定方向放在天然磁石旁边,继续磁化。第二,铁鱼入水冷却时必须取南北方向,又要“没尾数分则止”,显然是鱼形铁片取南北方向并与水平面成一角度。现在分析起来是很有道理的。因为这样使鱼更加接近地磁场方向,最大限度地利用地磁感应。可见在这里已经意识到地磁倾角的存在。在国外,发现磁倾角是在1554年。

摩擦传磁法

沈括《梦溪笔谈》云:“方家以磁石磨针锋,则能指南。”这是利用磁石的磁场,使针内磁分子循一定规则排列,从而相互加强,显出极性来。这种方法,简便易行,它的发现与推广,对于磁体的获得与应用,首先是指南针的生产、应用,起重大的作用,其价值是无可估量的。

由于对磁体性质认识的深化和人造磁体的发明,使得磁体的应用成为可能。古代对于磁体的用途是相当广泛的,除我们上面已介绍的磁指南器外,磁体也被用到军事上去,著名的例子是秦始皇用磁石建筑阿房宫的北阙门,如有身藏铁兵器的刺客经过,就能被磁力吸引。据说晋代名将马隆同身披铁甲的羌人作战,预先在小道两侧设置强大的磁石,羌人进入后,受到吸力,动作极感困难,晋军因而取胜。这些究竟是事实否,当然还要研究,至少可以当作设计思想来看。在生产上,磁体被用于制陶、制药等工艺中,以吸去掺在原料中的铁屑,保证产品的纯净洁白。磁石不但入药,而且也用在中医手术里。晋代的葛洪与宋代的何新希都提到,当小儿吞针入腹时,可用一块枣核般大的磁石磨光穿以丝线,让小儿吞下可将铁针吸出。这些都是磁体物理性质的应用。