【指南针的发明】
古代民间常用薄铁叶剪裁成鱼形,鱼的腹部略下凹,像一只小船,磁化后浮在水面,就能指南北.当时以此做为一种游戏.东晋的崔豹在《古今注》中曾提到这种“指南鱼”.
北宋时,曾公亮在《武经总要》载有制作和使用指南鱼的的方法：“用薄铁叶剪裁,长二寸,阔五分,首尾锐如鱼型,置炭火中烧之,侯通赤,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.人工磁化方法的发明,对指南针的应用和发展起了巨大的作用.在磁学和地磁学的发展史上也是一件大事.北宋的沈括在《梦溪笔谈》中提到另一种人工磁化的方法：“方家以磁石摩针锋,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,摩擦法的发明不但世界最早,而且为有实用价值的磁指向器的出现,创造了条件.
《梦溪笔谈》是沈括(1031—1095年)所著的有关我国古代科学技术的著作,书中谈到磁学和指南针的一些问题.他在《梦溪笔谈》的补笔谈中谈到了摩擦法磁化时产生的各种现象：“以磁石摩针锋,则锐处常指南,亦有指北者,恐石性亦不……,南北相反,理应有异,未深考耳.”这是说,用磁石去摩擦缝衣针后,针锋有时指南,也有时指北.从现在的观点来看,磁石都有N和S两个极,磁化时缝衣针针锋的方位不同,则磁化后的指向也就不同.但沈括并不知道这个道理,他真实的记录了这个现象并坦白承认自己没有做深入思考.以期望后人能进一步探讨.
关于磁针的装置方法,沈括介绍了四种方法：
1.水浮法——将磁针上穿几根灯心草浮在水面,就可以指示方向.
2.碗唇旋定法——将磁针搁在碗口边缘,磁针可以旋转,指示方向.
3.指甲旋定法——把磁针搁在手指甲上面由于指甲面光滑,磁针可以旋转自如,指示方向.
4.缕悬法——在磁针中部涂一些蜡,粘一根蚕丝,挂在没有风的地方,就可以指示方向了.
沈括还对四种方法做了比较,他指出,水浮法的最大缺点,水面容易晃动影响测量结果.碗唇旋定法和指甲旋定法,由于摩擦力小,转动很灵活,但容易掉落.沈括比较推重的是缕悬法,他认为这是比较理想而又切实可行的方法.事实上沈括指出的四种方法已经归纳了迄今为止指南针装置的两大体系——水针和旱针.
南宋陈元靓在《事林广记》中介绍了另一类指南鱼和指南龟的制作方法.这种指南鱼与《武经总要》一书记载的不一样,是用木头刻成鱼形,有手指那么大,木鱼腹中置入一块天然磁铁,磁铁的S极指向鱼头,用蜡封好后,从鱼口插入一根针,就成为指南鱼.将其浮于水面,鱼头指南,这也是水针的一类.
指南龟是当时流行的一种新装置,将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内,在木龟腹下方挖一光滑的小孔,对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上,这样木龟就被放置在一个固定的、可以自由旋转的支点上了.由于支点处摩擦力很小,木龟可以自由转动指南.当时它并没有用于航海指向,而用于幻术.但是这就是后来出现的旱罗盘的先声.
指南龟发明年代不晚于1325年.木块刻成龟型,龟腹部中心嵌以磁体,木龟安放在尖状立拄上,静止时首尾分指南北.
