春秋時代,人們已經能夠將硬度5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度的天然磁石製成司南。東漢時的王充在他的著作《論衡》中對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過琢磨製成勺型,勺柄指南極,並使整個勺的重心恰好落到勺底的正中,勺置於光滑的地盤之中,地盤外方內圓,四周刻有干支四維,合成二十四向。這樣的設計是古人認真觀察了許多自然界有關磁的現象,積累了大量的知識和經驗,經過長期的研究才完成的。司南的出現是人們對磁體指極性認識的實際應用。但司南也有許多缺陷,天然磁體不易找到,在加工時容易因打擊、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,否則會因轉動摩擦阻力過大,而難於旋轉,無法達到預期的指南效果。而且司南有一定的體積和重量,攜帶很不方便,這可能是司南長期未得到廣泛應用的主要原因。
司南由青銅盤和天然磁體制成的磁勺組成,青銅盤上刻有二十四向,置磁勺於盤中心圓面上,靜止時,勺尾指向爲南。每塊磁鐵兩頭都有不同的磁極,一頭叫S極,另一頭叫N極。我們居住的地球,也是一塊天然的大磁體,在南北兩頭也有不同的磁極,靠近地球北極的是S極,靠近地球南極的是N極,也正是因爲地磁極和地理兩級不完全重合,纔出現了地磁偏角現象。我們知道,同性磁極相斥,異性磁極相吸引,所以,不管在地球表面的什麼地方,拿一根可以自由轉動的磁針,它的N極總是指向北方,S極總是指向南方。
二千多年以前,也就是春秋戰國時候,中國已經用鐵來製造農具了。勞動人民在尋找鐵礦的時候,就發現了磁鐵,並且知道它能夠吸鐵。《夢溪筆談》是沈括(1031—1095年)所著的有關中國古代科學技術的著作,書中談到磁學和指南針的一些問題。他在《夢溪筆談》的補筆談中談到了摩擦法磁化時產生的各種現象:“以磁石摩針鋒,則銳處常指南,亦有指北者,恐石性亦不……,南北相反,理應有異,未深考耳。”這是說,用磁石去摩擦縫衣針後,針鋒有時指南,也有時指北。磁石都有N和S兩個極,磁化時縫衣針針鋒的方位不同,則磁化後的指向也就不同。但沈括並不知道這個道理,他真實的記錄了這個現象並坦白承認自己沒有做深入思考。以期望後人能進一步探討。
四種方法
關於磁針的裝置方法,沈括介紹了四種方法:1.漂浮法指南針——將磁針上穿幾根燈心草浮在水面,就可以指示方向。2.碗脣旋定法指南針——將磁針擱在碗口邊緣,磁針可以旋轉,指示方向。3.指甲旋定法指南針——把磁針擱在手指甲上面由於指甲面光滑,磁針可以旋轉自如,指示方向。4.縷懸法指南針——在磁針中部塗一些蠟,粘一根蠶絲,掛在沒有風的地方,就可以指示方向了。5.支撐式指南龜——將指南針換做爲一個龜形磁石,頭指南,尾指北【與縷懸法指南針無較大差異】
指南龜是當時流行的一種新裝置,將一塊天然磁石放置在木刻龜的腹內,在木龜腹下方挖一光滑的小孔,對準並放置在直立於木板上的頂端尖滑的竹釘上,這樣木龜就被放置在一個固定的、可以自由旋轉的支點上了。由於支點處摩擦力很小,木龜可以自由轉動指南。當時它並沒有用於航海指向,而用於幻術。但是這就是後來出現的旱羅盤的先聲。
推測方位
指南龜發明年代不晚於1325年。木塊刻成龜型,龜腹部中心嵌以磁體,木龜安放在尖狀立拄上,靜止時首尾分指南北。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,可能沒有固定的方位盤,隨着測方位的需要,出現了磁針和方位盤一體的羅盤。羅盤有堪輿用的羅經盤和水羅盤、旱羅盤。
盤面周圍刻二十四方位,內中盛水,磁針橫穿燈草,浮於水面。人們已經知道地球的兩個磁極和地理的南北極只是接近,並不重合。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,這個角度就叫磁偏角。又因爲地球近似球形,所以磁針指向磁極時必向下傾斜,和水平方向有一個夾角,這個夾角稱爲磁傾角。不同地點的磁偏角和磁傾角都不相同。成書於北宋的《武經總要》在談到用地磁法制造指南針時,就注意利用了磁傾角。沈括在《夢溪筆談》談到指南針不全指南,常微偏東。指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁傾角的發現使指南針的指向更加準確。
魏晉南北朝時,中國先民對磁石的性質已有了很多認識。就連當時的詩人曹植在矯志詩中也用了“磁石引鐵,於金不連。”的句子。可見他也瞭解磁石的性質。南北朝樑代的陶弘景在《名醫別錄》中提出了磁力測量的方法,他指出:優良磁石出產在南方,磁性很強,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弱之分,而且指出了測量方法。這可能是世界上有關磁力測量的最早記載。
是因爲每塊磁石兩頭都有不同的磁極,一頭叫正極,另一頭叫負極。人類居住的地球也是一塊天然大磁鐵,地球的南北兩頭也有不同的磁極,地球的北極是負磁極,地球南極爲正磁極。根據同性磁極相排斥,異性磁極相吸引的原理,拿一根可以自由轉動的磁針,無論站在地球的什麼地方,它的正極總是指北,負極總是指南。戰國時期,人們利用磁石指示南北的特性製成了指南工具──司南。但是,戰國時期的司南是什麼樣子無法考證。《中國歷史》課本插圖──“司南”,是根據中國歷史博物館展品“漢代司南模型”繪製的。這個模型是後人根據史書記載以及地下出土的漢代地盤實物製成的。