原標題：磁鐵 從司南到超級儲能王
指南針的始祖——司南
指南龜
縷懸法指南針
水浮法指南針
仿製的指南車
磁偏角示意圖
羅盤與航海關係極為密切
大力士電磁鐵
強大的釹磁
中國人最早發現磁鐵的神奇，並用其製作了指南針的前身——司南。現在的磁鐵已經成為馬達、發電機和變壓器這類關鍵電力技術必不可少的組成部分，特別是稀土的加入，讓磁鐵成為超級儲能王。
漢朝之前磁石稱「慈石」
每塊磁鐵兩頭都有不同的磁極，一頭S極，另一頭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。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。
已知最早記載磁鐵及其性質的文獻是在二千五百年前，來自希臘、印度及中國的文獻。古羅馬作家老普林尼在《博物志》裡就已記載天然磁石及其可以吸鐵的特性。中國文獻對天然磁石吸鐵的描述在《管子》、《呂氏春秋》和《淮南子》中有所提及，被稱為「慈石」。
兩千多年前，也就是春秋戰國時期，中國人已經用鐵來製造農具了。勞動人民在尋找鐵礦的時候，就發現了磁石（主要成分是四氧化三鐵），並且知道它能夠吸鐵。戰國時期《管子·地數篇》最早記載了這些發現：「上有慈石者，其下有銅金。」「銅金」即指一種鐵礦。
其他古籍如《山海經》中也有類似的記載。磁石的吸鐵特性很早就被人們發現，《呂氏春秋》九卷精通篇就有：「慈招鐵，或引之也。」那時的人稱「磁」為「慈」，他們把磁石吸引鐵看作慈母對子女的吸引。並認為：石是鐵的母親，但石有慈和不慈兩種，慈愛的石頭能吸引它的子女，不慈的石頭就不能吸引了。
據說秦始皇統一六國後，在鹹陽附近修阿房宮，宮中有一座門是用磁石做成，如果有人身穿盔甲，暗藏兵器，入宮行刺，就會被磁石門吸住。
既然磁石能吸引鐵，那麼是否還可以吸引其他金屬呢？我們的祖先做了許多嘗試，發現磁石不僅不能吸引金、銀、銅等金屬，也不能吸引磚瓦之類的物品。西漢時人們已經認識到磁石只能吸引鐵，而不能吸引其他物品。西漢時有一個名叫欒大的方士，他利用磁石的這個性質做了兩個棋子般的東西，通過調整兩個棋子極性的相互位置，有時兩個棋子相互吸引，有時相互排斥。欒大稱其為「鬥棋」。他把這個新奇的玩意獻給漢武帝，並當場演示。漢武帝驚奇不已，龍心大悅，竟封欒大為「五利將軍」。欒大其實是利用磁石的特性矇騙了漢武帝。
司南最早出現在戰國時期
說到磁石就不能不說到指南針和指南車，傳說黃帝大戰蚩尤時就出現了指南車。指南針的始祖大約出現在戰國時期，它是用天然磁石製成的，樣子像一把湯勺，圓底，可以放在平滑的地盤上保持平衡，且可以自由旋轉。當它靜止的時候，勺柄就會指向南方，古人稱它為「司南」。《韓非子》中有記載：「先王立司南以端朝夕。」「端朝夕」就是正四方、定方位的意思。《鬼谷子》中記載了司南的應用，鄭國人採玉時就帶了司南以確保不迷失方向。
春秋時期，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形，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，四周刻有幹支四維，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。
人工磁化法發明指南魚
如果說司南還只是指南針的雛形的話，那麼指南魚就在形態上酷似指南針了。指南魚是古代人們用薄鐵葉剪裁成魚形，魚的腹部略下凹，像一隻小船，磁化後浮在水面，就能指南北了。當時以此作為一種遊戲。東晉崔豹在《古今注》中曾提到這種指南魚。
北宋時，曾公亮在《武經總要》載有製作和使用指南魚的方法：「用薄鐵葉剪裁，長二寸，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，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數分則止，以密器收之。用時，置水碗於無風處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也。」這是一種人工磁化的方法，它利用地球磁場使鐵片磁化。即把燒紅的鐵片放置在子午線的方向上，燒紅的鐵片內部分子處於比較活躍的狀態，使鐵分子順著地球磁場方向排列，達到磁化的目的。鐵片蘸入水中，可把這種排列較快地固定下來，而魚尾略向下傾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的發明，對指南針的應用和發展起到了巨大的推動作用。
北宋沈括在《夢溪筆談》中提到另一種人工磁化的方法：「方家以磁石摩針鋒，則能指南。」按沈括的說法，用磁石去摩擦縫衣針就能使針帶上磁性。可以看出，這是利用天然磁石的磁場作用，使鋼針內部磁疇的排列趨於某一方向，從而使鋼針顯示出磁性。這種方法比製作指南魚簡單多了，而且磁化效果也好。中國人摩擦式人工磁化的發明不但是世界最早，而且為有實用價值的磁指向器的出現創造了條件。
南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類指南魚和指南龜的製作方法。這種指南魚與《武經總要》一書記載的不一樣，是用木頭刻成魚形，有手指那麼大，木魚腹中置入一塊天然磁鐵，磁鐵的S極指向魚頭，用蠟封好後，從魚口插入一根針，就成為指南魚。將其浮於水面，魚頭指南，這也是水針的一類。
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。遺憾的是當時指南龜並沒有用於航海指向，而用於幻術。指南龜發明年代不晚於1325年。
南宋時已知存在磁偏角
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，可能沒有固定的方位盤，隨著測方位的需要，出現了磁針和方位盤一體的羅盤，這樣一來只要看一看磁針在方位盤上的位置，就能斷定出方位來。
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。因為地球近似球形，所以磁針指向磁極時必向下傾斜，和水平方向有一個夾角，這個夾角稱為磁傾角。不同地點的磁偏角和磁傾角都不相同。
南宋時，曾三異在《因話錄》中記載了有關這方面的知識：「地螺或有子午正針，或用子午丙壬間縫針。」這是有關羅經盤最早的文獻記載。文獻中所說的「地螺」，就是羅經盤。文獻中已經把磁偏角的知識應用到羅盤上，這種羅盤不僅有子午針（確定地磁場南北極方向的磁針），還有子午丙壬間縫針（用日影確定的地理南北極方向），這兩個方向之間的夾角，就是磁偏角。成書於北宋的《武經總要》在談到用地磁法製造指南針時注意利用了磁傾角。沈括在《夢溪筆談》談到指南針不全指南，常微偏東，也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。
古代先民在對磁現象的觀察和研究過程中，進一步了解了磁的性質，並試圖更多地應用這些性質。《晉書·馬隆傳》記載，馬隆率兵西進甘、陝一帶，在敵人必經的狹窄道路兩旁堆放磁石。穿著鐵甲的敵兵路過時，被牢牢吸住，不能動彈。馬隆的士兵穿犀甲，磁石對他們沒有什麼作用，可自由行動。敵人以為神兵，不戰而退。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，磁石經常把「以鐵葉錮之」的船吸住，使其難以脫身。
魏晉南北朝時，我國先民對磁石有了更多認識。就連詩人曹植在《矯志詩》中也用了「磁石引鐵，於金不連」的句子，可見他也了解磁石的特性。南北朝梁代陶弘景在《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。
指南針航海始於宋代
指南針在我國古代主要被用於相宅相墓，同時也被用於航海，後者對人類社會進步發揮了巨大作用，因而指南針才得以躋身我國古代四大發明行列。指南針在航海上的應用有一個逐漸發展的過程。成書年代略晚於《夢溪筆談》的《萍洲可談》中記有：「舟師識地理，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，當時只在日月星辰見不到的時候才使用指南針，可見指南針剛開始使用時，人們使用還不熟練。
其後，許兢的《宣和奉使高麗圖經》也有類似的記載：「惟視星鬥前邁，若晦冥則用指南浮針，以揆南北。」南宋福建路市舶司(當時管理對外貿易的政府機關)提舉趙汝適在所著《諸蕃志》中也提到：「舟舶來往，惟以指南針為則，晝夜守視惟謹，毫釐之差，勝似系焉」。之後，類似的文獻層出不窮，這表明在航海活動中，指南針普及得相當快。
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航了。而且人們還編制出使用羅盤導航，在不同航行地點指南針針位的連線圖，叫做「針路」。船行到某處，採用何針位方向，一路航線都一一標識明白，作為航行的依據。這一發明後來經阿拉伯傳入歐洲，對歐洲的航海業乃至整個人類社會的文明進程，都產生了巨大影響。
延伸閱讀
電磁鐵的發明
19世紀，經典電磁學理論告訴我們，運動的電荷會產生磁場，天然磁鐵的磁場反過來則可以驅動電荷。這個發現足以讓大量的鐵，自然界最常見的磁性物質，成為馬達、發電機和變壓器這類關鍵電力技術的核心，磁芯在這些設備中存儲能量，將機械功和電流相互轉化。
早在1820年，丹麥的奧斯特就發現了這一原理。1822年，法國物理學家阿拉戈和呂薩克也發現，當電流通過其中有鐵塊的繞線時，它能使繞線中的鐵塊磁化。這實際上是電磁鐵原理的最初發現。1823年，英國人斯特金也做了一次類似的實驗：他在一根並非是磁鐵棒的U形鐵棒上繞了18圈銅裸線，當銅線與伏打電池接通時，繞在U形鐵棒上的銅線圈即產生了密集的磁場，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，而當電源切斷後，U形鐵棒就什麼鐵塊也吸不住，重新成為一根普通的鐵棒。斯特金的電磁鐵發明，使人們看到了把電能轉化為磁能的光明前景，這一發明很快在英國、美國以及西歐一些國家傳播開來。
1829年，美國電學家亨利對斯特金電磁鐵裝置進行了一些革新，用磁電絕緣導線代替裸銅導線，因此不必擔心被銅導線過分靠近而短路。由於導線有了絕緣層，就可以將它們一圈圈地緊緊地繞在一起，由於線圈越密集，產生的磁場就越強，這樣就大大提高了把電能轉化為磁能的能力。到了1831年，亨利試製出了一塊更新的電磁鐵，雖然它的體積並不大，但卻能吸起1噸重的鐵塊。
大千世界
稀土引發磁場「革命」
磁鐵只是一個通稱,是泛指具有磁性的東西,實際的成分不一定包含鐵。較純的金屬態的鐵本身沒有永久磁性，只有靠近永久磁鐵才會感應產生磁性。一般的永久磁鐵裡面加了其他雜質元素（例如碳）來使磁性穩定下來，但是這樣會使電子的自由性降低而不易導電。鐵是常見的帶磁性元素，但是許多其他元素具有更強的磁性。
製造更優良磁鐵很大程度上都依賴於冶金學家的黑暗魔法：混合各種可能的元素，然後放入磁場，看命運之輪會如何變化。這種神農嘗百草的方法一直屢試不爽。上世紀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70年代發現鑭系元素或者叫稀土元素的磁性潛力為開端的。這些元素在元素周期表上總是獨立成區，無一例外都能貢獻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製成的磁鐵。在上世紀90年代之前，這些釹系磁鐵得到了突飛猛進的發展，以至於指甲蓋那麼大一塊磁鐵產生的磁場，比整個地球鐵質核心的磁場還要強數千倍。室溫下，釹磁鐵是我們目前所知的最強磁鐵。
最終，這帶來了一場磁場革命。從汽車中的動力輸送，到讓硬碟、CD和DVD碟片高速旋轉的馬達；從揚聲器和耳機中將電流脈衝轉換成聲響的振膜，到醫學磁共振成像（MRI）中所需的超高密度磁場——但凡需要用最小體積產生最大磁場的地方，都會閃現出釹磁的身影。（果殼）
有此一說
四種方法自制指南針
《夢溪筆談》是沈括所著的有關我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。關於磁針的裝置方法，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，指示方向。
3.指甲旋定法——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——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。
沈括還對這四種方法做了比較，水浮法的最大缺點是水面容易晃動影響測量結果。碗唇旋定法和指甲旋定法，由於摩擦力小，轉動很靈活，但容易掉落。沈括比較推崇的是縷懸法，他認為這是比較理想而又切實可行的方法。事實上沈括指出的四種方法已經歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系——水針和旱針。
(來源:北京日報)