中國古代指南魚和指南針的復(fù)原實(shí)驗(yàn)研究

岑天慶

(中山市華僑中學(xué),廣東 中山 528400)

科技史研究與一般歷史研究略有不同，因?yàn)椴荒苤匦伦哌M(jìn)歷史，所以學(xué)術(shù)界主要采用王國維先生的二重證據(jù)法，即：古文獻(xiàn)之間以及與古文物相互印證的研究方法. 科技史要對其涉及的科學(xué)問題進(jìn)行研究，科學(xué)研究的核心是要進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，而科學(xué)實(shí)驗(yàn)最本質(zhì)的特征是具有重復(fù)性. 所以用科學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)古代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)或科技發(fā)明，遠(yuǎn)比通過古文獻(xiàn)之間相互印證得到的推測結(jié)論可靠和有說服力. 本文以對《武經(jīng)總要》和《夢溪筆談》古文獻(xiàn)本意的解讀和分析為基礎(chǔ)，充分從中獲取關(guān)于指南魚和指南針制法的信息，如實(shí)按照古文獻(xiàn)的要求，實(shí)事求是地進(jìn)行復(fù)原實(shí)驗(yàn). 通過相關(guān)物理知識和認(rèn)知邏輯分析，探索古代指南魚、指南針制法科學(xué)問題的秘密，揭示其歷史真相.

1 我國古代關(guān)于指南魚制法的記載及過往研究

北宋時(shí)期，曾公亮在《武經(jīng)總要》(1040—1044)中記載：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(shù)分則止，以密器收之. 用時(shí)，置水碗于無風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也. 這是學(xué)術(shù)界普遍公認(rèn)和接受的我國最早發(fā)明指南針的記載.

20世紀(jì)40年代，王振鐸認(rèn)為：《武經(jīng)總要》指南魚未記載磁化方法，可能是撰者直接引文未加思索，或有意保密；熟鐵矯頑性較低，指南魚當(dāng)用薄鋼葉制作；淬火只是加強(qiáng)鋼鐵硬度，與獲得磁性毫無關(guān)系；正對南北方向淬火是為了附會(huì)五行理論；“密器”可能內(nèi)置磁石，保存指南魚的同時(shí)繼續(xù)磁化[1].

1992年，李強(qiáng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：地磁場的熱剩磁效應(yīng)非常弱，不足以驅(qū)動(dòng)魚形鐵片指南. 他用鋸條做了模擬實(shí)驗(yàn)，分別用家庭火爐、電爐加熱到約700 ℃淬火，兩端表磁或測不到或極小，插在泡沫塑料上，浮于水面，沒有指南跡象；用磁石摩擦磁化，鋸條兩端表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.6×10-3～1.8×10-3T，指南效果顯著. 文章還提到中國歷史博物館曾用中碳鋼制作魚形浮子，電爐加熱到700 ℃淬火，首尾磁感應(yīng)強(qiáng)度為4×10-4～1.1×10-3T，無指極性. 李強(qiáng)判斷：中高碳鋼高溫淬火獲得的熱剩磁不足以克服水的表面張力而指極；磁石摩擦可以輕易使鋼片具有指極性. 藉此認(rèn)為《武經(jīng)總要》記述的指南魚制法是先通過高溫淬火獲得少量磁性，然后放在置有磁石的盒內(nèi)封存，不斷傳磁，與近代“養(yǎng)針法”大體一致[2].

50年代，劉秉正提出《武經(jīng)總要》指南魚的磁化利用了地磁場的熱剩磁效應(yīng). 他認(rèn)為：鐵片被燒紅后，溫度可能達(dá)到鐵的居里點(diǎn)(770 ℃)以上變?yōu)轫槾朋w；沿南北放置，是被地磁場磁化，冷卻后形成熱剩磁；鐵片“沒尾數(shù)分”表明磁化角度順應(yīng)了地磁傾角，可最大限度利用地磁強(qiáng)度. 他還用縫衣針做了多次試驗(yàn)，插軟木塞浮于水上，能指南北；蘸水和緩慢冷卻效果相同，前者更快捷[3].

黃興對劉秉正、李強(qiáng)制作指南魚實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了評述，稱按照文獻(xiàn)記載加工制作了可浮在水面魚形鐵片，質(zhì)量約0.45g[4]. 但對制作和實(shí)驗(yàn)過程沒有說明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能否指南沒有明確的結(jié)論.

對于條形薄鐵片正對南北方向淬火能否獲得磁性及條形薄鐵片制作指南魚用水浮法實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裰改?，劉秉正與王振鐸、李強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，形成的結(jié)論也大相徑庭. 從其古文獻(xiàn)中有關(guān)指南魚制作和使用的翔實(shí)描述看，曾公亮應(yīng)該既是其見證者也是其實(shí)踐者，其作用主要是指導(dǎo)在軍事上的實(shí)際應(yīng)用，古人應(yīng)是在不斷重復(fù)驗(yàn)證和實(shí)踐中形成和得到的結(jié)論，不應(yīng)懷疑其記錄和描述的真實(shí)可靠性. 只有如實(shí)按照古文獻(xiàn)的記述制作，并進(jìn)行系統(tǒng)、規(guī)范、全面而又耐心細(xì)致地復(fù)原實(shí)驗(yàn)，才能發(fā)現(xiàn)其中的秘密及找到其中的原因，真正解決問題和形成可靠的結(jié)論.

2 指南魚的制作過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 制作的指南魚鐵片和鋼片， 木板和用于磁化的天然磁石

古文獻(xiàn)中對指南魚制作的長和寬是確定的，對薄鐵片的厚度描述不明確，但通常厚度如薄鋸條在0.7mm以上才有實(shí)用價(jià)值. 為了進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，剪裁長為67mm、寬為17mm(長二寸寬五分)、厚分別為0.9mm和1.6mm薄鐵片及厚為0.7mm薄鋸條鋼片各2塊，其中1塊保留為條形，另1塊用砂輪打磨成魚形(圖1). 加工完成后，分別用其與打磨留下的鐵粉接觸，發(fā)現(xiàn)均不能吸取鐵粉，說明沒有直觀磁性，用高斯計(jì)測量發(fā)現(xiàn)所有樣品表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度均只有5×10-4～1.5×10-3T的殘余剩磁.

將長為67mm、寬為17mm的薄鐵片磁化后，直觀磁性能勉強(qiáng)吸取1根細(xì)針，在液化氣灶上加熱至通紅，經(jīng)澆水冷卻后發(fā)現(xiàn)直觀磁性消失，說明在液化氣灶加熱，溫度能達(dá)到居里溫度以上. 將厚為0.9mm的魚形薄鐵片和厚為0.7mm的魚形薄鋼片在液化氣灶上加熱至通紅后，沿南北方向放置澆水冷卻. 如何使薄鐵片浮于水面上，古文獻(xiàn)中沒有說明. 通常認(rèn)為在魚的肚皮部分凹下去些，象小船，可以浮在水面上. 但筆者認(rèn)為此制法不真實(shí)，首先其并沒有古文獻(xiàn)依據(jù)，其次這樣制作的指南魚很輕很薄，加工和能讓其浮于水面極其困難.

采用最原始最樸素的方法. 取長為56mm、寬為39mm、厚為8mm、質(zhì)量為5.348g杉木板1塊，將以上制作的魚形薄鐵片和薄鋼片分別放在杉木板中央. 在直徑為18cm大碗中加入半碗水，在無風(fēng)和周圍無鐵磁性材料的情況下，將杉木板和其上的魚形薄鐵片浮在碗中央的水面上. 開始魚形薄鐵片并沒有明顯的運(yùn)動(dòng)跡象，經(jīng)過一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)開始極緩慢地旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸變快，并逐漸趨于南北方向，經(jīng)過多次反復(fù)回轉(zhuǎn)后，魚形薄鐵片最后穩(wěn)定在南北方向上. 這樣就如實(shí)按照古文獻(xiàn)，采用古人最可能使用的漂浮方法，完成了2個(gè)指南魚的復(fù)原并成功進(jìn)行了指向?qū)嶒?yàn). 也與宋代《事林廣記》記載用木頭做指南魚的方法相吻合：用1塊木頭刻成魚的樣子，像手指那樣大，指南魚就做好了. 把指南魚放到水面上，魚嘴里的針就指向南方.

為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)，在碗口上沿直徑在南北方向放1根木棍，將魚形薄鐵片沿東西方向放置與木棍垂直，用手指輕壓薄鐵片中央，目的是讓魚形薄鐵片靜止并防止其向碗邊浮移. 將手指輕輕抬起后，發(fā)現(xiàn)魚形薄鐵片在10s內(nèi)沒有明顯的運(yùn)動(dòng)跡象，隨后開始極緩慢地旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸變快，當(dāng)與木棍平行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到最快，然后轉(zhuǎn)動(dòng)又開始變慢，當(dāng)薄鐵片與木棍夾角約為30°時(shí)開始回轉(zhuǎn)，其過程約60s. 再經(jīng)過約120s反復(fù)回轉(zhuǎn)后，魚形薄鐵片穩(wěn)定在與木棍平行的南北方向上. 用魚形薄鐵片和薄鋼片多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，情況基本相同. 將其沿180°或任意方向浮在碗中央的水面上，只要不靠到碗邊，經(jīng)過足夠長的時(shí)間，樣品均能在水面上穩(wěn)定指向南北方向(圖2).

圖2 用水浮法制成能穩(wěn)定指南的指南魚

圖3 厚1.7 mm薄鐵片做水浮法實(shí)驗(yàn)

將正對南北方向蘸水淬火的魚形薄鐵片和薄鋼片與鐵粉接觸，發(fā)現(xiàn)均不能吸取鐵粉，說明仍沒有直觀磁性，用高斯計(jì)測量發(fā)現(xiàn)表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為5×10-4～1.5×10-3T. 由此筆者推測：用另外3塊薄鐵片和1塊薄鋼片做水浮法實(shí)驗(yàn)，同樣可以有效指南. 與沿任何方向蘸水淬火無差別，均不能增強(qiáng)磁性. 經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果正如預(yù)期，制成條形的薄鐵片或薄鋼片不需要磁化或正對南北方向蘸水淬火，直接用水浮法實(shí)驗(yàn)，只要不靠到碗邊，經(jīng)過足夠長的時(shí)間，就能穩(wěn)定指南. 將其余4塊樣品加熱后，沿任意方向放置澆水冷卻后，發(fā)現(xiàn)均沒有直觀磁性，用高斯計(jì)測量表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為5×10-4～1.5×10-3T，磁性幾乎無差別，與加熱前的磁性也幾乎無差異. 另外用厚1.7mm的薄鐵片做水浮法實(shí)驗(yàn)，效果明顯好于厚為0.9mm的薄鐵片和厚為0.7mm的薄鋼片，指南所用時(shí)間明顯縮短(圖3). 但用厚為0.4mm的薄鐵片做同樣實(shí)驗(yàn)，效果較差，不能準(zhǔn)確指南. 說明直接將魚形薄鐵片浮在水面上的方法不可行.

表1是某次水浮法實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)記錄.

表1 某次水浮法實(shí)驗(yàn)記錄

此外筆者購買1包10枚的普通針和1包10枚的普通鋼針，發(fā)現(xiàn)均沒有任何直觀磁性，不能吸取鐵粉. 將所有針分別插在泡沫塑料上，浮于水面，發(fā)現(xiàn)所有普通針和普通鋼針均會(huì)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，在10s內(nèi)大體指南，30s內(nèi)穩(wěn)定指南(圖4). 說明水浮指南針比水浮指南魚靈敏. 但受外界因素影響較大，指南針容易漂移和晃動(dòng)，不如指南魚穩(wěn)定. 將針在液化氣灶上加熱至通紅并沿任意方向放置澆水冷卻后發(fā)現(xiàn)，其直觀磁性和水浮法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與加熱前基本無差異.

圖4 水浮普通針和普通鋼針

用表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為5×10-2～6×10-2T的蹄形磁鐵分別磁化厚為0.9mm的條形薄鐵片和厚為0.7mm的條形薄鋼片樣品，5h后，發(fā)現(xiàn)薄鋼片表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.5×10-2～2×10-2T，直觀磁性能吸取厚為0.7mm的魚形薄鐵片；而薄鐵片表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度只有4×10-3～8×10-3T，直觀磁性只能勉強(qiáng)吸取1根細(xì)針. 說明薄鐵片也能被磁化，只是磁化后的剩磁較弱. 再用其做水浮法實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磁化薄鋼片的靈敏度與水浮指南針相當(dāng)，磁化薄鐵片達(dá)到穩(wěn)定指向所需時(shí)間則明顯縮短.

取沒有任何直觀磁性不能吸取鐵粉的長二寸的鋼鋸條，將其在表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為8×10-3～1×10-2T天然磁石磁性最強(qiáng)處摩擦磁化，發(fā)現(xiàn)鋸條直觀磁性能吸取微量鐵粉，兩端表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.2×10-3～1.8×10-3T，做水浮法實(shí)驗(yàn)指南效果明顯改善，在10s內(nèi)大體指南，30s內(nèi)穩(wěn)定指南. 用天然磁石磁性最強(qiáng)處摩擦薄鐵片，則實(shí)驗(yàn)效果沒有明顯變化.

3 對過往研究的評價(jià)和關(guān)于指南魚研究的結(jié)論

從以上復(fù)原實(shí)驗(yàn)和對比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可以對關(guān)于指南魚的研究和實(shí)驗(yàn)作如下分析和評價(jià)：

1)王振鐸[1]認(rèn)為“指南魚正對南北方向淬火只是加強(qiáng)鋼鐵硬度，與獲得磁性毫無關(guān)系”的結(jié)論是正確的，但不相信《武經(jīng)總要》的記載，認(rèn)為“用薄鐵片制作指南魚不真實(shí)，只有用磁化鋼片制作的指南魚才能指南”的結(jié)論卻是錯(cuò)誤的. 李強(qiáng)[2]由于在文獻(xiàn)[1]觀念的影響下，為證實(shí)其推測和判斷的正確性而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而得到“用薄鐵片制作指南魚實(shí)驗(yàn)沒有指南跡象”的錯(cuò)誤結(jié)論. 其用磁石摩擦磁化，鋸條兩端表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.6×10-3～1.8×10-3T，指南效果顯著，該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容真實(shí)可靠. 文獻(xiàn)[2]還提到中國歷史博物館曾用中碳鋼制作魚形浮子，電爐加熱到700 ℃淬火，首尾磁感應(yīng)強(qiáng)度為4×10-4～1.1×10-3T，無指極性. 由于沒有觀察足夠長的時(shí)間，錯(cuò)失了發(fā)現(xiàn)指南魚能指南的現(xiàn)象.

2)劉秉正[3]相信《武經(jīng)總要》的記載，但沒有完全按照《武經(jīng)總要》中有關(guān)指南魚制作和使用的描述進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將針燒紅后按南北方向蘸水,然后將它穿入軟木塞上令浮于水上,果然可以指南北. 文獻(xiàn)[3]認(rèn)為鐵片被燒紅后，溫度可能達(dá)到鐵的居里點(diǎn)(770 ℃)以上變?yōu)轫槾朋w；沿南北放置，是被地磁場磁化了，其結(jié)論有誤. 由此證實(shí)制作指南魚能有效指南的結(jié)論也是不可靠的.

3)黃興[4]按照文獻(xiàn)記載加工制作了可以浮在水面的魚形鐵片，質(zhì)量約為0.45g. 0.45g僅是1枚粗針的質(zhì)量，如果按照文獻(xiàn)記載加工制作魚形鐵片，其厚度將小于0.1mm，薄如紙片，不符合事實(shí)常理.

由以上復(fù)原實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1)如實(shí)地按照曾公亮在《武經(jīng)總要》有關(guān)指南魚制作和使用的描述，能成功進(jìn)行復(fù)原實(shí)驗(yàn)，證實(shí)其古文獻(xiàn)的記載是真實(shí)可靠且具有重復(fù)性.

2)由于地磁場弱，普通薄鐵片制成指南魚磁性也弱，且其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也較大. 在實(shí)驗(yàn)中，需要耐心細(xì)致地觀察足夠長的時(shí)間，才能發(fā)現(xiàn)用水浮法指南魚有指南的效果，觀察時(shí)間是能否發(fā)現(xiàn)其有效指南的關(guān)鍵因素. 該問題在古文獻(xiàn)中沒有特別說明. 同時(shí)薄鐵片要有適當(dāng)?shù)暮穸龋@樣有利于增強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的磁力矩.

3)指南魚的制法與是否經(jīng)過磁化和正對南北方向蘸水淬火無關(guān)，薄鐵片按南北方向蘸水并不能被地磁場磁化獲得磁性.

4)指南魚是在其殘余剩磁與地磁場相互作用下指南的，但并不能由此認(rèn)為從《武經(jīng)總要》的記載中，古人發(fā)現(xiàn)了磁的指向極性，指南魚的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)磁的指向極性無關(guān). 文獻(xiàn)中指南魚的制法與磁石吸引鐵的現(xiàn)象之間并沒有必然聯(lián)系，不能由此過度解讀文獻(xiàn). 但從指南魚制法要正對南北方向蘸水淬火，說明古人認(rèn)為南北方向與其他方向不同，南北方向可能存在某種神秘力量的理念卻是正確的，指南魚制法正對南北方向蘸水淬火可能與這種神秘力量有關(guān)系. 正是在這種理念的指導(dǎo)和影響下發(fā)明了指南魚并發(fā)現(xiàn)其指向性，其發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了在古代技術(shù)條件下，用鐵磁材料采用阻力矩最小的水浮法制作指向工具，對其后發(fā)明指南針有重要的啟示作用.

4 《夢溪筆談》的記載及指南針制法的研究

繼《武經(jīng)總要》之后，北宋沈括在《夢溪筆談》中關(guān)于指南針制法有翔實(shí)記載：方家以磁石磨針鋒，則能指南；然常微偏東，不全南也. 水浮多蕩搖，指爪及碗唇上皆可為之，運(yùn)轉(zhuǎn)尤速，但堅(jiān)滑易墜，不若縷懸為最善. 其法：取新纊中獨(dú)繭縷，以芥子許蠟綴于針腰，無風(fēng)處懸之，則針常指南. 其中有磨而指北者. 余家指南、北者皆有之. 磁石之指南，猶柏之指西，莫可原其理.

以上記錄說明沈括同樣既是見證者也是實(shí)踐者. 這是學(xué)術(shù)界普遍公認(rèn)和接受的我國最早發(fā)現(xiàn)磁的指向極性和磁偏角，以及最早發(fā)明指南針的最重要古文獻(xiàn)證據(jù). 通過對文獻(xiàn)的解讀，其關(guān)于磁現(xiàn)象的任何一項(xiàng)研究和記載，均堪稱物理學(xué)史上非常重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，代表當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的最高水平. 由此可從中得到如下信息和研究結(jié)論：

1)雖然沈括并不明白磁石指向的原因，但在科學(xué)史上卻是最先明確記載發(fā)現(xiàn)磁的指向極性，并將磁與指向相聯(lián)系.

2)關(guān)于磁偏角這一重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，沈括是用磁針確定南北的方位與日晷確定南北的方位比較得到的結(jié)論[5].

3)明確記載古代方士術(shù)士手中存在強(qiáng)磁性的“方家磁石”，能磁化鋼針而非普通天然磁鐵礦石.

4)最先明確記載發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁性“方家磁石”能通過摩擦，在短時(shí)間內(nèi)快速磁化鋼針.

5)文中選用磁石磨針鋒是因?yàn)槠胀ㄡ槻⒉蝗卿?，只有針尖的部分是鋼，其余部分是鐵. 最早發(fā)現(xiàn)只有鋼磁化后才有強(qiáng)剩磁.

沈括總結(jié)制作指南針的4種方法：水浮法、碗邊旋定法、指甲旋定法和縷懸法. 從以上關(guān)于指南魚的復(fù)原實(shí)驗(yàn)可知：水浮法阻力矩小，其是否能有效指南與針是否經(jīng)磁石磁化無關(guān). 碗邊旋定法和指甲旋定法阻力矩更大，實(shí)踐中可操性差，不能成功復(fù)原指南針，幾乎沒有實(shí)用價(jià)值.

筆者對縷懸法作復(fù)原實(shí)驗(yàn)：取長為4.3cm、直徑為0.7mm的普通針和鋼針各1枚，直觀磁性均不能吸取鐵粉，將細(xì)線一端系于針中央，另一端系于木棍中央，線長約17cm. 為了減少風(fēng)的影響，將針放入直徑為18cm的塑料桶中觀察，在桶口上將木棍沿直徑在南北方向放置. 穩(wěn)定后發(fā)現(xiàn)兩針均更靠近南北方向，但不能有效指南(圖5). 將兩針在天然磁石上摩擦，直觀磁性能吸取微量鐵粉，但定向?qū)嶒?yàn)結(jié)果沒有明顯改善.

圖5 用未磁化的針做縷懸法復(fù)原實(shí)驗(yàn)

將兩針在表面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為5×10-2～6×10-2T的蹄形磁鐵磁極上摩擦后，發(fā)現(xiàn)直觀磁性能吸取同樣大小的細(xì)針，定向?qū)嶒?yàn)發(fā)現(xiàn)針能快速轉(zhuǎn)動(dòng)指南，穩(wěn)定后發(fā)現(xiàn)兩針均能有效指南. 但不如指南魚穩(wěn)定，易受外界干擾而晃動(dòng)(圖6).

圖6 用磁化后的針做縷懸法復(fù)原實(shí)驗(yàn)

以上復(fù)原實(shí)驗(yàn)說明：在天然磁石上摩擦普通針或鋼針，雖然磁性略有增強(qiáng)，但用縷懸法不能有效指南，不能復(fù)原指南針.

圖7是鐵磁性材料初始磁化曲線和磁滯回線. 從磁化曲線可以看出，鐵磁性物質(zhì)從退磁狀態(tài)受外磁場磁化時(shí)，其磁化過程可分為3個(gè)階段：

圖7 鐵磁性材料初始磁化曲線和磁滯回線

1)起始磁化階段. 當(dāng)外磁場H很小時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化強(qiáng)度M隨H增大，在這一階段，與外磁場方向成銳角的磁疇能量低，磁疇擴(kuò)大；而與磁場方向成鈍角的磁疇縮小. 磁疇大小的變化通過疇壁的可逆遷移過程實(shí)現(xiàn)，磁化是可逆的. 去掉外磁場不保留磁性.

2)急劇磁化階段. 隨著外磁場H增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化強(qiáng)度M都迅速增大. 在這一階段，磁疇壁隨磁疇的增大而快速移動(dòng)，與磁場方向成鈍角的難磁化的磁疇轉(zhuǎn)向夾角較小的易磁化方向. 當(dāng)外磁場H增大到一定強(qiáng)度時(shí)，所有自旋磁矩通過磁疇壁的跳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)到與磁疇成最小夾角的易磁化方向，稱為磁疇壁的巴克豪森跳躍. 磁化是不可逆的，去掉外磁場后還保留部分磁性.

3)飽和磁化階段. 隨著外磁場H進(jìn)一步增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化強(qiáng)度M的增大逐漸變緩. 在這一階段，發(fā)生磁疇轉(zhuǎn)動(dòng). 磁疇由易磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)到與外磁場一致的方向. 這時(shí)撤去外磁場，磁疇由與外磁場一致的方向又轉(zhuǎn)動(dòng)到易磁化方向.

由初始磁化曲線可知，用普通天然磁石磁化普通針或鋼針，仍在起始磁化階段，磁化是可逆的，去掉外磁場后剩磁只是略有增加. 選取2塊實(shí)驗(yàn)過程斷裂的普通條形磁鐵進(jìn)一步作磁化鋼針實(shí)驗(yàn). 取1塊直觀磁性能勉強(qiáng)吸取1根小鐵釘?shù)臈l形磁鐵，用高斯計(jì)測量其兩端最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為1.2×10-2T和2.5×10-2T，發(fā)現(xiàn)用其同樣不能明顯磁化鋼針. 說明用磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到天然磁石2倍的普通條形磁鐵仍不能磁化鋼針，仍在起始磁化階段,磁化是可逆的.

取另1塊直觀磁性能吸取1根較大鐵釘?shù)臈l形磁鐵，用高斯計(jì)測量兩端最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為2.5×10-2T，3.5×10-2T，磁性達(dá)到普通天然磁石3倍左右，發(fā)現(xiàn)用其能磁化鋼針，直觀磁性可吸取同樣大小的細(xì)針，說明突破了磁疇壁的巴克豪森跳躍，磁化是不可逆的，進(jìn)入了急劇磁化階段. 普通蹄形磁鐵最大磁感應(yīng)強(qiáng)度在6×10-2～7×10-2T，說明選取磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度只要達(dá)到普通蹄形磁鐵最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的一半就能磁化鋼針.

由此印證筆者關(guān)注到的類似于吳魯衡羅經(jīng)老店強(qiáng)磁性的“天然磁隕石”在中國古代一直秘密存在[6-7]. 其磁性應(yīng)達(dá)到普通天然磁石3倍以上. 南北朝梁代陶弘景在《名醫(yī)別錄》中也有記載：優(yōu)良磁石出產(chǎn)在南方，磁性很強(qiáng)，能吸引3～4根鐵針，使幾根針首尾相連掛在磁石上. 磁性更強(qiáng)的磁石，能吸引十多根鐵針，甚至能吸住1～2斤刀器. 據(jù)黃興所述：經(jīng)多方考察在邯鄲武安、張家口赤城等地采集了數(shù)批磁鐵礦和磁赤鐵礦，后者表磁最高可達(dá)8×10-2T以上，遠(yuǎn)高于前人實(shí)驗(yàn)所用樣品[4]. 但并沒有提供相關(guān)實(shí)物直觀磁性的圖片. 根據(jù)筆者進(jìn)行過的各種磁鐵磁化鋼實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，磁性應(yīng)超過物理實(shí)驗(yàn)用的磁性較強(qiáng)的鐵氧體蹄形磁鐵(表磁最高小于7×10-2T)，表磁最高可以達(dá)到8×10-2T，其直觀磁性應(yīng)至少能吸取1把大剪刀. 如確有此種強(qiáng)磁性天然磁鐵礦石，可以肯定也極其稀少.

需要說明的是沈括最早明確記載發(fā)現(xiàn)磁的指向極性和磁化現(xiàn)象，但并不能由此說明此時(shí)中國古人才知道磁的指向極性和磁化現(xiàn)象，因?yàn)槲墨I(xiàn)中主要是介紹磁偏角和用縷懸法制作指南針. 東漢王充《論衡·是應(yīng)篇》有“司南之杓，投之于地，其抵指南”的記載，文獻(xiàn)只記錄了司南的使用過程，并沒有關(guān)于司南制法的信息. 說明王充只是其見證者不是其實(shí)際制作者. 吳魯衡老店保存的“天然磁隕石”能長期用于磁化普通鋼針，說明用“天然磁隕石”磁化普通鋼勺能制成司南，說明此時(shí)期中國古人可能已秘密用“天然磁隕石”磁化鋼勺發(fā)現(xiàn)了磁化現(xiàn)象和磁的指向極性.

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