中国古代的电学和磁学，本文主要内容关键词为：磁学论文,电学论文,中国古代论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一般来说，18世纪以前的科学家主要是对一些零散的静电和静磁现象进行观察。中国古代较早地开始积累电学和磁学方面的知识，像雷电现象的观察和摩擦起电的经验，磁石吸铁和指向性的研究与应用都是早期研究的重要内容。特别是磁学的研究与应用对中国古代的生产、军事、航海、测量等技术的发展产生了重要作用，同时，在东西方科学与文化的交流上也发挥了巨大的作用。
1 静电现象
摩擦起电的现象很早就被发现了，东汉王充对此作了记载和解释。他说：“顿牟掇芥，磁石引针……他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也”（《论衡·乱龙》）。王充认为，摩擦过的玳瑁（“顿牟”）可以吸引芥籽，磁石可以吸引铁针，这都是因为芥籽和玳瑁，铁针和磁石具有相同的“气性”，因而能够相互感动；有些看上去相同的东西不能通过类似的办法使之相互吸引，这是因为它们的“气性”不同所致。王充主张元气是万物的本原，并系统地提出了“元气自然论”。他将这种理论引入静电（和静磁）现象的研究中，这些解释是较为合理的。东晋时的郭璞也注意到上述现象，他将这种作用用“气有潜通”来解释。
三国时期，吴国的虞翻注意到“琥珀不取腐芥”的现象，腐芥就是腐烂的芥籽，它含有水分，本应该是较粘的，较容易粘上别的物体，可是带电的琥珀却不能吸引腐芥。他不知其原因，只能记录下现象。
摩擦起电往往还带有发光现象，并噼啪作响。西晋的张华很注意搜取一些奇事异物，并颇有学问。他曾写道：“今人梳头，脱着衣时，有随梳，解结有光者，也有咤声”（《博物志》）。梳子与头发摩擦后极易带电，有钱人衣着的材料是毛皮或丝绸，摩擦时也极易带电。带电物体若相距不远且其间的空气较为干燥，他们就可能看到小火花和听到微弱的响声。可见张华发现并最早记录了电致发光的自然现象。唐代的段成式也有类似记载。他指出，猫“暗中逆循其毛，即著火星”（《酉阳杂俎》）。这是摩擦起电的现象，在黑暗中易于看清。
2 雷电现象与避雷技术
雷电是一种常见的自然现象，雷为其响，电为其闪。殷代的甲骨文和西周的铜器上可以分别见到雷和电二字。
2.1 雷电的记述
公元490年会稽山阴恒山保林寺被雷电击中， 史书中写道：“电火烧塔下佛面，而窗户不异也”（《南齐书·五行志》）。史书作者注意到佛画与窗户的不同，但未能道出其原因。沈括对雷电的作用也有记载。他讲道：内侍李舜举家遭到雷电的袭击，“雷火自窗间出，赫然出檐，人以为堂屋已焚，皆出避之，及雷止，其舍宛然，墙壁窗纸皆黔。有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银扣者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚刚，就刀室中熔为汁，而室亦俨然”（《梦溪笔谈》）。人们注意到，遭到雷火袭击的房屋，按理说，木质的器物应被焚毁，可是它们却平安无损，如漆器“不焦灼”。然而，金属本是不易烧毁的，但却“熔流在地”或“熔为汁”。
南宋初的庄绰也讲道，南雄州的一次雷击，“大雷破树者数处，福慧寺普贤像亦裂，所乘狮子凡金所饰与像面皆销释，而其余采色如故”（《鸡肋篇》）。明代的方以智讲得更加明确，他指出：“雷火所及，金石销熔，而漆器不坏。”
2.2 雷电的成因
关于雷电的产生，先秦的慎到首先提出了“摩擦生成说”，他指出：“阳与阴夹持，则磨轧有光而为电。”类似的看法还有西汉的刘安，他认为，“阴阳相薄为雷，激扬为电”（《淮南子·坠形训》）。这就是说，阴阳二气彼此撞击产生雷，而相互渗透产生电。
王充的研究更加深入了，但也是基于阴阳二气的相互作用。王充指出：“盛夏之时，太阳用事，阴气乘之。阴阳分争，则相校轸。校轸则激射”（《论衡·雷虚》）。王充认为，夏天的阳气太盛，而成长的阴气与之相争，二者的相互作用就形成了雷电，王充还列举了一个例子。他说：“试以一斗水灌冶铸之火，气激襞裂若雷之音矣。”（同上）冷水灌进冶铸的大火炉，相当于阴阳二气之争，同时产生了爆裂之声。王充的说法实际是一种“爆炸起电说”的雷电理论。
后人对雷电的研究更为深入，“电，阴阳激耀，与雷同气发而为光者也”，阴阳激发“其光为电，其声为雷”（陆细：《埤雅》）。雷电是“阴阳之气，闭结之极，忽然迸散出”（朱熹）。朱熹注意阴阳作用的突变过程，说明雷电的形成是有一个瞬间的爆发。明代刘伯温的解释要更全面些。他说：“雷，何物也？曰：雷者，天气之郁而激发也，阴气团于阳，必迫，迫极而进，迸而声为雷，光为电。”刘伯温基本上概括了历代学者的观点，其基础仍为元气学说。
2.3 避雷技术
雷电的破坏作用是明显的，如何消除它的破坏作用，至少是降低它的破坏程度？这是古代科学家和工匠一直在研究并力图加以解决的问题，他们提出了一些见解或措施。
对于建筑的防雷措施，据唐代王睿的记载，汉代的柏梁殿遭火灾，有一位巫术家建议对建筑作一些改进。把瓦作为鱼尾状（“鸱尾”或“蚩吻”），放在屋顶就可以防止雷电的破坏（《灸毂子》）。
17世纪，一位法国的旅行家在《中国纪事》中谈到中国的避雷装置。他说：“当时中国屋宇的屋脊两头，都有一个仰起的龙头，龙口吐出曲折的金属舌头，伸上天空，舌根连接着一根很细的铁丝，直通地下，这种奇妙的装置在发生雷电的时刻就大显神通，若雷电击中了屋顶，电流就会从龙舌沿线下行地底，起不了丝毫破坏作用。”这的确是一个很好的发明。
对于雷电的奇观，湖北武当山的金顶奇观中“雷火炼殿”的影象是不寻常的自然现象。由于武当山重峦叠嶂，气候多变，风向不断的变化使云层之间不断的摩擦而带大量的电荷。这种带有大量电荷的积雨云运动到金顶时，云层与大殿之间便形成巨大的电势差。这巨大的电势差使空气电离，并形成巨大的电弧，这就是闪电。这强大的电弧使周围的空气剧烈膨胀而爆炸，产生巨大的声响，这就是雷鸣。空气的膨胀又使电弧的形状发生变形，使人们看到巨大的球形状的电弧，这就是火球。空气巨大的膨胀和电弧使大殿的表面氧化层被剥离，这就是所谓的“炼殿”。因此，雨过天晴，大殿就变得金光灿灿了。
3 磁现象与磁化技术
磁现象的认识比电现象要早，差不多可以追溯到冶铁业创建之初，因为天然磁体也是一种铁矿石。
3.1 磁石性质的认识
最早记载磁石的是《管子·地数》，其中写道：“上有慈石者，下有铜金”。“铜金”是一种铁矿或与铁矿共生的矿物，利用磁铁可以找到矿的位置。这是世界上最早记载磁石的文字之一。在《吕氏春秋》中，对磁石的吸铁性有明确的记载，“慈石召铁，或引之也”（精通）。
磁石吸引物质只限于铁，即“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”，“及其于铜则不通”（《淮南子》）。这就是说，磁石只能吸铁，不能吸引陶瓦和铜器。磁石与铁的关系，高诱注释《吕氏春秋》时指出：“石，铁之母也，以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也。”高诱把吸铁性称作“慈性”，吸铁的石头就自然称作“慈爱的石头”了。
磁石与磁石之间的作用被人们发现后，被人们用于棋盘上的游戏。他们“取鸡血与针磨捣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，置局上，即相拒不休。”（《淮南万毕术》）这种斗棋的“幻术”玩起来十分有趣。《史记·封禅书》中也有类似的记载，即一位方士为汉武帝表演斗棋，他可使棋子“自相触击”。这个方士因此被封为“五利将军”。由此可知，西汉时人们对磁石间的相斥性和相吸性是有所了解的。
3.2 磁化技术
北宋时，曾公亮记载了一种人工磁化方法，他写道：“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”（《武经总要》）。曾公亮的记述是一种人工磁化的方法，是经加热再蘸水得到的。为了使磁化的强度能加强些，工匠实际上利用淬火相变和（地）磁场磁化热处理的技术来提高矫顽力和磁性，这是最早制作人工磁体的记录。此外，他们还利用了锐长条形状减小退磁因数和利用磁倾角来增大地磁场效应。后来，沈括利用铁针在磁石上摩来磁化，他明确指出，这是道士（“方家”）的发明。
3.3 地磁偏的发现
沈括在改进指南针时发现，“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”（《梦溪笔谈》）。磁偏现象并不显著。沈括通过仔细的观察发现了磁偏现象，这的确是一个重要的发现。
磁偏现象并非都“微偏东”，看风水的人对磁偏现象有更多的认识，他们在使用罗盘时有类似的记载。南宋的曾三异曾说道：“天地南北之正，当用子午。或谓江南地偏，难用子午之正，故丙壬参之”（《因话录》）。曾三异的意思是，在地磁子午线和地理子午线一致的地方，用子午正针是可以的。而在中国的东部地区，地磁子午线与地理子午线之间就有一个夹角，就要参用丙壬缝针。
明末，中西交流频繁，学术上也互相启发，磁学的研究也不例外。方以智谈到：“……存中云此外指南，必偏丙位，舶商言：大秦西海偏丁位，则中土在昆仑东，彼海在昆仑西，其气随地势而少变者乎？”（《物理小识·指南说》）。其中“存中”是沈括的字。可见，方以智已认识到，磁偏现象是与地势有关的。清人也有类似看法，即“指南针，术人用以定南北，辨方正位咸取则焉。然指非指正子午，曩云：‘多偏丙午之间’。以法考之，各地不同，在京师则偏东五度四十分有奇。”（《明史·天文志》）这已经明确指出，各地的磁偏现象是不同的，并且指出了京师的地磁偏角。
3.4 磁屏蔽的认识
磁石可以吸铁的原因是什么呢？宋代的陈显微和俞璞对此则从磁石的内部原因加以探讨和说明。陈显微指出，“磁石吸铁……隔碍相通之理，岂能测其端倪哉？”俞璞则认为，这是“神与气和，隔阂相通，犹如磁石之吸铁也”（《古文参同契笺注集解》卷上）。如何阻碍磁石间的作用呢？在收贮指南鱼时，曾公亮指出要用“密器收之”。估计这是一种铁盒子，它形成封闭的磁路以保存磁性。这种“密器”很可能是炼丹术士使用的器具。道士们大量使用磁体可能与他们作“幻术”表演有关，这使他们注意对磁体的保管，以保持磁体的磁性。
明末刘献廷对磁石吸铁现象也有类似的认识。与此同时，他还注意到屏蔽的现象。他写道：“或问余曰：‘磁石吸铁，何物可以隔之？’犹子阿孺曰：‘惟铁可以隔之耳’，其人去复来曰：‘试之果然’”（《广阳杂记》）。虽然刘献廷未能对磁屏蔽现象作出较好的解释，但对这种现象的发现和记载仍是很有价值的。
4 指南针的发明和发展
中国古代不仅对各种磁现象有所发现，而且对这些现象试图加以解释，并有一些很有价值的发明和应用，其中指南针是最伟大的发明。由于指南针的广泛应用，不但指南针的指向精度和稳定性不断改进，而且指南针的结构和形式也不断获得改进。
对磁石指极性的认识，使古人尝试将它应用在方向的确定和辨认上。早在先秦的一些典籍中，人们就提到“司南”，东汉的王充给予了较为明确的说法，即“司南之杓，投之于地，其柢指南”（《论衡·是应》）。由此可见，司南的形状是勺形；使用时放在地盘上；司南稳定后，它的长柄（“柢”）指向南。这种司南可能是方士用于占卜的。
由于司南勺底与地盘的摩擦使其指向的精度受到较大程度的影响，因此，在推广时就受到较大的限制。为了改进司南的指向精度，人们又研制出新的指南仪器——指南鱼。指南鱼同司南比起来，指向精度已有所提高，但由于它的磁性较弱，使它的使用价值有所降低。
对指南针的改进，北宋沈括的贡献尤巨，对指南针的形制，沈括总结出了4种不同的装置，即“水浮多摇荡，指爪及碗唇上皆可为之， 运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南”（《梦溪笔谈》）。由于沈括的悬丝装置很实用，此后寇宗奭作了复述，宋末的程綮也作了转述。
南宋时出现了两种新形制的指南器。对此陈元靓写道：“以木刻鱼子，如母指大，开腹一窍，陷好磁石一块子，却以蜡填满，用针一半佥从鱼子口中钩入，令没放水中，自然指南。以手拨转，又复如此”（《事林广记》卷10）。另一种形制是，“以木刻龟子一个，一如前法制造，但于尾边敲针入去，用小板子，上安以竹钉子，如箸尾大，龟腹下微陷一穴，安钉子上，拨转常指北，须是针尾后”（同上）。
鱼龟二制中，前者属“水针”，后者属“旱针”。明清航海中使用的是“水针”。 正如巩珍于明代宣德九年（1434 ）所指出：“斩木为盘，书刻干支之字，浮针于水，指向行舟”（《西洋番国志》）。这也是关于航海（水）罗盘结构的最早描述。旱针是旱罗盘的始祖，旱罗盘可以克服水罗盘飘忽不定的缺点。旱罗盘是磁针与有分度的“地盘”组合起来的装置。宋代曾三异所说的“地螺”就是这种装置，他说，“地螺或有子午正针，或有子午丙壬间缝针”（《因话录》）。其中“螺”为罗的假借。地罗源于古代的地盘。
我国使用的旱针是从明中叶从欧洲通过日本引入的。我国将旱针盘用于航海则是清代康熙年间，即康熙五十八年（1719），徐葆光出使琉球后所纂《中山传信录》中记载了旱针盘，19世纪，我国民间开始使用自国外引入的旱罗经，并逐渐取代了水罗经。不过，中国人自己也曾研制出旱针。1985年，在江西临川的南宋墓中出土了一个手端罗盘的陶佣。从形象上看，这大概是一个风水行生，手中的罗盘应该是看风水时使用的仪器。
12～13世纪，中国的指南针开始传入阿拉伯地区，进而又传到了欧洲，由于航海业的发展，欧洲人大大改进了指南针，使旱针的技术臻于成熟，并使它得到迅速的普及。可见，指南针为航海业的发展创造了条件，这为资本主义的发展带来了繁荣，为世界文明的发展作出了贡献。