发明指南针的故事
大家知道，指南针是我国古代的四大发明之一。但其发明并不简单，也是一个长期发
展演变，在古代有不同的形状，如司南、指南鱼、指南针、罗盘等。据说黄帝时代，黄帝
部族在于蚩尤部族的战争中，因大雾弥漫、不辨清方向而战败，因而创造指南车。但指南
车是一种机械定向装置，与指南针这一磁性指向装置有本质区别。
春秋时期，古人已认识到磁石的性质及其与矿产之间的联系，如《吕氏春秋》中称
“慈石召铁，或引之也”，《管子·地数》中记载“上有磁石者，下有铜金”。据说秦始、皇用磁石建造了阿房宫的北阕门，人若暗藏刀剑等则被吸住，记得有部电影里就有这个镜头。
最早的指南仪器是司南，战国时已有类似记载。东汉王充《论衡》中明确记载道“司
南之杓，投之于地，其柢指南。”司南的的效果不是很好，因为在磨制天然磁石成为勺子
状的过程容易导致磁性减弱，并且有较大的转动摩擦力。唐代时已有使用指南浮针的记载，北宋初曾公亮《武经总要》中记载了指南鱼的具体的制造工艺，南宋还有木刻指南鱼和木
刻指南龟等装置。但最重要的指南针记载是北宋沈括《梦溪笔谈》：
方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也，水浮多荡摇。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。其中有磨而指北者。余家指南、北者皆有之。磁石
之指南，犹柏之指西，莫可原其理。
这段文明确了指南针，并总结了四种指南装置，即把磁针横穿在灯心草上放在水面上
的水浮法，将磁针放在指甲上指甲旋定法，把磁针放在碗唇口上的碗唇旋定法，用悬丝系
住磁针来定向的缕悬法。并且，还指出了指南针指向“常微偏东，不全南”，说明沈括已
经发现磁偏角，这比哥伦布1492年在海上探险途中发现磁偏角要早400多年。
大约也在北宋时，指南针用于航海，开创了人类航海的新纪元。在此之前，海上定向
只能依据天象，如遇隐晦天气就没有办法了。到元代时，还专门编制出罗盘针路，对针位、针路都有标识，即是记录船行的方向、时间、距离等信息。明代郑和七下西洋，就综合运
用了罗经指向、天文定位、计程计速等航海技术。
指南针不仅大大地推动了我国古代航海业的发展，也为古代世界的航海事业的发展做
出巨大的贡献。大约在北宋末南宋初，中国的指南针经过阿拉伯传入欧洲。此后欧洲又对
航海罗盘作了一些改进。然而，正如沈括所言“莫可原其理”，中国在明清时依然对磁性
没有进一步的认识。但1600年英国人吉尔伯特，经过观察、实验等方法，提出了了地磁
场理论，并研究了电磁现象。此后西方科学更是逐渐深入，远超中国了。
现代人制作了各种电子指南针，美国的苹果手机中就有这个软件，甚至在GPS中也会
用到。
电子指南针将替代旧的针式指南针或罗盘指南针，因为电子指南针全采用固态的元件，还可以简单地和其他电子系统接口。电子指南针系统中磁场传感器的磁阻MR技术是最佳
的解决方法，和现在很多电子指南针还在使用的磁通量闸门传感器相比较，MR技术不需要绕线圈而且可以用IC生产过程IC-like process生产，是一个更值得使用的解决方案。
由于MR有高灵敏度，它甚至比这个应用范围中的霍尔元件更好。
指南针与偏磁角
指南针不仅仅指出南北方向，还指出一条磁子午线，这条磁子午线是随一年四季变化的。其一，在春分，秋分这天，磁子午线与子午线，以及地球的经线三线重合，指南针直
指地球的南北方向极点，误差只有0.08度地轴偏心率，可以忽略不计。其二，在夏至，
冬至这天，磁子午线和子午线是不重合的并且偏磁角最大，最大偏差量为征服23.26度，
也就是说在地球南北极附近偏磁点最大，用地球的周长除以365度角在*正负23度，等于
偏磁极点对应南北极点的距离正负弧度公里。可以讲纬度线越高偏磁角越大，相反，纬度
越低偏磁角越小，“太阳同步轨道词条”详细诠释了地球和太阳同步轨道是随一年四季变
化的论述，也就是说轨道变化与引力有关系，引力又和地磁场的引力等效，并表示出地球
和太阳的取向角度，轨道绕地球产生倾角，假如去处人为设定卫星轨道倾斜度7.8度，那么，地球明暗部分中间那条线就是磁子午线，而卫星轨道是随一年四季变化的四幅小图，
为什么?因为一切事物都是相对而言，都有正反两方面，即，磁子午线指向不变，而地球
的经线轨道在变化。
当我们走进科技馆时，地球仪映入我们眼帘，首先给人第一印象是地轴偏斜了23度
半的球体。仔细观察发现地球的北极点不是球体的最高点，南极点也不是球体的最低点，
这是为什么呢?探究所以，钩深致远多年，通过学习现有知识，发现地轴偏斜23.26度，
使球体面发生了改变。再看地球仪半圆框架刻度盘在取向上，又发现北极轴在方向偏斜23.26度，的地方是球体表面的最高点，南极轴方向向上偏斜23.26度的地方是球体表面
的最低点，我试着在最高点与最低点之间画一条轴线，惊奇的发现，这条线的纵线和黄道
面水平横线相交，恰好垂直为90度，猛然开悟，这不是我梦寐以求要找的纵向磁子午线
吗!偏磁极点吗，磁引力线就是从极点发出的吗?以及地球和太阳的引力线吗。即纵线轴心
线就是磁子午线，横向轴心线就是太阳吸引地球的引力线。
装置
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。
罗盘定位
要确定方向除了指南针之外，还需要有方位盘相配合。最初使用指南针时，可能没有
固定的方位盘，随着测方位的需要，出现了磁针和方位盘一体的罗盘。罗盘有堪舆用的罗
经盘和水罗盘、旱罗盘。
方位盘仍是二十四向，但是盘式已经由方形演变成圆形。这样一来只要看一看磁针在
方位盘上的位置，就能断定出方位来。南宋时，曾三异在《因话录》中记载了有关这方面
的文献：“地螺或有子午正针，或用子午丙壬间缝针。”这是有关罗经盘最早的文献记载。文献中所说的“地螺”，就是地罗，也就是罗经盘。文献中已经把磁偏角的知识应用到罗
盘上。这种罗盘不仅有子午针确定地磁场南北极方向的磁针，还有子午丙壬间缝针用日影
确定的地理南北极方向这两个方向之间的夹角，就是磁偏角。
盘面周围刻二十四方位，内中盛水，磁针横穿灯草，浮于水面。
现在人们已经知道，地球的两个磁极和地理的南北极只是接近，并不重合。磁针指向
的是地球磁极而不是地理的南北极，这样磁针指的就不是正南、正北方向而略有偏差，这
个角度就叫磁偏角。又因为地球近似球形，所以磁针指向磁极时必向下倾斜，和水平方向
有一个夹角，这个夹角称为磁倾角。不同地点的磁偏角和磁倾角都不相同。成书于北宋的
《武经总要》在谈到用地磁法制造指南针时，就注意利用了磁倾角。沈括在《梦溪笔谈》谈到指南针不全指南，常微偏东。指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁倾角的发现使指南针的指向更加准确。
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