中国古代的电磁学成就

中国古代的电磁学成就中国古人对电和磁的知识的积累及其技术成就，在世界物理学史中占有极为重要的地位。古代人在雷电、静电、静磁学方面的知识以及在罗盘的制造方面远远地走在欧洲人前面。除了用的传统方式解释磁体极性、磁偏角之外，在其他方面的科学发现和技术成就也是令人惊叹的。对尖端放电现象的观察和研究，使古人发明了避雷器，用于高大建筑的顶端，防止雷击。特别是磁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。一、摩擦起电我国古代人在电学知识方面很早就有了“琥珀拾芥”的记载，对静电和雷电现象也有许多值得称道的见解。琥珀是一种透明的树脂化石，在古籍中也写作“虎魄”、“虎珀”。玳瑁是一种类似龟的海生爬行动物，其甲壳也叫玳瑁；汉代王充等人称它为“顿牟”。静电现象的最早记载见之于西汉成书的《春秋考异邮》：“玳瑁吸喏”。“喏”即草屑一类轻小绝缘体。王充在《论衡·乱龙篇》中写道：“顿牟掇芥，磁石引针，皆以其真是、不假他类。”东晋郭璞在《山海经图赞》中写道：“磁石吸铁，玳瑁取芥，气有潜通，数亦宜会，物之相投，出乎意外”。明代李时珍说：“玳瑁拾芥，如草芥，即禾草也。”类似记载，举不胜举。需要指出的是，芥子比草芥稍重，只要静电力足够大，干燥的芥子也能被琥珀吸引。从以上种种记载可见：人们根据吸引现象将电和磁并列为同一类，这是后来电磁学的思想先导。在西方古代，电和磁是被分别认识的。除了琥珀、玳瑁之外，古代人还发现了毛皮、丝绸和其他多种物质的静电现象。它们之所以被发现，是由于静电火花和放电声音引起人们的注意。西晋张华在其著《博物志》中最早记述了静电闪光和放电声。他写道：“今人梳头、脱著衣时，有随梳、解结有光者，亦有咤声。”这里描述了两个静电实验：一是用梳子梳头发；二是猛然解脱毛皮或丝绸质料衣服。在这两个实验中都能发现静电闪光和听到放电声。《晋书·五行志》记载了这样一件事：晋永康元年（300），晋惠帝司马衷纳羊氏为后。羊氏入宫就寝，侍人为其解脱衣服；“衣中忽有火，众咸怪之”。这就被当成一件怪事从后宫传出。方以智认为，所有布料都能摩擦起电。他写道：“青布衣，大红西洋布及人身之衣，气盛者皆能出火。”方以智的论断是完全正确的；他所谓“气盛”是他那时代对摩擦起电的一种流行解释而已。梳理头发和解脱衣服所发生的静电放电现象。二、对雷电的认识在殷商甲骨文中就有了“雷”和“电”的文字符号。从古代人分别造“雷”与“电”二字起，他们在一个较长时期里在大多数情况下将雷电看作是两种自然现象。《淮南子》说：“阴阳相薄为雷，激扬为电”。它以阴阳二气摩擦与碰撞的激烈程度来区分雷电。早在战国时期，《慎子》说：“阴与阳夹持，则磨轧有光而为电”。《慎子》一书已具有从声音与光二者区分雷电的思想。宋代陆佃在《烟雅·释天》中指出：阴阳相激，“其光为电，其声为雷”。只到此时，雷声电光作为同一现象的不同表现才被人们所认同。汉代王充对雷电有精辟见解，曾论证雷的本质是火。他在《论衡·雷虚篇》中写道：“雷者，火也。以人中雷而死，即询其身，中头则髦发烧焦，……临其尸上闻火气，一验也。道术之家以为雷烧石色赤，投于井中，石焦井寒，激声大鸣，若雷之状，二验也。人伤于寒，寒气入腹，腹中素温，温寒分争，激气雷鸣，三验也。当雷之时，电光时见，大若火之耀，四验也。当雷之击时，或燔人室屋及地草木，五验也。言雷为天怒，无一效验。然则雷为天怒，虚妄之言。”王充的以上论述，除第三验为中国特有的中医理论外，其余四验都是实证的、科学的。他从这些方面论证雷电就是火。在王充1600余年后，美国富兰克林才达到王充的认识水平。《南齐书·五行志》记载了公元490年的一次雷电现象：“雷震会稽山阴恒山保林寺，刹上四破，电火烧塔下佛面，而窗户不异也。”在寺庙中，佛面常粉以金属涂料，它容易导电。但是，对于雷电而言是比较复杂的。王金樵《读律佩满》有云：“雷发徽州典肆，内外扁藏金铁物，皆以类化，而封识如故”。明代方以智通过论述自然界发生的种种雷电现象，总结了“雷火”特性，他说：“雷火所及，金石销熔，而漆器不坏。”所谓“金石”，也就是金属物质。方以智可能是在对受雷电作用的自然界物质进行分类：导电的金属物质被熔化、烧断，而不导电的漆器尚能保存。古代人对尖端放电和大气电现象早有研究，汉代就有观察到长兵器尖端在大气电场中的放电现象的记载。晋惠帝永兴元年（304），成都王发动叛乱，攻长沙，陈兵于邺城，夜里“戈载锋皆有火光，遥望如悬烛”。元顺帝至正二十一年（1361）正月癸酉，“石州大风拔木，六畜皆呜。人持枪矛，忽生火焰，抹之即无，摇之即有”；明代方以智在《梦溪笔谈》中以“野火塔光”一词将磷光和尖端放电归为一类。他写道：“军中刀枪火起，其理亦与野血同。又曰塔放光者，地中真火，以上腾为本性，而壅阙和合于土上，故蒸为温气，发育万物，风雷云雨霜电虹蜺，无之而非是者。上腾之性，每依直物而起，偶此塔有蕴腻凝滞之气相触，则附丽发光，与野燐同理。试观乎雷，亦火也，每依墙杆栋楹有披击出声而上者，可触类也。”方以智这个唯物的思辩解释也远远胜过同时期西方人归之于神的说法，他的观察极其仔细，将尖端放电解释为雷电之气“上腾之性，每依直物而起”，这个解释是很有价值的。中国古建筑有否避雷的因素或措施，古代人在建筑高堂大厦、亭阁寺塔中是否知道避雷并有意识采用某些避雷或消雷措施。古代人曾以大青石建造“避雷室”，其原理大概与绝缘避雷说相同。刘宋朝盛弘之《荆州记》载：“湖阳县，春秋参国樊重之邑也。重母畏雷，为母立石室以避之，悉以文石为阶砌，至今犹存。”位于山西应县佛宫寺内的应县木塔建于辽清宁二年（1056），是木结构楼阁式建筑，总高67米多；铁制培刹全长14，21米，伸出塔顶长9．91米。塔刹铁柱被分别系于各个屋脊端的8条铁链所固定。对应县木塔的模拟高压实验表明，因塔基的绝缘性能好、塔身形同现代绝缘子，故雷电前锋通道一般不向塔身推进；雷电向高电阻率区域放电的概率小于向低电阻率区域放电的概率。因此，就应县木塔而言，其长期未被雷电破坏的原因是“绝缘避雷”的结果。三、磁石的性质及其应用战国时期，由于炼铁技术的兴起，人们已发现了磁铁矿与其他矿物的共生关系。《管子·地数》写道：“上有丹砂者，下有黄金。上有慈石者，下有铜金。”秦汉时期，人们称磁石为“慈石”。《吕氏春秋·季秋纪·精通篇》写道：“慈石召铁，或引之也。”几千年来，中国人对磁石释义一直持此说法。这表明，他们早在公元前7世纪已经发现了磁石的吸引性质。大约在唐宋年间，将“慈石”写成“磁石”或“磁石”。古代人还根据磁石吸铁能力将磁石分类。刘宋时期《证类本草》中指出：“夫欲验者，一斤磁石，四面只吸铁一斤者，此名延年砂；四面只吸铁八两者，号曰续采石；四面只吸铁五两以内者，号曰磁石。”古代人的这种分类法可以看作现代对磁性材料的分类之肇始。磁石的吸引性比较容易被人们所发现，明确记载到磁石吸引性质的最早文献是公元前3世纪的《吕氏春秋》。它写道：“慈石召铁，或引之也。”《鬼谷子·反应篇》记有“慈石之取针”，此处的“针”当为铁针。磁石可以吸铁，但它不能吸引其他某些物质，这一现象也被古代人所发现。《淮南子·览冥训》写道：“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦则难矣。物固不可以轻重论也。”磁石的作用可以在相隔一段空间距离内发生，这种现象被晋代人称之为针诞生之后，只要将其置于地盘中央，罗盘就随即问世；罗盘在中国至晚产生于12世纪下半叶。早期人们称罗盘为“地螺”。其中的“地”也是地盘之意；“螺”，原是软体动物，或假其硬壳上旋纹以示磁针之旋动。又借地盘之N方位，罗盘有分度列向、以正南北之功用，