第一节　指南针

司南模型

一、指南针的来历和发展

指南针之所以叫做指南针，主要就是因为这东西是用来指南的。最早在战国时期《韩非子》一书中，就记载了现代指南针的原型——司南，“先王立司南以端朝夕”；东汉王充《论衡》中还记述了司南的具体形制：“司南之杓，投之于地，其柢指南”。

但是，战国时期的司南是什么样子已无法考证。《中国历史》课本插图——“司南”，是根据中国历史博物馆展品“汉代司南模型”绘制的。这个模型是后人根据史书记载以及地下出土的汉代地盘实物制成的。地盘用青铜做成，内圆外方，中心圆面磨得非常光滑，以保证勺体指示方向准确。中心圆外围依次布列八卦、天干、地支和二十八宿，共计二十四个方位。地盘中心的小勺是用整块的天然磁铁磨成的，磁铁的正极磨成司南的长柄，勺头底部是半球面，非常光滑。使用时先把地盘放平，再把司南放在地盘中间，用手拨动勺柄，使它转动，等到司南停下来，勺柄所指方向就是南方。这种勺形司南直到8世纪时仍在应用。

指南针不但最早为中国发明，随后又演变成罗盘并应用于航海事业。北宋朱彧所著《坪洲可谈》一书中，最早记载了航海中使用指南针的情况，“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，隐晦观指南针”。其后，南宋福建路市舶司（当时管理对外贸易的政府机关）提举赵汝适在所著《诸蕃志》中提到，“舟舶来往，惟以指南针为则，昼夜守视惟谨，毫厘之差，胜似系焉”。就在这一时期（北宋末南宋初，约为公元1180年左右），中国的指南针（或者说罗盘）通过阿拉伯商人传入欧洲。此后，罗盘在世界航海事业上被广泛应用，因此才有15世纪～16世纪欧洲人的世界地理大发现。

指南针主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向。它常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。

著于公元前600多年的管仲的著作《管子》中记载：“上有磁石者。下有铜金”。意思说，如果山上有磁石时，山里就藏有铁矿。中国古地理名著《山海经》中，也曾记载“题灌山中多磁石”。《水经注》里记载了秦国阿房宫有磁石制成的大门，防范刺客，如有人暗披盔甲、身藏兵器入宫，就会因铁器被门吸住而被发现，这说明中国人很早就发现了磁石的吸铁性，并加以利用了。

指南针

在长期的生产斗争中，中国劳动人民进一步利用磁体的指极性，制成了指南针。《鬼谷子》中记载，郑国人到深山密林中去采集玉石时，为了不迷失方向，带着“司南”。“指南”是张衡在《东京赋》中第一次提出来的，之后经过魏晋、南北朝、隋、唐、宋，指南针经过1000多年的发展逐渐成型并固定了下来。宋代杰出的科学家沈括在《梦溪笔谈》中，对当时指南针的发展状况作了详尽的论述。当时生产和科学实验的发展，特别是航海和外贸的兴起扩大，推动了指南针的发展。沈括总结了4种指南针的装置方法。第一种是水浮法，将磁针浮于水面进行指南，虽然比较平稳，但容易动荡不定；第二种是指甲旋定法，将磁针置于指甲上，转动灵活，但容易滑落；第三种是碗唇旋定法，将磁针置于碗口边上，转动较灵活，但易滑落；第四种是缕旋法，用蚕丝将磁针悬挂起来，可达到转动灵活又稳定的效果。他还记载了人工授磁方法：“以磁石磨针锋，则能指南”。人工制成磁体，这是一个巨大的进步。此外，当时人们还曾制出过“指南鱼”、“旱针”、“水针”。指南鱼是把薄钢片剪成鱼形，长二寸，宽五分，鱼的肚皮部分凹下去，使鱼像船一样能浮在水面上。然后将它加热并沿子午线方向淬火使之被地磁场磁化。这种人工磁化方法制成的指南鱼比使用司南方便多了，只要有一碗水，把指南鱼放在水面上就能辨别方向了。经过长期的改进，人们又把钢针在天然磁体上摩擦，钢针也有了磁性。这种经过人工磁化的钢针可以说是正式的指南针了。旱针、水针这两种指南针，为近代指南针（罗盘针）的基本结构奠定了基础。沈括在研究指南针的过程中，还总结并指出地磁有偏角存在。他说，指南针指示的方向，“常微偏东，不全南也”。这是我国对地磁学作出的伟大贡献。

指南针的磁针为什么“常微偏东，不全南”呢？这需要了解磁子午线。

磁子午线是指地球表面上某点地磁水平分力线所切的地球大圆。磁针在仅受地磁影响（没有自差）的情况下，其指向即磁子午线方向。也就是说，在地球磁场作用下，磁针在某点自由静止时其轴线所指的方向即磁子午线方向。因地球两极和地磁两极的不重合性，磁子午线一般不经过地球南北极，故磁针所指的磁北方向不一定是地球北极的方向。

二、指南针指示方向的原理

地球是个大磁体，其地磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近。指南针在地球的磁场中受磁场力的作用，所以会一端指南一端指北。南宋人研究指南针原理，仍认为“指南针之所指，即阳气之所在”，但对于磁偏角现象，他们所考虑的因素更多转向地理方位的坐标系统。中国古人认为地是平的、大小有限，这样地表面必然有个中心，过该中心的那条子午线就是唯一的南北方向。南宋人曾三异等认为，一旦测量地点不在这条南北线上，指南针所指向自然“少偏”。到明代，有人假托南唐人著作指出，指南正针由大地方位系统决定，而偏角则由天体方位划分系统所决定。关增建认为，这种说法“体现了传统指南针理论在阴阳感应学说和磁偏角的存在这一矛盾面前所表现出来的窘迫”。

电子指南针

指南针是重要的导航工具，甚至在现代的导航系统如GPS中也会用到。大多数情况下，电子指南针已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，还可以简单方便地和其他电子系统连接。

电子指南针系统中，磁场传感器的磁阻（MR）技术是目前最佳的，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生产过程生产，因此更值得采用。由于MR有高灵敏度，它甚至比这个应用领域中的霍尔元件更好。