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磁铁,从司南到超级储能王

  2014-3-5

  中国人最早发现磁铁的神奇,并用其制作了指南针的前身—司南。现在的磁铁已经成为马达、发电机和变压器这类关键电力技术必不可少的组成部分,特别是稀土的加入,让磁铁成为超级储能王。   汉朝之前磁石称“慈石”   每块磁铁两头都有不同的磁极,一头S极,另一头N极。我们居住的地球也是一块天然的大磁体,在南北两头也有不同的磁极,靠近地球北极的是S极,靠近地球南极的是N极。同性磁极相斥,异性磁极相吸引,所以,不管在地球表面的什么地方,拿一根可以自由转动的磁针,它的N极总是指向北方,S极总是指向南方。   已知最早记载磁铁及其性质的文献是在二千五百年前,来自希腊、印度及中国的文献。古罗马作家老普林尼在《博物志》里就已记载天然磁石及其可以吸铁的特性。中国文献对天然磁石吸铁的描述在《管子》、《吕氏春秋》和《淮南子》中有所提及,被称为“慈石”。   两千多年前,也就是春秋战国时期,中国人已经用铁来制造农具了。劳动人民在寻找铁矿的时候,就发现了磁石(主要成分是四氧化三铁),并且知道它能够吸铁。战国时期《管子·地数篇》最早记载了这些发现:“上有慈石者,其下有铜金。”“铜金”即指一种铁矿。   其他古籍如《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早就被人们发现,《吕氏春秋》九卷精通篇就有:“慈招铁,或引之也。”那时的人称“磁”为“慈”,他们把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为:石是铁的母亲,但石有慈和不慈两种,慈爱的石头能吸引它的子女,不慈的石头就不能吸引了。   据说秦始皇统一六国后,在咸阳附近修阿房宫,宫中有一座门是用磁石做成,如果有人身穿盔甲,暗藏兵器,入宫行刺,就会被磁石门吸住。   既然磁石能吸引铁,那么是否还可以吸引其他金属呢?我们的祖先做了许多尝试,发现磁石不仅不能吸引金、银、铜等金属,也不能吸引砖瓦之类的物品。西汉时人们已经认识到磁石只能吸引铁,而不能吸引其他物品。西汉时有一个名叫栾大的方士,他利用磁石的这个性质做了两个棋子般的东西,通过调整两个棋子极性的相互位置,有时两个棋子相互吸引,有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝,并当场演示。汉武帝惊奇不已,龙心大悦,竟封栾大为“五利将军”。栾大其实是利用磁石的特性蒙骗了汉武帝。   司南最早出现在战国时期   说到磁石就不能不说到指南针和指南车,传说黄帝大战蚩尤时就出现了指南车。指南针的始祖大约出现在战国时期,它是用天然磁石制成的,样子像一把汤勺,圆底,可以放在平滑的地盘上保持平衡,且可以自由旋转。当它静止的时候,勺柄就会指向南方,古人称它为“司南”。《韩非子》中有记载:“先王立司南以端朝夕。”“端朝夕”就是正四方、定方位的意思。《鬼谷子》中记载了司南的应用,郑国人采玉时就带了司南以确保不迷失方向。   春秋时期,人们已经能够将硬度5度至7度的软玉和硬玉琢磨成各种形状的器具,因此也能将硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。东汉时王充在他的著作《论衡》中对司南的形状和用法做了明确的记录。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺形,勺柄指南极,并使整个勺的重心恰好落到勺底的正中,勺置于光滑的地盘之中,地盘外方内圆,四周刻有干支四维,合成二十四向。这样的设计是古人认真观察了许多自然界有关磁的现象,积累了大量的知识和经验,经过长期的研究才完成的。   司南的出现是人们对磁体极性认识的实际应用。但司南也有许多缺陷,天然磁体不易找到,在加工时容易因打击、受热而失磁。所以司南的磁性比较弱,而且它与地盘接触处要非常光滑,否则会因转动摩擦阻力过大而难于旋转,无法达到预期的指南效果。而且司南有一定的体积和重量,携带很不方便,这可能是司南长期未得到广泛应用的主要原因。   人工磁化法发明指南鱼   如果说司南还只是指南针的雏形的话,那么指南鱼就在形态上酷似指南针了。指南鱼是古代人们用薄铁叶剪裁成鱼形,鱼的腹部略下凹,像一只小船,磁化后浮在水面,就能指南北了。当时以此作为一种游戏。东晋崔豹在《古今注》中曾提到这种指南鱼。   北宋时,曾公亮在《武经总要》载有制作和使用指南鱼的方法:“用薄铁叶剪裁,长二寸,阔五分,首尾锐如鱼型,置炭火中烧之,侯通赤,以铁钤钤鱼首出火,以尾正对子位,蘸水盆中,没尾数分则止,以密器收之。用时,置水碗于无风处平放,鱼在水面,令浮,其首常向午也。”这是一种人工磁化的方法,它利用地球磁场使铁片磁化。即把烧红的铁片放置在子午线的方向上,烧红的铁片内部分子处于比较活跃的状态,使铁分子顺着地球磁场方向排列,达到磁化的目的。铁片蘸入水中,可把这种排列较快地固定下来,而鱼尾略向下倾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的发明,对指南针的应用和发展起到了巨大的推动作用。   北宋沈括在《梦溪笔谈》中提到另一种人工磁化的方法:“方家以磁石摩针锋,则能指南。”按沈括的说法,用磁石去摩擦缝衣针就能使针带上磁性。可以看出,这是利用天然磁石的磁场作用,使钢针内部磁畴的排列趋于某一方向,从而使钢针显示出磁性。这种方法比制作指南鱼简单多了,而且磁化效果也好。中国人摩擦式人工磁化的发明不但是世界最早,而且为有实用价值的磁指向器的出现创造了条件。   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。遗憾的是当时指南龟并没有用于航海指向,而用于幻术。指南龟发明年代不晚于1325年。   南宋时已知存在磁偏角   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,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。   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。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。   南宋时,曾三异在《因话录》中记载了有关这方面的知识:“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。成书于北宋的《武经总要》在谈到用地磁法制造指南针时注意利用了磁倾角。沈括在《梦溪笔谈》谈到指南针不全指南,常微偏东,也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。   古代先民在对磁现象的观察和研究过程中,进一步了解了磁的性质,并试图更多地应用这些性质。《晋书·马隆传》记载,马隆率兵西进甘、陕一带,在敌人必经的狭窄道路两旁堆放磁石。穿着铁甲的敌兵路过时,被牢牢吸住,不能动弹。马隆的士兵穿犀甲,磁石对他们没有什么作用,可自由行动。敌人以为神兵,不战而退。东汉的《异物志》记载了在南海诸岛周围有一些暗礁浅滩含有磁石,磁石经常把“以铁叶锢之”的船吸住,使其难以脱身。   魏晋南北朝时,我国先民对磁石有了更多认识。就连诗人曹植在《矫志诗》中也用了“磁石引铁,于金不连”的句子,可见他也了解磁石的特性。南北朝梁代陶弘景在《名医别录》中提出了磁力测量的方法,他指出:优良磁石出产在南方,磁性很强,能吸引三四根铁针,使几根针首尾相连挂在磁石上。磁性更强的磁石,能吸引十多根铁针,甚至能吸住一二斤刀器。陶弘景不仅提出了磁性有强弱之分,而且指出了测量方法。这可能是世界上有关磁力测量的最早记载。   指南针航海始于宋代   指南针在我国古代主要被用于相宅相墓,同时也被用于航海,后者对人类社会进步发挥了巨大作用,因而指南针才得以跻身我国古代四大发明行列。指南针在航海上的应用有一个逐渐发展的过程。成书年代略晚于《梦溪笔谈》的《萍洲可谈》中记有:“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦则观指南针。”这是世界航海史上最早使用指南针的记载。文中指出,当时只在日月星辰见不到的时候才使用指南针,可见指南针刚开始使用时,人们使用还不熟练。   其后,许兢的《宣和奉使高丽图经》也有类似的记载:“惟视星斗前迈,若晦冥则用指南浮针,以揆南北。”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》中也提到:“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”。之后,类似的文献层出不穷,这表明在航海活动中,指南针普及得相当快。   到了元代,指南针一跃而成海上指航的最重要的仪器,不论昼夜晴阴都用指南针导航了。而且人们还编制出使用罗盘导航,在不同航行地点指南针针位的连线图,叫做“针路”。船行到某处,采用何针位方向,一路航线都一一标识明白,作为航行的依据。这一发明后来经阿拉伯传入欧洲,对欧洲的航海业乃至整个人类社会的文明进程,都产生了巨大影响。   延伸阅读   电磁铁的发明   19世纪,经典电磁学理论告诉我们,运动的电荷会产生磁场,天然磁铁的磁场反过来则可以驱动电荷。这个发现足以让大量的铁,自然界最常见的磁性物质,成为马达、发电机和变压器这类关键电力技术的核心,磁芯在这些设备中存储能量,将机械功和电流相互转化。   早在1820年,丹麦的奥斯特就发现了这一原理。1822年,法国物理学家阿拉戈和吕萨克也发现,当电流通过其中有铁块的绕线时,它能使绕线中的铁块磁化。这实际上是电磁铁原理的最初发现。1823年,英国人斯特金也做了一次类似的实验:他在一根并非是磁铁棒的U形铁棒上绕了18圈铜裸线,当铜线与伏打电池接通时,绕在U形铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场,这样就使U形铁棒变成了一块“电磁铁”。   这种电磁铁上的磁能要比永磁能大许多倍,它能吸起比它重20倍的铁块,而当电源切断后,U形铁棒就什么铁块也吸不住,重新成为一根普通的铁棒。斯特金的电磁铁发明,使人们看到了把电能转化为磁能的光明前景,这一发明很快在英国、美国以及西欧一些国家传播开来。   1829年,美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新,用磁电绝缘导线代替裸铜导线,因此不必担心被铜导线过分靠近而短路。由于导线有了绝缘层,就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起,由于线圈越密集,产生的磁场就越强,这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力。到了1831年,亨利试制出了一块更新的电磁铁,虽然它的体积并不大,但却能吸起1吨重的铁块。   大千世界   稀土引发磁场“革命”   磁铁只是一个通称,是泛指具有磁性的东西,实际的成分不一定包含铁。较纯的金属态的铁本身没有永久磁性,只有靠近永久磁铁才会感应产生磁性。一般的永久磁铁里面加了其他杂质元素(例如碳)来使磁性稳定下来,但是这样会使电子的自由性降低而不易导电。铁是常见的带磁性元素,但是许多其他元素具有更强的磁性。   制造更优良磁铁很大程度上都依赖于冶金学家的黑暗魔法:混合各种可能的元素,然后放入磁场,看命运之轮会如何变化。这种神农尝百草的方法一直屡试不爽。上世纪30年代合成的铝-钴-镍磁铁,能量密度就是最好的铁氧体磁铁的两倍。但真正的突破还是以上世纪70年代发现镧系元素或者叫稀土元素的磁性潜力为开端的。这些元素在元素周期表上总是独立成区,无一例外都能贡献大量自旋相互平行织连成片的电子。用钴和稀土元素钐的混合物做出的磁铁,储能甚至比铝-钴-镍磁铁还要高一倍。   磁铁中最大的明星还要属由稀土元素钕加上铁和硼制成的磁铁。在上世纪90年代之前,这些钕系磁铁得到了突飞猛进的发展,以至于指甲盖那么大一块磁铁产生的磁场,比整个地球铁质核心的磁场还要强数千倍。室温下,钕磁铁是我们目前所知的最强磁铁。   最终,这带来了一场磁场革命。从汽车中的动力输送,到让硬盘、CD和DVD盘片高速旋转的马达;从扬声器和耳机中将电流脉冲转换成声响的振膜,到医学磁共振成像(MRI)中所需的超高密度磁场—但凡需要用最小体积产生最大磁场的地方,都会闪现出钕磁的身影。
文章来源:奕灿磁铁-强力磁铁
 
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