磁现象与电现象
随着铁器的使用和铁矿开采的发展，人们发现了磁石的吸铁性质。《管子·地数》中就有“上有慈石者，下有铜金”的记载。先秦古籍把“磁石”写作“慈石”；把磁石吸铁现象比用慈母之怀子。《吕氏春秋》高诱“注”说得很清楚：“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子，石之不慈者，亦不能引也。”后来人们逐步认识到磁石只能吸引铁，而不能吸引非金属与铜等其他金属。《淮南子》指出：“若以磁石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”，“及其于铜则不通”。三国时有人进一步指出“慈石不受曲针”，所谓“曲针”，大约是指金、银、铜之类金属制成的针。这些发现使“磁力”的外延得到初步的划定，也是认识深化的表现。这又导致了人们的思考，为什么磁石只能吸引铁而不能吸引其他金属或非金属呢？这一点，西汉董仲舒认为无法理解。他说：“磁石取铁”，“奇而不怪”，“非人所意也”。到了东汉王充就用“气”的观点加以说明，认为是“气性”相同，互相感动的结果。东晋郭璞也说那是“气有潜通”的原因。后来，人们更加明确地用阴阳相感去说明。宋代陈显微、俞璞等人都主张，“磁石吸铁”是“阴阳相感”、“神和气合”的结果。这些解释当然还是十分模糊的，远没有触及问题的本质。但是，能够从铁和磁石之间内在的“气”的联系去寻找原因，还是有可取之处的。
电与磁有本质上的联系。我国古代对于某些静电现象的记载，恰恰是和磁现象相并列的，例如大约成书于公元前20年的《春秋纬·考异邮》就说：“慈石取铁，玳瑁吸。”王充《论衡·乱龙》云：“顿牟掇芥，磁石引针，皆以其真是，不假他类，他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也。”东晋郭璞《山海经图赞》云：“磁石吸铁，玳瑁取芥，气有潜通，数亦宜会，物之相投，出乎意外。”前面所说的“顿牟”，亦即今日的玳瑁，是一种绝缘体，经过摩擦带电就能吸引芥子一类轻小物体。这里把磁现象与静电现象联系在一起，并且统一地归结为“气”，是有意义的。
后来，人们对于静电吸力的观察更加深入了。发现了一些特别的情况。三国时代，人们已经知道“琥珀不取腐芥”。“琥珀”，是一种树脂化石，绝缘性能很好，和玳瑁一样，经过摩擦后就能吸引轻小物品。这个现象，汉代以来就为人们所熟知。“腐芥”是指腐烂了的芥籽，必定满含水分，因而具有粘性，容易粘着别的物体上，难以吸动。另外，腐芥上蒸发出水气使周围空气以及和它接触的桌面都潮湿，以致易于导电。当腐芥接近带电体，因感应而产生的电荷，容易为周围的潮湿空气和桌面传走，所以静电吸力一定很小。可见“琥珀的不取腐芥”不但是事实，而且是符合电学原理的，也是人们深入观察研究摩擦起电现象所得到的一个结论。既然芥籽的不同会影响静电吸力，那么琥珀的不同会不会影响静电吸力呢？当然也是有影响的，6世纪时，南北朝时代的科学家陶弘景（456~536）在其所著的《名医别录》中说：“琥珀，惟以手心摩热拾芥为真。”这就是说，经过人手的摩擦，容易起电，才是真的琥珀。可见，这时已经知道以是否具有明显的静电性质，作为鉴别真假琥珀的标准，这是初步的电学知识的实际应用。
摩擦起电在一定条件下，能够发生火星，并伴随轻微的声响。这种称为“电致发光”的现象，在古代也时有发现与记录。
晋张华《博物志》云：“今人梳头、脱着衣时，有随梳、解结有光者，也有咤声。”这里记载了两个现象，一个是梳子和头发摩擦起电，另一个是外衣和不同原料的内衣摩擦起电。古代的梳子，有漆木、骨质或角质的，它们和头发摩擦是很容易起电的；丝绸、毛皮之类的衣料，互相摩擦也容易起电。当天气干燥，摩擦强烈时，确实能有火星与声响，当然，这火星与声响是十分微弱的，张华能觉察到，说明他十分仔细、认真。
对于此类电致发光现象，古代能从各个不同的场合、不同的情况下观察到，并加以记载。例如唐代段成式的《酉阳杂俎》记载到，黑猫在黑暗之中“逆循其毛，即若火星”。明代时有人发现身上穿着的丝绸衣服，“以手摩之良久，火星立出。”（《三余赘笔》）同时代的张居正曾记载一件亲身经历的现象：“凡貂裘及绮丽之服皆有光。余每于冬月盛寒时，衣上常有火光，振之迸炸有声，如花火之状。”（《张文忠公全集》）这里指出，电致发光比较多见于“冬月”，是正确的，那是因为空气干燥；但他解释这个现象说：“人以为皮裘丽服温暖，外为寒气所逼，故搏击而有光，理或当尔。”把它归结冷暖二气的作用，却是不对的。
有趣的是，西方对于静电现象的发现也有类似的事例。譬如《博物志》记录的毛发起电现象，在欧洲是波义耳（1627~1691）观察到的；猫皮的摩擦起电，是盖利克（1602~1686）发现的；丝绸织物的起电现象，牛顿（1642~1727）也曾试过。
大气中的电磁现象
大气中的电磁现象种类不少，古代能够观察到的主要是雷电、地光与极光。
雷电是大气中最常见的电现象。在甲骨文、金文中就有“雷”字与“电”字。当时的“电”字是指闪电而言。人们对于雷电这一动人心魄的自然现象，开初是十分畏惧的。后来逐步能以阴阳理论加以解释了。《淮南子·地形训》认为：“阴阳相薄为雷，激扬为电。”东汉王充专门写了一篇“雷虚篇”，来驳斥“雷为天怒”等有神论观点，认为雷电无非是阴阳二气斗争的表现。他描写夏天阴阳二气的作用说：那时阳气占支配地位，阴气同它相争，结果便发生碰撞、摩擦、爆炸与激射，因此就形成为雷电。王充还用冷水骤然浇到烈火中所发生的现象，来形象地比拟雷电：试以一斗水灌冶铸之火，气激迸裂，若雷之音矣。他举出五种证据来说明雷在本质上就是火。
唐代，人们对雷与电的关系作进一步的说明，孔颖达在《左传》“疏”里，说“电是雷光”。后来，有人还说，“雷电者，阳气也，有声名曰雷，无声名曰电”。在这一点上讲得最分明的是宋代的陆佃，他在《埤雅》一书中说：“电，阴阳激耀，与雷同气发而为光者也。”并且说阴阳相激，“其光为电，其声为雷”。他还用铁与石相击所产生的火星与声响去比喻电和雷。宋代周密的《齐东野语》一书，说得更加形象，他认为阴气凝聚，阳气被包围在里面，一下子爆炸起来，结果就“光发而声随之”。对于雷电威力的巨大，朱熹有个解释，他说雷电是“阴阳之气，闭结之极，忽然迸散出”。这里着重于闭结之“极”与迸散的“忽然”，是值得注意的。以今天的眼光看，就是说极大的能量在极短时间内爆发。明代的刘基有一段话，对雷电解释得最全面、生动。他说：“雷者，天气之郁而激而发也，阳气团于阴，必迫，迫极而进，进而声为雷，光为电。犹火之出炮也，而物之当之者，柔为穿，刚必碎，非天之主以此物激人，而人之死者适逢之也。”他对雷电成因的解释，基本上继承前人的说法，可是他用炮弹出膛来比喻是很形象的，指出了人之被击毙，乃是“适逢之”，并非什么天意的惩罚，是一种科学的态度。
应当指出，这些解释之中的阴阳，并不是正负电荷。在古代也根本不可能产生现代科学中的电概念。所有这些解释，也只能使我们看到阴阳理论的一些科学因素及其生命力而已。
古代对落雷现象也有一些记录。《南齐书·五行志》记载公元490年会稽山阴恒山保林寺为雷所击，注意到“电火烧塔下佛面，而窗户不异也”。宋代沈括《梦溪笔谈》有一段描写李舜举家遭雷击：“其堂之西室，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，其中杂储诸器，其漆器银扣者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚，钢就刀室中熔为汁，而室亦俨然。”这两条记载都注意到佛面所敷的金粉、银扣、钢等金属经雷后都要发热熔化，而窗户、漆器等无损。南宋庄绰在其所著的《鸡肋篇》中也举出亲见的事实，说“与沈（括）所书盖相符也”。到了明代方以智更加明确地总结为“雷火所及”，金石销熔，而漆器不坏”的规律。所有这些可以说已隐隐指出导体与绝缘体两类物质在电学性能上的差异。尤其是沈括特别指出了“人必谓火当先焚草木，然后流金石。今乃金石皆铄，而草木无一毁者，非人情所测也”。有了概括性的阐述，但是无法理解。我们当然不能要求那时能够出现导体、绝缘体一类的概念。
值得注意的是，古代在很早的时候还观察到大气中的尖端放电现象。据《汉书·西域传》记载，士兵们曾见到“矛端生火”。东晋干宝的《搜神记》也说话，部队营寨，夜间“戟锋皆有火光，遥望如悬烛。”矛、戟等都是古代长杆兵器，例如矛，就有三五米长，直立的时候，其锋刃就是一个高高竖起的金属类端。当带电云层较低，经静电感应，就能引起类端放电而发光的现象。据后来的记载，这种现象也见之于许多高耸的建筑物的顶端。例如明代“万历三十九年（1611）六月十三日，夜，东塔放金光，若流星四散”（光绪《加兴府志》）。这类记载很多，大约是尖端放电现象。它是感应电荷通过尖端陆续、缓慢地释放，可以避免骤然的爆发，从而起了避雷的作用。实际上这就是避雷针的基本原理。我国在三国与南北朝时期古书中，就出现“避雷室”一词，但没有详细的记载。法国旅行家卡勃里欧别·戴马甘兰游历中国之后，于1688年写了一部《中国新事》，里面说：“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，伸向天空，舌根连接着一根很细的铁丝，直通地下。这种奇妙的装置，在发生雷电的时候，就大显神通，若雷电击中了屋宇，电流就会从龙舌沿线下行地底，起不了丝毫破坏作用。”在我们的古代建筑里，确有这样的脊头装饰，但究竟是不是一种有意识的设计，实在还不敢断定。不过，也确实有些值得注意的地方：第一，我国古代对于尖端放电的现象已有某些认识；第二，唐代王睿《炙毂子》上有一段记载说，汉代的古建筑柏梁殿遭火灾，有个搞巫术的人建议把瓦做成鱼尾形状，放在屋顶上，就可以防止雷电引起的天火，这个脊头饰物可能是为了避雷而设计的；第三，除了这种屋脊饰物之外，还有些高层建筑的部位结构值得注意，比如塔的顶尖往往敷上一层金属膜，那直达地下的塔心柱所采用的往往是比较易于导电的木料，塔心柱下端又有贮藏金属的“龙窟”，这也许可以起了避雷的作用。有些高大的殿宇也有所谓的“雷公柱”等设施。用这一切去分析，《中国新事》的记载也许不是凭空捏造的。当然，这个问题还不能最后下结论，有待于更多证据的发现。
发生地震之前，地面会出现一种类似闪电的亮光，称为地震电光，简称地光。它的成因至今还不甚清楚。大致说来，是在强烈的地震及其前后，震源及附近岩层的电场强度往往增强，大气的电场强度也跟着增强。同时，地震活动使地下大量气体沿裂缝进入大气。这些气体在地壳中上升时，被地壳的电场所电离，进入大气，更增强了大气的电场。当大气电场强大到某种程度，就能使空气放电而发出亮光，这就是地光。
我国古代关于地光的记载，以各地方志里为最多，例如：
《成都志》记载：公元293年2月4日，成都发生地震之前，“有火光入地”。
《万历实录》记载：公元1509年5月26日夜里，“武昌府见碧光闪烁如电者六、七次，稳稳有声如雷鼓，已而地震”。
《正德实录》记载：公元1513年12日30日，四川隽县“有火轮见空中，声如雷，次日戊戌地震”。
《江陵县志》记载：公元1613年8月15日深夜，湖北江陵发生地震之前“天忽通红”。
《沅江县志》记载：公元1637年4月3日湖南沅江发生地震前，“子时天响有光，移时地震一刻”。
《颖上县志》记载：公元1652年3月24日，安徽颖上地震发生时，“红光遍邑”。
《溧阳县志》记载：公元1846年秋天，江苏溧阳地震前，“有赤光自北而南”。
所有这些文字里的“火光”、“电火”、“红光”、“赤光”、“碧光”等等都是古人形容地光的名词。上述这些记载是如此确切、生动，它们是科学史上极其珍贵的资料。它们的意义在于地光能够反映岩层的活动，和地震有着密切的内在联系，尤其是有助于临震预报。
极光有北极光和南极光。我国地处北半球，故只能看到北极光。一般来说，高纬度地区看到极光的机会比较多，但在中低纬度地区偶尔也可以看到，不过亮度要弱得多。
一般认为极光的原因在于：太阳发射出来的无数带电粒子受到地球磁场的作用，运动方向发生改变，它们沿着地球磁力线降落到南、北磁极附近的高空层，并以高速钻入大气层，这些带电粒子跟大气中的分子、原子碰撞，致使大气处于电离并发光，这就是极光。各种原子发出不同的色光，所以极光呈现五彩缤纷的颜色：一般为黄绿色，也有白色、红色、蓝色、灰紫色，或者间而有之。
我国古代关于极光的记载很早。远在几千年前传说的黄帝时代曾出现过“大电光绕北斗枢星”。《竹书纪年》记录了大约发生在公元前950年的一次极光：“周昭王末年，夜清，五色光贯紫微。其年，王南巡不返。”描述了极光的时刻、方位和光色，是我国最早而翔实的极光记载，比西方早了600年！
我国古代关于极光的记载是很丰富的。当时没有极光的名称，而是根据各种极光现象的形状、大小、动静、变化、颜色等分别加以称谓。这种分类命名法，最早见于《史记·天官书》，可见至少已有2000多年的历史了。清顺治九年（1652），黄鼎的《管窥辑要》卷十六“祥异”部分就绘有极光的草图，其中有些图绘制得很好，与现代极光摄影几乎完全一样，但也有些图是牵强附会的。
极光是研究日地关系的一项重要课题，它跟天体物理学和地球物理学都有密切的关系。特别是在古代，既无精密的天文仪器观察太阳活动，又无仪器记录地磁、电离层各种扰动情况，所以古代记载下来的极光史料可以说是无价之宝。它可以帮助人们了解过去太阳活动、地磁、电离层等变动的规律，还可以探讨古地磁极位置的变迁过程。
对磁性的进一步认识
开始，人们只知道磁石能够吸铁，后来指出了它不能吸引其他金属与非金属。在长期的研究中，对于磁石的物理性质的认识逐渐扩大，归纳起来约有以下三点：
其一，在西汉《淮南万毕术》一书中，可能已提到了磁体的相斥现象。据《太平御览》所引，他们曾以胶合磁粉的办法，做成能显出极性的小磁体，作棋子状，这些小棋子互相接近时，能够“相拒不休”。就文献字面而言，“相拒不体”指的只能是磁极之间的相斥现象。至于利用胶合磁粉制造磁性棋子的可能性如何，下面还要讨论。
其二，磁屏的发现。磁力能透过铁族物质以外的其他任何物质，换言之，只有铁族物质才能阻隔磁场的传递。宋代的陈显微就指出磁力能够“隔碍相通”。张君房的《云笈七签》也说：“磁石吸铁，间隔潜应。”古人当然无法说明其中道理，陈显微只能感叹“岂能测其端倪哉？”
最值得注意的是清初刘献廷《广阳杂记》的一段记载。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，’余曰：‘此何必试，自然之理也。’”这位问者，不但提出问题，而且肯动手做实验来验证，其科学精神是可嘉的。阿孺也算得是博学多闻。刘献廷本人能把这件事的始末记载下来，也是难能可贵。但他只用“自然之理”去说明磁屏现象是远远不够的。至于说：“何必试”更是不妥当的。磁屏现象在欧洲，迟至1600年才由吉伯发现，晚于我国600年。
其三，磁体指极性和磁偏角。中国指南仪器大约始于汉代。王充《论衡·是应篇》：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”司南之杓，为磁性的勺子。将磁勺放到地盘上即能指南，解释上有困难，所以王锦光、闻人军认为此句中“地”应为“池”（因字形很相似），指“水银池”。柢为勺柄。原文整句意思就是说：“磁性的勺子，投到盛水银小容器中，浮着的磁勺的柄将指向南方。”
指南针的四种支悬法
到了北宋初年，司南发展成为指南鱼（制法详见后面“人造磁体的出现”）。“平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。”
北宋相墓书《茔原总录》卷一说：“客主的取，宜匡四正以无差。当取丙午针，于其正处，中而格之，取方直之正也。”《茔原总录》由司天监杨维德于1041年撰写。从中可见当时已有人造磁针，用于测定坟地的方向，方家在这类活动中已经发现了地磁偏角，并提出了校正磁针定向误差的方法。关于磁针的制法和用法，文中不见交代。几十年后，沈括在《梦溪笔谈》中作了说明，可视为《茔原总录》的补充与发展。
《梦溪笔谈》卷二十四说：“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。”沈括的记载表明，磁针系方家以磁石磨针锋所得。水浮法是原来常用的方法，但有“多荡摇”的缺点，沈括尝试改进，“以针横贯灯心，浮水上”，发现几种方法中“缕悬为最善”。
人造磁体
我国古代以人为方法制造磁体可能有三种方法，介绍如下：
磁粉胶合法
西汉《淮南万毕术》有两条记载：
“慈石提棋”。注云：“取鸡（血）磨针铁，以相和慈石、棋头置局上，自相投也。”
“慈石拒棋”。注云：“取鸡血与作针磨铁，捣之，以和慈石，用涂棋头，曝干之，置局上，即相拒不休。”
综合这两条来看，“提棋”、“自相投”，指相吸；“拒棋”、“相拒不休”，当指相斥。在西汉之前，只发现磁石的吸铁性质，这里记载了磁体的相斥现象，这是一个很大的进展，以磨针所得的铁粉与磁石粉末一起拌入鸡血，涂在棋子上。晾干之后，用磁石去接近它，有相吸现象是可能的。但要出现相斥，棋子必须有极性，也就成了人造磁体。就理论而言，每个磁石粉末具有极性，掺入铁屑就能大大增强磁畴。鸡血作为一种粘合剂，拌入磁粉与铁末涂在棋子上，放置在地球磁场中，慢慢晾干，凝结的过程中，每个磁与铁的小颗粒必循着地球磁力线作有规则的排列，因而可以显出极性来。但本编作者之一洪震寰做过实验，不能成功。虽然如此，还不能贸然否定它的可能性，因为除了《万毕术》之外，《史记》、《汉书》等历史典籍也都记载所谓“栾大斗棋”，据解释就是指这件事。后世也有这方面的记载，例如南宋庄绰（季裕）的《鸡肋篇》说有人搞幻术骗钱，“捣磁石错铁末，以胶涂瓢中各半边”，“二瓢……置之以去一、二尺，而跳跃相就，上下宛转不止”。明代方以智也记载过类似的事。结合起来看，古代也许确实使用磁粉胶合法制成了人造磁体。
地磁感应法
北宋初年曾公亮主编的《武经总要》（1044年成书）记载了制造“指南鱼”的方法《武经总要》指南鱼：“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，以密器收之。用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。”
这里叙述人造磁体的方法十分具体：把铁片加热至通红，温度升至居里点以下，铁的磁畴瓦解而成了顺磁体，铁片出炉取南北方向放置，即循着地球磁力线，突然入水冷却，温度骤降，磁畴即会作有规律的排列，显出极性。这样，形成的是一种矫顽力较高、永磁性较好的马氏体，浮在水面就能指向南北。
这里还要指出两点，第一，所谓“以密器收之”，据研究，可能是指指南鱼不用时要放在一个铁制的密闭盒中，以形成闭合磁路，避免失磁，或者顺着一定方向放在天然磁石旁边，继续磁化。第二，铁鱼入水冷却时必须取南北方向，又要“没尾数分则止”，显然是鱼形铁片取南北方向并与水平面成一角度。现在分析起来是很有道理的。因为这样使鱼更加接近地磁场方向，最大限度地利用地磁感应。可见在这里已经意识到地磁倾角的存在。在国外，发现磁倾角是在1554年。
摩擦传磁法
沈括《梦溪笔谈》云：“方家以磁石磨针锋，则能指南。”这是利用磁石的磁场，使针内磁分子循一定规则排列，从而相互加强，显出极性来。这种方法，简便易行，它的发现与推广，对于磁体的获得与应用，首先是指南针的生产、应用，起重大的作用，其价值是无可估量的。
由于对磁体性质认识的深化和人造磁体的发明，使得磁体的应用成为可能。古代对于磁体的用途是相当广泛的，除我们上面已介绍的磁指南器外，磁体也被用到军事上去，著名的例子是秦始皇用磁石建筑阿房宫的北阙门，如有身藏铁兵器的刺客经过，就能被磁力吸引。据说晋代名将马隆同身披铁甲的羌人作战，预先在小道两侧设置强大的磁石，羌人进入后，受到吸力，动作极感困难，晋军因而取胜。这些究竟是事实否，当然还要研究，至少可以当作设计思想来看。在生产上，磁体被用于制陶、制药等工艺中，以吸去掺在原料中的铁屑，保证产品的纯净洁白。磁石不但入药，而且也用在中医手术里。晋代的葛洪与宋代的何新希都提到，当小儿吞针入腹时，可用一块枣核般大的磁石磨光穿以丝线，让小儿吞下可将铁针吸出。这些都是磁体物理性质的应用。
