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奠定电磁学的理论基础,他功不可没!

2018-01-13  |  蝌蚪五线谱 原创 收藏(40)  | 

一石激起千层浪。话说奥斯特发现电流磁效应的消息公布后,各国科学家感到惊奇的同时,纷纷以其实验为基础进行研究,想弄清电与磁之间到底有什么联系。

这些科学家里,包括法国帝国大学的总学监安培。公元1820年9月初的一天中午,他读完奥斯特关于“电生磁”的论文后,惊得从椅子上站了起来。

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安培之所以震惊,是因为他委实没有想到,自己多年研究电、磁学,居然方向都错了!

这事还是从头说起。

生于法国里昂的安培从小就很聪明,上学时特别喜欢拉丁文和数学。喜欢科学的父亲在业余一方面教安培数学知识,另一方面鼓励他用拉丁文阅读欧拉等作家的作品。文理科基础扎实的安培广涉群书,对历史、哲学、物理、化学等都造诣很深。公元1808年,33岁的他被任命为法国帝国大学总学监,主讲数学、哲学等课程。

安培画像(网络图)

与当时大多数科学家一样,安培对热门的电学和磁学非常感兴趣。长期的研究中,他对库仑关于“电、磁之间没有联系”的观点深信不疑。相当长一段时间,他都沿着库仑的步伐,对电力、磁力进行量化研究。这就是安培感到震惊的真正原因。

“既然电与磁之间存在必然联系,那从本质上解决两者的关系,再从微观上进行解释,非常有必要。”深读奥斯特的论文后,安培仿佛看到一扇通向新领域的大门。

于是,思维敏捷的他决定快速推开这扇门。

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安培先重复了奥斯特的实验。他在直导线周围放几个小磁针,当直导线通电后,小磁针都有不同程度的转动。他进一步观察,发现这些磁针的方向都相同。

“看来,我得先弄清电流与磁力方向到底有什么联系。”安培定下第一个研究目标。

电流对磁针效应的实验。(网络图)

他先通过实验确定直导线通电时磁针的方向,然后改变电流方向,发现小磁针的方向也随之改变。他试着用右手来表示电流与磁力的方向,居然成功了。经过多次试验,他得出以下结论:右手握住直导线,伸直大拇指的方向表示电流方向,弯曲四指所指的方向就是磁力方向。

“如果把直导线换成环形导线,磁力方向是否也有规律?”安培把直导线改为U形导线绕成的螺线管(注一)后,继续用最现成的工具——右手来测试,于是得出以下结论:右手握住通电螺线管,弯曲四指指向电流方向,大拇指所指那端就是螺线管的北极。

一周后,安培向法国科学院提交了一篇关于电流与磁力方向的论文,文中把先前得到的两个结论放在一起,称其为“右手螺旋定则”。后来,人们把此定则叫做“安培定则”。

右手螺旋定则示意图。(来源于网络)

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安培研究了电流与磁力方向的关系后,又着手研究电流对电流的作用。通过实验,他发现两条平行的通电导线,当电流方向相同时互相吸引,电流方向相反时则互相排斥。他把这个结论扩展为一篇论文。9月25日,此论文在法国科学院的刊物上发表,安培受到科学界的广泛关注。

再接再厉,安培把直导线折成各种形状,然后观察不同形状导线的作用力。他发现,这些导线与通电螺线管产生的磁场非常相似。为此,他借鉴科学家牛顿把质量分解成质量元的先例(注二),把电流分成无限多的电流元,并用四个精巧的实验来探讨电流元之间的相互作用。于是,安培把磁的本质简化为电流,从而创立了著名的“分子电流假说”:在物体的原子、分子内部,存在一种叫分子电流的环形电流;正是分子电流的存在,使每一个物质微粒都成为磁体。“没有磁化的物体内部,分子电流方向是杂乱无章的,小磁体也是杂乱无章的,因此对外不显示磁性;磁化的时候,在外磁场的作用下,每个分子电流产生的磁场方向变得相同,对外显示出磁的作用。”如此推理,电磁现象变得合理。

甲图是杂乱无章的“分子电流”,乙图是规则排布的“分子电流”。(网络图)

两个多月后的12月4日,安培在法国科学院的会议上作了以电流与磁力规律为主题的理论报告。报告中,他精确阐述了电流与磁力方向、电流相互作用、分子电流等电磁理论;论文最后部分还提出利用电磁来传递电报讯号的建议。

会后,法国科学院的专家经过详细分析,认为安培报告的内容在电磁学方面具有开创性,奠定了电磁学的理论基础。电磁学大咖麦克斯韦不但把安培誉为“电学中的牛顿”,还认为其工作是“科学上最光辉的成就之一”。

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胜不骄,败不馁。成功路上顺风前行的安培没有骄傲,而是总结经验,向更高的目标奋斗。1822 年,47岁的他总结有关电磁学理论的研究成果,发表了论文《电动力学的观察汇编》(注三);1824年,他发明了用来探测和度量电流的电流计,后人也叫它安培计或安培表;1827 年,他出版了《电动力学理论》一书,把电磁学理论推向一个新高度。

电流计(网络图)

为了纪念这位奠定电磁学理论基础的科学家,伦敦国际电学大会于1908年公开决定,把“安培”作为国际单位制中表示电流的基本单位,简称安,英文符号A。同时规定,把1秒内从硝酸银溶液中电解出1.11800毫克银的恒定电流为1安培,又称国际安培。

奥斯特虽然发现电能够产生磁,但并没有研究磁能否产生电;安培虽然奠定了电磁学理论的基础,但在电磁学的运用方面并没有过多研究。当两位大师沉醉于电磁学研究的同时,有一位铁匠的儿子,不但通过实验确定磁能生电,并由此引出一系列电磁学发明,而且在电磁学理论方面提出新观点,为电磁学家们树起前进的路标。欲知后事,请看法拉第系列之上集《磁生电,“电学之父”十年辛苦不寻常!》。

【备注】

注一:螺线管,指多重卷绕的导线,卷绕内部可以是空心的,或者有一个金属芯。当有电流通过导线时,螺线管内部会产生均匀磁场。螺线管是物理学中很重要的元件。

注二:质量元,质量的基本单位。力学史上,质量的定义首先由牛顿提出。他认为质量是物质的数量,即质量元的量度。

注三:电动力学,也称为经典电动力学,经典的电磁动力学理论。其研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用。迄今人类对自然界认识得最完备、最深入且应用也最为广泛的是电磁相互作用。

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