浅谈电磁效应的本质

浅谈电磁效应的本质

在今天看来，电生磁与磁生电是那么的理所当然，以致于根本不用一提了。可是在19世纪初，关于电与磁的本质，电与磁的联系却是一个空白，无怪乎当奥斯特于1820年宣布电流具有磁效果后是多么的激动人心了。1777年8月14日，奥斯特出生于丹麦的一个小镇。父亲是镇上一个药店的老板，家里生活比较富裕。到十二岁时，奥斯特已受到了良好的教育，并在店里担任他父亲的助手。他一边帮父亲干活，一边如饥似渴地寻求科学知识。父亲见儿子如此热衷于科学，就决定把他送入著名的哥本哈根大学深造。奥斯特在大学不仅学习医学，还学习物理学与天文学。十八世纪末到十九世纪初，全欧洲处于骚动中，正是在这种情况下，奥斯特在哥本哈根开始了他药剂师的生涯。当时伏打已发明了“伏打电堆”，利用这种伏打电堆可以产生电流。奥斯特觉得从事电流方面的研究很合他的脾胃。于是他放弃了收入很丰的药剂师行当，开始了科学研究的生涯。1820年7月的一天，奥斯特在进行电流实验时，忘记拿走一个放在电路附近的小磁针。 当他接通电路时，他忽然觉得小磁针发生了偏转。于是他不断重复这个过程，结果证明小磁针确实发生了偏转。奥斯特想，是什么使磁针发生偏转呢？通常只有磁石对磁针有这种作用，但附近并没有磁石，因此只能是电流具有磁石的作用效果！这一发现使奥斯特惊喜万分，因为他把电和磁终于联系起来了。奥斯特发现电流的磁效果以后，又把他7年前所得到的结果，即光和热都是电流的作用联系起来。他推测，在所有这些效果中存在一种环形作用（后来人们发展为分子环

流理论），由这种环流作用很自然解释了光的偏振现象。虽然奥斯特的结果仅是定性的，但它打开了磁学研究的大门。为了纪念他对电磁学的贡献，人们把磁场的单位命名为奥斯特。在电磁磁效应发现几个月后，另一位物理学家安培也从事这方面的测量，提出了一个完整的定量理论，从而奠定了电磁学的数学理论基础。

1731年，一名英国商人发现，雷电过后，他的一箱刀叉竟然有了磁性。1751年，富兰克林发现莱顿瓶放电可使缝衣针磁化。 丹麦物理学家奥斯特就是其中的一位。他是康德哲学思想的信奉者，深受康德等人关于各种自然力相互转化的哲学思想的影响，奥斯特坚信客观世界的各种力具有统一性，并开始对电、磁的统一性的研究。1751年富兰克林用莱顿瓶放电的办法可使钢针磁化，这对奥斯特启发很大，他认识到电向磁转化不是可能不可能的问题，而是如何实现的问题，电与磁转化的条件才是问题的关键。开始奥斯特根据电流通过直径较小的导线会发热的现象推测：如果通电导线的直径进一步缩小那么导线就会发光如果直径进一步结小到一定程度，就会产生磁效应。但奥斯特沿着这条路子并未能发现电向磁的转化现象。奥斯特没有因此灰心，仍在不断实验，不断思索，他分析了以往实验都是在电流方向上寻找

电流的磁效应，结果都失效了，莫非电流对磁体的作用根本不是纵向的，而是一种横向力，于是奥斯特继续进行新的探索。1820年4月的一天晚上，奥斯特在为精通哲学及具备相当物理知识的学者讲课时，突然来了“灵感”，在讲课结束时说：“让我把通电导线与磁针平

行放置来试试看！”于是，他在一个小伽伐尼电池的两极之间接上一根很细的铂丝，在铂丝正下方放置一枚磁针，然后接通电源，小磁针微微地跳动，转到与铂丝垂直的方向。小磁针的摆动，对听课的听众来说并没什么，但对奥斯特来说实在太重要了，多年来盼望出现的现象，终于看到了，当时简直使他愣住，他又改变电流方向，发现小磁针向相反方向偏转，说明电流方向与磁针的转动之间有某种联系。 奥斯特为了进一步弄清楚电流对磁针的作用，于1820年4月到7月，费了三个月的时间，做了六十多个实验，他把磁针放在导线的上方、下方，考察了电流对磁针作用的方向；把磁针放在距导线不同距离，考察电流对磁针作用的强弱；把玻璃、金属、木头、石头、瓦片、松脂，水等放在磁针与导线之间，考察电流对磁针的影响；……。于1820年7月21日发表了题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文，这篇论文仅用四页纸，十分简洁地报告了他的实验，向科学界宣布了电流的磁效应。1820年7月21日作为一个划时代的日子载入史册，它揭开了电磁学的序幕，标志着电磁学时代的到来。 奥斯特当时把电流对磁体的作用称为“电流碰撞”，他总结出了两个特点：一是电流碰撞存在于载流导线的周围；二是电流碰撞“沿着螺纹方向垂直于导线的螺纹线传播”。奥斯待实验证实了电流所产生的磁力的横向作用，他的廿年前的信念，终于靠自己的实验证实了。

有人说奥斯特的电流磁效应是“偶然地发现了磁针转动”，当然也不无道理，但是法国的巴斯德说得好：“在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑。”

奥斯特的发现轰动了整个欧洲，对法国学术界的震动尤大，法国物理学家阿拉果在瑞士听到了奥斯待发现电流磁效应的消息，十分敏锐地感到这一成果的重要性，迅即于1820年9月初从瑞士赶回法国。9月11日即向法国科学院报告了奥斯特的这一最新发现，他详细地向科学院的同事们描述了电流磁效应的实验。阿拉果的报告，在法国科学家中引起了很大反响。当时，以科学上极为敏感、最能接受他人成果而着称的安培对此作出了异乎寻常的反应，他于第二天就重复了奥斯特的实验，并加以发展，在一周内于9月18日向法国科学院报告了第一篇论文，阐述了他重复做的电流对磁针的实验，并提出了圆形电流产生磁性的可能性。安培在这个实验中发现磁针转动的方向与电流方向的关系服从右手定则，即是后人称它为“安培右手定则”。 奥斯特的发现揭示了长期以来认为性质不同的电现象与磁现象之间的联系，电磁学立即进入了一个崭新的发展时期，法拉第后来评价这一发现肘说：“它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满光明。”人们为了纪念这位博学多才的科学家，从1934年起用“奥斯特”的名字命名磁场强度的单位。

从1820年7月奥斯特发表电流的磁效应到12月安培提出安培定律，这期间仅仅经历了四个多月时间。但电磁学却经历了从现象的总结到理论的归纳这一大飞跃，从而开创了电动力学的理论。这些成就的取得反映了当时物理学界的杰出人物的思想敏捷与高超的数学水平，也反映了物理学家们锲而不舍的科学钻研精神。