每一點(diǎn)知識，都存在于鮮活的歷史當(dāng)中

【資料圖】

教余拾遺尋找每一段科學(xué)歷史

輕輕的敘述

等你關(guān)注

研究電和磁，繞不過的人物是英國的吉爾伯特。

1600年，他在《論磁》一書中對磁和靜電作了當(dāng)時(shí)最深入的剖析。他認(rèn)為兩者雖然有一些相同，但電和磁是兩種截然不同、沒有聯(lián)系的現(xiàn)象。

吉爾伯特關(guān)于“電磁無關(guān)論”影響了學(xué)術(shù)界近200年。

到了18世紀(jì)，有關(guān)閃電改變指南針的磁化強(qiáng)度，或者使小刀、湯匙變成磁體的現(xiàn)象越來越多。還有一些科學(xué)家，在做靜電實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了萊頓瓶放電能使鋼針磁化，這些科學(xué)家包括美國的富蘭克林。這些現(xiàn)象表明電與磁是以某種方式緊密聯(lián)系著的。不過，所有的研究都以失敗告終，電和磁的聯(lián)系研究依舊沒有突破。

對于自然哲學(xué)信徒，這些現(xiàn)象也沒有引起他們的驚奇，因?yàn)樗麄儽緛砭蛨?jiān)信電力與磁力是某種方式相互關(guān)聯(lián)著的。

1785年，庫侖發(fā)現(xiàn)了電荷間存在的相互作用規(guī)律：電荷之間的作用力與距離平方成反比。因?yàn)樗伎茧姾痛诺年P(guān)系，所以庫侖也預(yù)言了“磁極之間的作用力與距離平方成反比”。這也引起許多科學(xué)家進(jìn)一步的設(shè)想電和磁之間的關(guān)系。

而同時(shí)代科學(xué)家的認(rèn)同和閃電讓鐵制品磁化的現(xiàn)象，讓深受康德“統(tǒng)一自然力”哲學(xué)思想影響的奧斯特堅(jiān)定了電和磁有內(nèi)在聯(lián)系的信心。不過，他認(rèn)為電轉(zhuǎn)化為磁還需要找到一個(gè)合適的條件。從1806年開始，他為此而努力實(shí)驗(yàn)研究著。

1820年4月，在哥本哈根大學(xué)的一次講座結(jié)束前，奧斯特重復(fù)做了實(shí)驗(yàn)。奧斯特偶然在南北方向的導(dǎo)線下面放置了一枚小磁針，剛開始的時(shí)候，磁針平行于導(dǎo)線，當(dāng)電源接通時(shí)，小磁針竟然轉(zhuǎn)向了東西方向，幾乎與導(dǎo)線垂直。

對于此現(xiàn)象，聽課的大多數(shù)學(xué)者基本無動于衷，但奧斯特卻是期盼已久。

小磁針轉(zhuǎn)動，說明小磁針受到了力的作用，而能讓小磁針轉(zhuǎn)動的唯一原因就是電流產(chǎn)生了磁!靜止電荷不對磁發(fā)生作用在當(dāng)時(shí)已經(jīng)是一種常識，所以，這是運(yùn)動的電荷(電流)對放在導(dǎo)線線路附近的磁體發(fā)出的一種奇妙的“路旁”力。

奧斯特與奧斯特實(shí)驗(yàn)示意圖

從現(xiàn)象還可以得出，載流導(dǎo)體對一個(gè)磁極的作用力并不沿導(dǎo)線到磁極的連線，而是與此連線垂直，所以導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動，奧斯特認(rèn)為電流對磁體可能是“橫向力”而不是“縱向力”。這種力與之前所發(fā)現(xiàn)的引力、電荷間的力與磁極間的力都不同。奧斯特是謹(jǐn)慎的，在接下來3個(gè)月內(nèi)，他做了60多個(gè)實(shí)驗(yàn)。他用各種材料作導(dǎo)線，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體材料對實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有影響。而用其他物體代替小磁針，也不會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。結(jié)果是明確的：電流具有磁效應(yīng)。

在7月21日，奧斯特發(fā)表論文《關(guān)于磁針上電沖突作用的實(shí)驗(yàn)》，指出電流產(chǎn)生的磁力與電流方向垂直。

論文很短，震憾很大!對于歐洲物理學(xué)界不亞于一次大地震。

因?yàn)閵W斯特的思維和實(shí)踐突破了人類對電和磁認(rèn)識的局限性。

1820年8月，奧斯特在不斷深入的研究中還發(fā)現(xiàn)，磁鐵對自由懸掛著的電流也有力的作用。

1820年夏天，法國物理學(xué)家阿拉果在瑞士日內(nèi)瓦的一次自然科學(xué)家會議上觀看了奧斯特實(shí)驗(yàn)。回國后的9月11日，在巴黎科學(xué)院介紹并重復(fù)了奧斯特實(shí)驗(yàn)。

安培由此得知了奧斯特實(shí)驗(yàn)，他的思想立即奔馳向前，然后他的實(shí)驗(yàn)也馬上跟進(jìn)。

奧斯特研究的是電能不能產(chǎn)生磁，安培則更進(jìn)了一步，他考慮的是電流產(chǎn)生磁的磁極和磁力分布。在這些實(shí)驗(yàn)中，其中一些是用多個(gè)小磁針放在銅導(dǎo)線的橫切面上。

安培的一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖

當(dāng)通電后，小磁針就會偏離原來的南北方向。并可以觀察到電流磁場的力線是圍繞著銅導(dǎo)線成圓形。

1820年9月18日，安培提出了磁針轉(zhuǎn)動方向與電流方向相差判定的右手定則。

右手定則示意圖

大拇指指向電流的方向，彎曲的四個(gè)手指所指的就是磁場的方向

如果讓通電導(dǎo)線穿過紙張，并在紙上撒一些鐵屑，被磁化的鐵屑可以更直觀的顯示周圍磁場的“形狀”。

鐵屑顯示的直流電流的磁場

同樣，也可用此方法顯示出通電螺線管的磁場“形狀”。

鐵屑顯示的通電螺旋管的磁場

通電螺旋管的磁場也可以用右手來判定。

右手螺旋定則示意圖：

四個(gè)手指為線圈電流方向，大拇指則為通電螺線管的北極

為什么螺線管的磁場與直導(dǎo)線的不同？原來，螺線管環(huán)路的磁場是每段導(dǎo)線電流磁場疊加的結(jié)果。

上：是兩個(gè)相反電流產(chǎn)生的平面磁感線，

下：是相加后的總磁場的平面磁感線。

安培并沒有停下研究的腳步。

隨著一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)也接踵而至。

安培發(fā)現(xiàn)兩根平行導(dǎo)線通以同向的電流，兩根導(dǎo)線相吸引，通以反向電流，兩根導(dǎo)線想到排斥。這說明通電導(dǎo)線的作用并不僅僅顯示凈電荷的存在。并且，兩個(gè)通電螺線管之間就像兩塊磁鐵一樣相互發(fā)生吸引或排斥。在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，安培初步形成了磁的本質(zhì)就是電流的思想。甚至對地磁場都有新的猜想。

當(dāng)安培把磁轉(zhuǎn)化為電后，關(guān)于磁的問題，只需要考慮電流和電流的作用就可以了。

安培對電流間的相互作用力作了詳盡的研究，包括距離、方向和電流的強(qiáng)度。

而通過電流的磁力，也順利解決電流大小的問題。安培依此制作了測量電流的儀器。

安培測量磁力儀器復(fù)制品：

利用兩段導(dǎo)線通過電流來測量它們之間的力

事實(shí)上，電流間的磁力在很長時(shí)間是用來定義電流單位的一個(gè)優(yōu)先方法，而電流的單位也因此用“安培”來命名。它的定義是：相距一米的兩條平行長直導(dǎo)線，通過相等的電流，若導(dǎo)線間每米的作用力恰好為2×10－7牛頓，那么這電流定義為1安培。

奧斯特實(shí)驗(yàn)的影響是深遠(yuǎn)的。

對奧斯特實(shí)驗(yàn)的回應(yīng)與延伸遠(yuǎn)不止在法國。

德國物理學(xué)家施威格在重復(fù)奧斯特實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)體下方的小磁針偏轉(zhuǎn)角度會隨電流強(qiáng)度變化而變化，當(dāng)電流強(qiáng)度加倍時(shí)，小磁針偏轉(zhuǎn)的角度也會加倍。基于這一發(fā)現(xiàn)，施威格制成了世界上最早的電流計(jì)。在這種電流“放大器”的基礎(chǔ)上，最后演化成電報(bào)接收器和今天的磁電式電流計(jì)。

1821年，《英國哲學(xué)年鑒》的編輯邀請年輕的法拉第對電磁實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)行歷史的概括，綜述奧斯特在上一年的發(fā)現(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域激起的巨大積極性。

不久之后，法拉第想到，他不能局限于只報(bào)告別人的工作，他感到他需要在自己的實(shí)驗(yàn)室重做這些實(shí)驗(yàn)。1821年9月3日他發(fā)現(xiàn)電流對磁體的作用在本質(zhì)上是圓形的。

1822年，法國物理學(xué)家阿拉果發(fā)現(xiàn)，如果將導(dǎo)線繞在鐵塊上，當(dāng)導(dǎo)線通電時(shí)，鐵塊也能被磁化，這就使該線圈的磁場強(qiáng)度加大。這種有鐵塊的螺線管就是所謂的電磁鐵。

大約在同一時(shí)期，蓋·呂薩克也獨(dú)自發(fā)明了電磁鐵。

1829年，美國物理學(xué)家亨利用絕緣導(dǎo)線取代裸銅線進(jìn)一步加強(qiáng)了電磁鐵的磁場強(qiáng)度。

正是奧斯特實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的巨大影響，1934年，“奧斯特”成為磁場強(qiáng)度的單位。

薦書：春節(jié)里剛看完，能開闊視野，很好。

讀鮮活科學(xué)歷史     做有趣科學(xué)老師