书城科普读物探索未知-电磁学知识漫谈
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第14章 安培定律

奥斯特的电流磁效应的发现报告,很快被译成法文、英文和德文公开发表出来,并引起科学界的极大重视,纷纷转向这方面的讨论和研究,特别是当时的法国巴黎,成了研究中心。这个时候正在国外旅游的法国物理学家阿拉果立即从瑞士返回巴黎,并于7月11日向法国科学院报告了奥斯特这一伟大发现的详细情况。阿拉果的报告,引起了法国物理学家安培的联想:既然磁体和磁体之间有相互作用,电流对磁体也有作用,那么两个载流导体之间也一定存在着相互作用。安培的这种想法,如果从逻辑推理的角度来看,并没有什么合理性。但是,从自然界的对称性来考虑,还是很吸引人的。不妨把他的这种想法,写成下列的形式:电流磁体磁体磁体电流电流?

于是,安培把他的想法付诸实验。经过一周夜以继日的工作,终于在1820年9月18日找到了电流间相互作用的实验根据,并向法国科学院作了学术报告。紧接着于9月25日,10月9日、16日、30日,11月6日连续获得了很多重要实验结果。这些成果汇集在题为《电流对电流、地球对磁石的作用》这篇著名论文中。

这篇论文是由三个部分组成的:第一部分是关于电流间的相互作用;第二部分是关于地球磁场对电流方向的影响;第三部分则是关于通电导体对磁石的作用。

安培在论文第一部分中首先把电的作用分为两类:一类他称之为电的紧张力,另一类为电的流动力。他认为前一种力可发生在非导体之间;后一种力则产生在两个导体电路之间。他通过实验证明了两个通电导体之间这种相互作用的存在。

安培得出结论:两个通电导体的电流方向相同时,则相互吸引;两个通电导体的电流方向相反时,则相互排斥。同时,他还指出电流的这种行为,与异性电荷相互吸引、同性电荷相互排斥的行为恰恰相反,其原因是因为电的作用力的类型不同而引起的。

安培在论文第二部分中讨论了地球磁场对电流的作用问题。安培用实验来证明自己的理论,他用两个圆环形状的通电导体,一个是固定的,另一个可以自由转动。当给可以自由转动的圆环状导体通电后,它自动停止在某一个位置上:线圈的平面垂直于地磁的子午线。而当固定的环形导体再通电时,转动环形导体的平面,将转向与固定环形导体的平面平行的位置上。于是根据上述实验结果,安培指出:一个环形通电导体完全和一个磁石相似。由此,他在1821年1月前后,又进一步提出磁性起源的假说:整个磁石的磁性,是由许多这样小环形电流的磁性集合而成的。这就是历史上有名的分子电流假说。

论文第三部分,安培利用一个无定向磁秤,研究对折通电导体(或把对折导体绕成螺旋线)的磁效应。结果发现这两种情况对无定向磁秤都不发生作用。于是,他得出结论:通电导体的磁作用具有矢量性质,因此它们的共同作用才是零。

安培又对上述实验结果继续进行定量的研究,并于1820年12月4日向科学院提交了一篇论文,题目是:《电流引力与斥力的数学表示》。在这篇论文中,安培提出一个计算两个电流线元之间相互作用力的公式K·dX·dzsinβcosγγ2式中K为比例常数,dX、dz为电流线元,α、β和γ是相互间的夹角,γ为两个电流线元之间的距离。上述公式就是最早的安培定律的表示式。安培所发现的电流间“力的定律”具有深刻的历史意义。电流元间相互作用力的平方反比的性质,反应出和电荷间相互作用力的一致性,使物理学向实现物理世界的统一图像跨进了一步。

安培出生在法国的里昂,少年时就非常喜欢学习数学和物理学。19岁学习了拉普拉斯的《天体力学》和拉格朗日的《分析力学》,并从他父亲的朋友那里学习数学。1801年在一个中学做教师,1802年就写出了一本书,书名是《赌博中的数学理论的研究》。由此受到一些学者和专家的重视。1805年开始在炮工学校就职,讲授数学与物理学。关于电流间相互作用的实验,就是在炮工学校的实验室中做的。1822年发表了他的论文汇编《电动力学的观察汇编》;1827年发表了《电动力学理论》一书。

安培是一位有成就的科学家,但也是一位“心不在焉”的学者,据说有一次在巴黎大街上,他在停放在街边的马车篷后演算一个数学题,后来马车走了他还跟在后面边走边做。这件事说明他在思考一个问题、解决一个算题时是多么专心致志。这也许正是他获得如此巨大成就的一个主要原因。的确,任何一项发明和创造,都凝聚着超人的心血和意志。

安培被麦克斯韦赞誉为“电学中的牛顿”。为了纪念安培对电磁学的贡献,1881年在巴黎召开的电学国际会议上,决定以他的名字作为电流强度的单位。