书城教材教辅中学理科课程资源-探究物理历程
45102300000004

第4章 电磁的发展历程(1)

17世纪初,现代研究电和磁现象的鼻祖吉伯在《论磁》中断定电和磁是两种截然不同的现象。这个错误的论断一直延续了200多年。在这20多年中,人们也曾发现电和磁发生关联的现象,如在1750年,富兰克林观察到莱顿瓶放电可使钢针磁化,甚至更早在1640年,有人观察到闪电使罗盘的磁针旋转。但由于基本观念的错误而忽略了这些现象。

18世纪80年代末,库仑根据电荷可传导、磁荷不能传导的事实进一步肯定电和磁是不相同的实体。19世纪初的物理学家如安培等人,也认为电和磁不会有任何联系。

19世纪20年代,这种“电磁老死不相往来”的陈旧观念首先被丹麦物理学家奥斯忒打破。从此拉开了电磁学大发展的帷幕。

(第一节 )奥斯忒和安培

1777年,奥斯忒出生于丹麦鲁兹克宾城的一个药剂师家庭,1794年考入哥本哈根大学,1799年获哲学博士学位。后到德国和法国游学,受到康德和谢林关于自然力统一的思想的熏陶。回国后从事物理和化学方面的研究。在康德哲学的引导下,奥斯忒坚信,电现象和磁现象有着共同的根源。于是他就开始了这方面的研究。

18世纪富兰克林发现的莱顿瓶放电能使钢针磁化的现象对奥斯忒启发很大,他认为电转化为磁是完全可能的。问题是如何来实现。

开始时,奥斯忒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,如果直径缩小到一定程度,就会产生磁效应。

他按照这个思路摸索了很多年,却都没有发现电向磁转化的现象。但他并不气馁,继续进行实验。

1820年,奥斯忒受命主持一个电磁的讲座。一天晚上,他正在讲课,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旋转来试验看。”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,在铂丝正下方旋转一枚磁针,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有什么。但对奥斯忒来说实在太重要了。多年盼望出现的现象,终于出现了。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转动之间有着某种联系。

奥斯忒为了弄清楚电流对磁针的作用,于1820年,花了几个月时间,做了60多个实验。并于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4页纸,简浩地报告了他的实验,向科学界宣布了电流的磁效应。

奥斯忒当时把电流对磁体的作用称为“电流磁撞”,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。

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,标志着电磁时代的到来。

奥斯忒的发现马上轰动了整个欧洲。当年8月末,法国物理学家阿拉果在瑞士听到这个消息后,马上返回法国。9月初向法国科学院报告了奥斯忒的电流磁效应的实验细节。这时,包括安培在内的法国科学家们如梦方醒,才知道他们错误地信奉了库仑关于电、磁之间没有关系的教条。

听完报告的第二天,安培就重复了奥斯忒的实验,并于9月18日向法国科学院报告了第一篇论文,提出了磁针转动方向和电流方向的关系服从右手定则,以后这个定则被命名为安培定则。

9月25日安培向科学院报告了第二篇论文,提出了电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引,电流方向相反的两条平行载流导线相互排斥。

10月9日报告了第三篇论文,阐述了各种形状的曲线载流导线之间的相互作用。后来,安培又做了许多实验,并运用高度的数学技巧总结出电流元之间作用力的定律,描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小、间距以及相对取向之间的关系。后来人们把这个定律称为安培定律。12月4日安培向科学院报告了这一成果。

安培从小生长在富商家庭,由于其父在法国大革命中被处死和妻子的早丧,曾经历了各种不幸,使他一生笃信宗教,并潜心于研究学问,对科学以外的事漠不关心,有时甚至有点心不在焉。

有一次,安培在街上行走,走着走着,想出了一个电学问题的算式,正为没有地方运算而发愁。突然,他见到面前有一块“黑板”,就拿出随身携带的粉笔,在上面运算起来。那“黑板”原来是一辆马车的车厢背面。马车走动了,他也跟着走,边走边写;马车越来越快,他就跑了起来,一心一意要完成他的推导,直到他实在追不上马车了才停下脚步。

还有一次,拿破仑访问巴黎科学院,安培居然不认识拿破仑。拿破仑觉得一位法国科学家不认识他,实在有点可笑,于是拿破仑邀请安培第二天去皇宫御花园赴宴,安培也答应了。但是第二天皇宫的宴会上,他的椅子空着,他居然把皇帝的邀请忘到脑后了。据说,对此,拿破仑并没有怪他。

安培就是这样一个心不在焉的人,但对电磁学的发展却做出了巨大的成就。在发现安培定律之后,安培又一鼓作气,于1821年1月提出了著名的分子电流的假设,认为每个分子的圆电流形成一个小磁体,这是形成物体宏观磁性的原因。

安培还对比了静力学和动力学的名称,第一个把研究动电的理论称为“电动力学”,并于1822年出版了《电动力学的观察汇编》,1827年出版了《电动力学理论》。此外,安培还发现,电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似,创制出第一个螺线管,在这个基础上发明了探测和量度电流的电流针。

奥斯忒和安培的研究工作,揭示了长期以来认为性质不同的电现象和磁现象之间的联系,在很短的时间内,使电磁学产生了飞跃,进入了一个崭新的发展时期。为了纪念这两位科学家的功绩,人们把磁场强度的单位以“奥斯忒”命名,把电流强度的单位以“安培”命名。

(第二节 )法拉第

在奥斯忒的电磁效应论文发表后,欧洲的科学家产生了极大的兴趣,他们投入了大量的人力、物力对电磁现象进行研究。他们想,既然电与磁有密切联系,电能产生磁,那么它的逆效应,“磁能产生电”吗?

科学家们进行了长期的实验探索。从1820年到1831年的10多年时间内,许多科学家,如欧姆、安培、菲涅耳、阿拉果等都投身于探索磁与电的关系中。

他们用各种很强的磁场试图产生电流,均无结果,其根源是他们抱着稳态条件,没有考虑动态效应,结果10年研究进展不大。

最后完成这一伟业的是法拉第,一位完全自学成才的科学伟人。

1791年9月22日,法拉第出生在英国萨里郡纽因顿一个贫苦的铁匠家庭。5岁时随父母到伦敦,只读过小学。13岁时,法拉第在书店当装订工。有一天,他在装订不列颠百科全书时,偶然看到了《电学》这个条目,激发了他对科学的热情。1810年2月至第二年9月,听了塔特姆所做的十几次自然哲学讲演,并开始参加市哲学学会的学习活动,受到了自然科学的基础教育。

1812年2月至4月,法拉第在皇家研究所听了戴维的4次化学讲座,每次他都细心笔录,整理成稿,而且热忱地抓住戴维的每个科学观点,转述给市哲学学会的同伴。这年10月,法拉第学徒满师,写信给戴维,介绍了他贫苦的身世,表达了献身科学事业的决心,并随信附上自己记录、装订的《戴维爵士讲演录》以示敬意。这不禁使戴维想起自己成长的过程。

戴维出身贫寒,17岁曾在一家药店当学徒,靠自学获得成功。如今遇到一个和自己一样敢于向命运抗争、勇于追求真理的年轻人,同情之心油然而生。戴维决定和法拉第面谈。1813年1月,戴维约见了法拉第,深为这位年轻人坚忍不拔的精神所打动。由于戴维的帮助,法拉第很快进入了皇家学院,做了实验室助理。他负责打扫卫生、洗刷和吹制玻璃器皿,准备实验仪器等工作。虽然这工作的薪水还不如他原来的书店装订工,但法拉第不在意这些。历史证明,法拉第的这次选择是非常正确的,这是他人生道路上的一个转折点。

1813年秋,戴维夫妇去欧洲大陆旅行并作学术访问。戴维邀请法拉第与他们同行,充当他的助手和仆人。在这次长达一年半的旅行访问中,法拉第虽然要做许多伺候戴维夫妇的事情,甚至不能与戴维同桌吃饭,但是,他并不在乎这些,因为他把这次旅行访问活动当作一次学习的好机会。

实际上也确是如此。这次欧洲大陆之行,他们访问了法国、意大利、德国、比利时等国,一路走一路做实验,进行学术讲演交流活动。这一切都使法拉第大开眼界,增长了很多见识。此外,他还认识了当时欧洲大陆一些最著名的科学家,如伏打、安培、盖·吕萨克等。对法拉第来说,无异于上了一次大学。后来他的一位好友就曾说:“他(法拉第)上的大学是在欧洲,他的老师就是他伺候的主人,以及慕戴维之名而来的那些名流。”