第五節(jié) 現(xiàn)代電磁學(xué)的奠基人——奧斯特、安培和歐姆

它（指奧斯特電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)）猛然打開了一個科學(xué)領(lǐng)域的大門，那里過去是一片漆黑，如今則充滿了光明?！ɡ?/p>

（安培平行電流作用力）實(shí)驗(yàn)的成功，確實(shí)使他（安培）成了電氣方面的牛頓?！溈怂鬼f

伏打電池的問世，給人們提供了一種產(chǎn)生穩(wěn)定電流的裝置，為人類進(jìn)行動電研究創(chuàng)造了條件，許多科學(xué)家都轉(zhuǎn)而進(jìn)行電學(xué)研究工作，電學(xué)研究領(lǐng)域熱鬧起來。相比之下，磁學(xué)研究卻冷冷清清。由于受吉爾伯特“電和磁是截然不同的自然現(xiàn)象”這一錯誤理論的束縛，人們尚未注意考察、研究電和磁的親緣關(guān)系。

歷史上首先對電、磁關(guān)系進(jìn)行思考的是一些德國哲學(xué)家，如康德（I．Kant，1724—1804）、謝林（F．Schelling，1775—1854）和黑格爾（G．W．Hegel，1770—1831）等?？档略凇蹲匀豢茖W(xué)的形而上學(xué)》一書中就寫道：“人們只能體驗(yàn)到兩種力——引力和斥力，熱、電、磁等都是這兩種基本力在不同物理?xiàng)l件下的變形?！?/p>

實(shí)際上，當(dāng)時人們在生活及電學(xué)實(shí)驗(yàn)中也曾觀察到電和磁有一定關(guān)系的現(xiàn)象。例如，1751年，美國富蘭克林在進(jìn)行萊頓瓶實(shí)驗(yàn)時，就曾發(fā)現(xiàn)萊頓瓶充電時可以使附近的焊條、鋼針等磁化或退磁。

從18世紀(jì)末開始，科家們開始探索電與磁之間的關(guān)系，如里特（M．Ritter）、哈切特（Hatchett）、德索美斯（Desormes）等。1802年，意大利法學(xué)家羅曼諾西宣稱他發(fā)現(xiàn)電流通過使磁針發(fā)生偏擺的現(xiàn)象，但是他的宣言被人忽視。

世人所公認(rèn)首先用實(shí)驗(yàn)證明電流磁效應(yīng)的是丹麥科學(xué)家奧斯特。

奧斯特（圖2-23）是著名的丹麥科學(xué)家，畢業(yè)于哥本哈根大學(xué)，攻讀醫(yī)學(xué)及自然科學(xué)，學(xué)識淵博，在物理、化學(xué)、天文等方面都有很高建樹。他喜愛文學(xué)、哲學(xué)，是著名童話作家安徒生的好友。1801年他擔(dān)任大學(xué)助教后，開始進(jìn)行電、磁的實(shí)驗(yàn)研究，1817年成為哥本哈根大學(xué)教授。

當(dāng)奧斯特了解到富蘭克林1751的發(fā)現(xiàn)（萊頓瓶充電使鋼針磁化或退磁）后就斷言：“電轉(zhuǎn)化為磁是不成問題的，關(guān)鍵是尋找轉(zhuǎn)化的條件?！?807年，他采用圖2-24所示裝置，無意中發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流流過時，磁針有偏轉(zhuǎn)傾向。1820年4月的一個晚上，奧斯特演示伏打電池功能時（圖2-25及圖2-26），將電池的兩個極用導(dǎo)線連在一起，使導(dǎo)線靠近磁針，當(dāng)導(dǎo)線水平布置并與磁針垂直時，沒有發(fā)現(xiàn)其他現(xiàn)象。后來，他換用較大的電池，并使磁針與導(dǎo)線并行，即發(fā)現(xiàn)磁針明顯偏擺。奧斯特意識到這可能是一個重大的發(fā)現(xiàn)，于是閉門謝客，潛心實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)60多次，終于獲得成功。1820年7月21日，他自印發(fā)表了“關(guān)于電沖擊對磁針作用的實(shí)驗(yàn)”的文章，文章中寫道：“當(dāng)導(dǎo)線距磁針約3/4in時，磁針約偏轉(zhuǎn)45°。距離增加則磁針偏轉(zhuǎn)角度減小，偏轉(zhuǎn)的大小還與電池的強(qiáng)弱有關(guān)。……這種效應(yīng)可以透過玻璃、金屬、木材、樹脂、石頭等?！瓕?dǎo)線在磁針上方或磁針下方，其偏轉(zhuǎn)方向是相反的?！?/p>

奧斯特的發(fā)現(xiàn)是電流產(chǎn)生磁效應(yīng)的第一個明確的證據(jù)，它打開了電磁學(xué)的大門，是電學(xué)史上的重大發(fā)現(xiàn)。

奧斯特的發(fā)現(xiàn)立即轟動了整個歐洲，許多科學(xué)家轉(zhuǎn)而進(jìn)行電磁學(xué)的研究，取得了許多成果。例如，1820年，德國科學(xué)家施魏格爾（J．S．C．Schweigger，1779—1857）和波根多夫（J．C．Poggendorf，1796—1877）在多匝線圈中放置磁針，制成了最早的電流檢測裝置（倍增器）；1820年，法國科學(xué)家畢奧（J．B．Biot，1774—1862）和薩伐爾（F．Savart，1791—1841）得出了直線電流元的磁力定律——畢奧—薩伐爾定律；1822年，蓋-呂薩克（J．L．Gay-Lussac，1778—1850）發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線通過電流后使鋼鐵磁化，成為一個磁石。他還研究了導(dǎo)線周圍的作用力的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)一根導(dǎo)線的磁力線會受其他導(dǎo)線的影響。德國科學(xué)家塞貝克（T．J．Seebeck，1770—1831）發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線可以吸引鐵粉。

特別值得一提的是，當(dāng)時法國科學(xué)院院士阿拉果（詳見第三章第五節(jié)“一、阿拉果圓盤”）也在進(jìn)行電、磁聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)研究。阿拉果得知奧斯特的發(fā)現(xiàn)后立即進(jìn)行研究，他發(fā)現(xiàn)電流流過銅線后會吸引細(xì)小的鐵屑，這表明銅線變成了磁鐵。同年9月10日，阿拉果在法國科學(xué)院重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)，引起了到場的著名科學(xué)家安培的興趣，引發(fā)了安培定律的發(fā)現(xiàn)。

安培（圖2-27）生于法國里昂，他是一個神童，12歲就通曉微分，大學(xué)時攻讀數(shù)學(xué)。1801年任布爾中央學(xué)校教授，1809年任巴黎工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)教授。1820年9月10日，他見到阿拉果的演示后，立即放下手中工作，重復(fù)奧斯特的實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)了磁針轉(zhuǎn)動方向與電流方向之間的關(guān)系，“設(shè)想你在導(dǎo)體中沿電流方向游泳，當(dāng)你的臉轉(zhuǎn)向磁針時，則磁針的北極總是向你左手方向偏轉(zhuǎn)”。9月18日，他發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，后經(jīng)麥克斯韋（J．C．Maxwell，1831—1879）總結(jié)為右手螺旋定則（圖2-28）。

安培認(rèn)為，既然磁針與磁針間有作用力，電流又可以產(chǎn)生磁效應(yīng)，那么電流與電流間是否也會互相作用呢？他設(shè)計(jì)了如圖2-29所示的實(shí)驗(yàn)裝置，圖中，“1”是可以自由擺動的U形導(dǎo)線，“2”是與U形導(dǎo)線底邊平行的導(dǎo)線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)“1”和“2”中有電流通過時，“1”會受力產(chǎn)生擺動。10月9日，他將這個實(shí)驗(yàn)及結(jié)果發(fā)表在他的第三篇論文中，文中提出了“同向電流相吸，反向電流相斥”的法則。

1820年10月30日，安培發(fā)現(xiàn)螺線管通電后與天然磁鐵的作用一樣，阿拉果根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，制成世界上第一塊電磁鐵。

為了解釋磁鐵的磁性來源問題，許多科學(xué)家提出過多種理論。例如，1759年，埃皮努斯（F．Aepinus，1724—1802）提出了磁體的單流體理論；1780年，庫侖提出了磁體的雙流體理論；韋伯（W．E．Weber，1804—1891）、麥克斯韋、伊文（J．A．Ewing，1855—1936）等也提出過不同學(xué)說。1821年1月，安培則提出了分子電流學(xué)說，認(rèn)為一切鐵磁物質(zhì)都由許多微粒組成，每個微粒中都有一個小的環(huán)形電流——分子電流，分子電流使每個微粒都成為一個微小的磁體。安培的分子電流學(xué)說與現(xiàn)代物理學(xué)關(guān)于物質(zhì)磁性的理解是相當(dāng)吻合的。他還認(rèn)為所有電磁作用都是電流與電流間的作用，并稱這種作用力為電動力。

另外，安培還提出了著名的磁通連續(xù)性原理。1821—1825年間，安培推導(dǎo)了電動力的公式，1825年他提出了作為現(xiàn)代電磁學(xué)基本公式之一的安培環(huán)路定律（即沿著一個閉合環(huán)路，磁場強(qiáng)度與線段長度乘積之和，正比于環(huán)路所包圍的電流），奠定了電動力學(xué)的基礎(chǔ)。1827年，安培的名著《電動力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論》正式出版，該書是電磁學(xué)史上的一部重要論著。

安培還首先區(qū)分了“靜電學(xué)”和“動電學(xué)”，采用了“電動力學(xué)”這一新名詞，提出了“電壓”“電流”的概念，他將測量電荷性質(zhì)的儀器用于電流測量，并命名為電流計(jì)。

安培是電動力學(xué)的創(chuàng)始人，他的研究對電磁理論的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，所以著名科學(xué)家麥克斯韋稱安培的工作“是科學(xué)上最光輝的成就之一”，稱他為“電學(xué)方面的牛頓”。

1826年4月，時為德國中學(xué)教員的歐姆（圖2-30），在德國《化學(xué)和物理雜志》上，發(fā)表了他的實(shí)驗(yàn)論文“金屬導(dǎo)電定律的測定”。1927年他又出版Die galvanische Kette， mathematische bearbeitet（《動電電路的數(shù)學(xué)研究》）一書。歐姆在他的論文和書中引入了“電阻”的概念，提出了著名的歐姆定律：“當(dāng)導(dǎo)體的電流是由電動勢產(chǎn)生時，則電動勢與電流之比稱為導(dǎo)體的電阻，它與電流的強(qiáng)度無關(guān)。”也就是說，在溫度一定的條件下，導(dǎo)線中的電流等于電路中的電動勢與總電阻之比，應(yīng)用到一段導(dǎo)線上則為：導(dǎo)線中的電流等于這一段導(dǎo)線上的電壓與該段導(dǎo)線電阻之比。歐姆定律以非常簡明的形式表述了電學(xué)上3個基本參數(shù)（電壓U、電流I、電阻R）的關(guān)系I＝U/R，對電學(xué)的發(fā)展起了推動作用（實(shí)際上，卡文迪什在半個世紀(jì)以前就發(fā)現(xiàn)了這一關(guān)系，但他未公布）。1841年，英國皇家學(xué)會授予歐姆Copley獎，1842年他成為皇家學(xué)會外籍院士。

19世紀(jì)30年代是電磁學(xué)發(fā)展的重要階段和繁榮時期。短短幾年中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的關(guān)系，打開了電磁學(xué)的大門，確立了許多電磁學(xué)的基本定律，終于迎來了電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)。