梁子俊 百科知识 奥斯特实验(科学领域电流磁效应发现史)

奥斯特实验(科学领域电流磁效应发现史)

1820年,一位具有哲学头脑的物理学家、化学家解开了这个秘密,第一个发现了电磁之间的微妙关系。这位开路先锋的名字叫奥斯特。

电和磁很像一对孪生兄弟,有许多相似之处。古希腊哲学家泰勒斯曾把电和磁误作一回事,认为摩擦琥珀吸引草屑和磁石吸引铁片,都是因为“有灵魂”。1600年一位名叫吉尔伯特的英国御医纠正了泰勒斯的错误,明确指出电和磁是两种不同的现象。但是自那以后,许多人又把电和磁当成互不相关的东西。在人们的心目中,磁是磁,电是电,两者没有任何关系。

到了18世纪中叶,德国大哲学家康德对世界提出了一种全新的见解。康德认为,世界上只存在两种基本力,一种是引力,一种是斥力;自然界的其他作用力,如电、磁、热、光和化学亲合力等等,都是这两种基本力在不同条件下的转化。康德的这一卓越的哲学思想,发表在他于1786年出版的《形而上学》一书里。

在这一年之前,法国学者库仑在发现电荷作用定律的同时,用自制的扭力天平测定了磁力的大小。测定结果,磁力的公式同电荷作用公式的形式很相似。这个巧合含着某种机缘。可惜库仑没有意识到。电荷可以分开,正电荷和负电荷能够独立存在;磁极却分不开,一根磁棒不论折成多少段,每一段都是一个具有南北极的新磁棒。库仑因此断言,电和磁两者之间没有关系,也不可能互相转换。

康德阐述的是一种思想,库仑提出的是一个实验的结论。因而当时绝大多数科学家觉得后者更可信,认为库仑的观点是正确的。电和磁究竟有没有联系呢?

科学家说:“不会有。”

哲学家说:“应该有。”

大自然却提供了一些神秘的问号。早在17世纪,人们就发现了一些奇怪的现象。1681年7月,一艘航行在大西洋的商船遭到雷击,结果船上的3个罗盘全部失灵:其中两个退磁了,另一个指针的南北指向颠倒。还有一次,意大利的一家五金商店被闪电击中,事后发现被击毁的盒子里,有的刀叉被烧熔,有的被磁化了。这些现象说明,闪电既能使钢失去磁性,又能让钢带上磁性。据说,富兰克林在一次做莱顿瓶放电实验时,也曾意外地发现,钢针被磁化了。怎么解释这些现象呢?

奥斯特的发现:电流的磁效应

奥斯特像(网络图)

1820年,一位具有哲学头脑的物理学家、化学家解开了这个秘密,第一个发现了电磁之间的微妙关系。这位开路先锋的名字叫奥斯特。

1777年8月,奥斯特生于丹麦的路克宾,父亲是一个制药匠,家境贫寒。奥斯特12岁即帮父亲制药,他因此迷上了化学,17岁考入哥本哈根大学,攻读理化和药物学,同时对哲学产生浓厚的兴趣,22岁获哲学博士学位。大学毕业后,奥斯特曾去柏林旅行,结识了不少科学家。1804年他回到丹麦,在哥本哈根大学任自然哲学教授。

奥斯特信仰康德的自然哲学观,相信自然界的各种力是统一的,光、电、磁、化学亲合力等在一定条件下可以互相转化。他的博士论文题目就是《康德哲学思想与自然科学》。在这种哲学思想的指导下,他一直试图寻找电力与磁力之间的联系。这是一次雄心勃勃而又目的明确的探索,但是道路是曲折的,他做了许多实验,都未能如愿以偿。

起初,奥斯特用莱顿瓶试验,不管莱顿瓶带的电有多强,也没有发现它有磁效应。那么闪电为什么能使小刀磁化呢?奥斯特想,一定是因为莱顿瓶带的电是静电,而闪电是动电。于是他改用伏打电堆产生的电流做实验。但是也失败了。难能可贵的是,奥斯特的探索目标始终是明确的,尽管走了许多弯路,他从未动摇过。

1800年伏打发明电堆时,据说一位青年化学家作过一个半真半谑的预测。这位化学家说:下一个划时代的发现,将在“1819又三分之二年,或1820年”实现。有意思的是,恰恰在20年后,他的预言成为现实。

1819年冬季到1820年春天,奥斯特担任了电学与磁学的讲课。这几个月在他的一生中至关重要。他重新思考多年来一直萦绕在心的那个问题:如何使电流向磁转化?他想:如果电流能产生磁效应,也许这个磁效应的作用是横向的,而不可能沿着电流的方向——因为不少人沿着这个方向去探索都没有效果。这是一个大胆而天才的设想。

奥斯特的发现:电流的磁效应

奥斯特演示电流的磁效应(网络图)

1820年4月的一天,奥斯特在课堂上抱着试一试的想法,做了一次即兴实验。他把一根很细的铂丝连在伏打电槽上,细铂丝下搁着一个用玻璃罩的磁针,以往的实验磁针与导线是垂直的,这次他特意让磁针与细铂丝平行。当着许多听课学生的面,奥斯特接通电源,这时他发现,磁针果然摆动了一下!由于他实验的电流很小,磁针的摆动不大明显,在场的学生并没有在意,然而奥斯特却大喜过望,据说他当时高兴得竟然在讲台上摔了一跤。只有奥斯特知道:这是人类第一次有意识地发现了电和磁的关系!

又经过3个月深入地研究,奥斯特终于弄清楚了在通电导线的周围,确实存在一个环形磁场。这正是他一直在寻找的电流的磁效应!

奥斯特的发现:电流的磁效应

矗立在哥本哈根市的奥斯特塑像(网络图)

1920年7月21日,奥斯特在一家刊物上公布了他的实验结果。论文是用拉丁文写的,题为《关于磁针上电流冲击的实验》。这是一篇划时代的论文,薄薄的四页,没有任何数学公式,也没有示意图,但它以简洁和精练的文字向全世界宣告:人类第一次找到了电和磁的转换关系。电和磁,这两条古老的河流在奥斯特这里汇合了!

奥斯特的发现轰动了全欧洲的物理学界。人们本来以为毫不相关的两种现象,竟有这样奇妙的关系。这个发现成了近代电磁学的突破口,各国科学家纷纷转向电磁研究。法拉第后来对奥斯特的发现作了如此精当的评价:“它猛然打开了一个科学领域的大门,那里过去是一片漆黑的,如今充满了光明。”

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