电磁学的开始

电磁学的开始

1785年，法国物理学家库仑用扭秤实验测定了静电与静磁之间的相互作用，从而发现了库仑定律。但包括库仑在内的一大批科学家都怀疑电和磁之间存在相互联系；库仑甚至断言，电与磁是两种完全不同的实体，它们不会有什么联系，尽管它们的作用规律在数学形式上相同，但它们的本质却完全不同的东西。就连光的波动学说的创立者托马斯·杨（T．Young，1773～1829）和超距论电动力学的奠基人安培也都赞同库仑的观点。1820年，丹麦物理学家奥斯特（Hans Christian Oersted，1777～1851年）向科学界宣布了电流的磁效应的发现，这一重大发现第一次揭示了电与磁的联系，开创了电磁学研究的新纪元，从而宣告了电磁学的开始。

1、奥斯特电流磁效应的发现

奥斯特是丹麦一个小镇上药店商人的儿子，十二岁时他已受过很好的教育，在他父亲的店里担任助手，这项工作激发了他的科学兴趣。后来他在哥本哈根大学学习医学、物理学和天文学；当他听到了伏打的发现后，立即开始电流实验。1801年，他进行传统的欧洲游历，到了法国、德国和荷兰。他在德国会见了哲学家谢林（Schelig）、物理学家伦福德伯爵和其他科学家。1803年他回到了哥本哈根，1806年，他成为哥本哈根大学实验物理学教授。19世纪初，德国哲学家康德（I．Kant，1724～1804）的基本力和基本力向其他种类的力转化的哲学思想，对促进物理学家去寻找电与磁的本质联系起了积极的作用。奥斯特深受康德哲学的影响，坚信自然力统一的思想，认为电、磁、光、热等现象之间存在着某种内在的联系。为了寻找电与磁之间的联系，奥斯特做出了不懈的努力。

1812年，奥斯特在《关于化学力和电力的统一的研究》的著作中提

出了这样的设想：如果使电流通过直径较小的导线，导线就会发热；若

进一步缩小导线的直径，电流会使导线发光；进而推知，当导线直径小

到一定程度，电流将会产生磁效应。虽这条思路本身有着明显的错误，

但他的电能转化为磁的思想却是可贵的。此后几年，他一直关注这一课

题。奥斯特猜想：如果电流能够产生磁效应的话，那么这种效应不可能

在电流的方向上发生，因为许多人在这个方面所作努力的失败已经证明

了这一点；这种作用很可能是横向的。在没有证实他的假想之前，他不

愿在课堂上公开他的思想。1820年4月，奥斯特在给具有相当物理学知

识的学者讲授电、伽伐尼电和磁课程时做了一个实验，他用一个小伽伐

尼电池的电流通过一条细铂丝，铂丝放在一个带玻璃罩的指南针上，结

果盒中的磁针被扰动了，尽管效应很弱，看上去也不规则，并未给听众留下强烈的印象，但奥斯特深知这种扰动背后所包含的巨大意义，他为此兴奋不已。

在以后的三个月中，奥斯特深入地进行了实验研究。奥斯特将玻璃、木头、水、松脂、瓦片、石块等非磁性物体插在导线与罗盘之间，没有发现偏转的磁针与没有插入这些物体之前有什么不同。甚至当磁针浸在装有水的铜盆里的时候，磁针在电流的作用下仍然偏转，因此他得出结论：“电流冲击只作用在磁性粒子上，所有非磁性物体对于电流冲击是可以忽略

的。由于磁性物质或者磁性粒子阻止这种冲击通过，因而它们被电流冲击的冲力带动而发生偏转。”奥斯特又发现，磁针分别放在导体的上面和下面时，它的偏转方向正好相反。如图3－1所示奥斯特实验，实验发现在载流长直导线附近平行放置的磁针受力沿垂直于导线的方向偏转，即磁针的N极垂直于由导线和磁针构成的平面（图中用虚线画出）

图6-7为奥斯特电流磁效应的

发现

向外（即向纸面外）运动，磁针的S 极则垂直于由导线和磁针构成的平面向内运动，形成偏转。如果电流反向，则磁针反向偏转。由此，他直觉地发现，他所定义的“电流冲击”含有两个性质：它不仅存在于通电导体中，而且存在于通电导体的周围；“电流冲击”沿着以导线为轴线的螺旋线传播，螺线的螺纹方向几乎与导线垂直。奥斯特实验说明作用力是横向力，这是奥斯特实验的又一重大发现。它突破了以往关于非接触物体之间的作用力均为有心力的局限，拓宽了作用力的类型。1820年7月21日，他终于在欧洲主要学刊上以题为《关于电冲击对磁针影响的实验》极其简洁的文字，宣布了他的实验结果。

奥斯特实验立刻受到了普遍的赞扬。安培写道：“奥斯特先生……已经永远把他的名字和一个新纪元联系在一起了”。法拉第评论说：“它（奥斯特实验）突然打开了科学中一个一直是黑暗的领域的大门，使其充满光明”。紧接着，物理学界掀起了电磁学研究的热潮，一系列新的实验在奥斯特实验的启发下应运而生，丰富了人们对电现象与磁现象之间联系的认识。

2、安培的分子电流假说

奥斯特的论文打开了电磁学研究的新领域，它的重要性立即被科学界所公认，他的论文被译成了德文、法文、英文，发表在各种标准的科学刊物上。1820年9

月11日，刚从瑞士回国的阿拉戈（Dominique Francois Jean Arago ，1786～

1853）在法国科学院介绍了奥斯特的论文，当时在场的人中就有安培

（Andre-Marie Ampere ，1775—1836），他是一位很有才能的数学家，掌握

了各种现代的分析工具。在科学上最善于吸取他人成功经验的安培做出了

最迅速的反应。他分别于1820年9月18日、25日和10月9日在法国科

学院宣读了三篇重要的论文，从而奠定了电磁学的数学理论的基础。安培

初步形成了这样一种思想，即磁的本质是电流（或运动的电荷）。通电螺

线管和磁棒在物理性质方面的相似，更坚定了他的这一思想。安培一经把

磁视作电流，他就不再考虑诸如电流和磁体的相互作用、磁体和磁体的相

互作用这样的问题，而是把它们统统归结为电流之间的相互作用。安培完

成了电流对磁极的四个示零实验，并伴之以缜密的理论分析，天才地建立了著名的安培定律，充分显示了大师的风范。

当阿拉戈对奥斯特实验进行答辩后，安培不仅重复了奥斯特的实验，而且做了圆电流对磁针的作用，平行载流直导线之间的作用，以及圆电流之间的作用等实验，进一步揭示了电磁现象之间的联系。1820年9月18日，安培在《关于圆电流对磁针作用的实验》的论文中，他解释了如何确定磁针被电流偏转后所占据的位置，并且提出了圆形电流产生磁的可能性。9月25日安培在《关于两平行直电流相互作用的实验》向科学院报告了另一项研究成果，他证明，给两个平行导线加上同向电流时，它们相互吸引，当给它们加上反向电流时，它们相互排斥，这比奥斯特的实验结果大大前进了一步。此后，安培又在10月9日《关于载流螺线管与磁棒等效性的实验》的论文中论述了各种曲线形状的通电导线之间的相互作用，他进而根据这些现象和实验结果对地磁场作了解释。1820年底，安培给出了两平行直电流相互作用力的公式，即真空中距离为a 的两平行直电流I 1和I 2之间每单位长度的相互作用力为：

a

I I k F 21 安培认为，磁棒的磁性是棒内的电流产生的。他假定每

个分子都有电流环绕着，当分子排列整齐时，它们的电流合起

图6-10为安培演示电流作用力的仪器

图6-9为阿拉戈

来就可以满足磁棒的磁性所需要的电流。这就是安培分子电流假设的来源。磁现象的本质是电流，物质的磁性来源于其中的分子电流，电流与磁体、电流与电流、磁体与磁体相互作用都是电流与电流之间相互作用的结果。因此，安培认为，电流与电流之间的作用力是电磁作用的基本力，他称之为“电动力”，并把研究电动力的学科叫做“电动力学”。安培把确定电流之间相互作用力的定量规律引为己任，从1821年到1825年，经过几年的努力，终于完成了这一艰巨的使命。最后发表了重要的总结性论文《关于唯一地用实验推导的电动力学的数学理论的论文》，给出了电流元之间相互作用力的公式，这就是著名的安培定律。

安培定律的表式为：B d l d I F d ?=2212；式中12F 为力，B 为与11l d I 相距为r 12处（即

在22dl I 处）产生的磁感应强度。对于闭合载流回路，它产生的磁场为：

???==1312

121104l r r l d I B d B πμ 这就是比奥－萨伐尔定律（Biot-Savart-Laplace ）的积分形式。从某种意义上讲，比奥－萨伐尔定律可以看作是关于电流元之间相互作用力的安培定律的一部分，由比奥－萨伐尔定律可以证明恒定磁场的高斯定理和安培环路定理，它们表明磁场是无源有旋的矢量场。安培的这一卓越贡献，被麦克斯韦誉为“科学中最光辉的成就之一”。麦克斯韦称赞到：安培所建立的电磁理论，“它在形式上是完整的，在准确性方面是无懈可击的”；他不愧为是“电学中的牛顿”。