电流的磁效应

人们很早就注意到电现象和磁现象的相似性，十八世纪八十年代，传统派库仑曾经论证过电和磁是物质的两个完全不同的方面，它们的作用定律都遵从平方反比规律，这在数学上很相似，但它们的性质却完全不同，要使电和磁之间相互转换似乎是不可思议的，因而根本不去寻找电磁效应．另一些人则根据电与磁的相似性，认为电与磁这两种现象之间存在着某种联系．尤其是电池的发明，更激发了一些人去发现这种关系的尝试．紫

外线的发现者、德国科学家李特尔（1776—1810）认为，化学现象、电、磁之间具有某种关联，并亲自做了一些实验，其后到 1805 年间，一些人做了同样的实验，结果没有看到预期的现象，于是物理学家不再关心这个问题了．这个时期，物理学家所关注的主要是电流的化学作用．在上述的一些早期实验中意大利人罗马诺西（1761—1835）在 1802 年寻找伏打电池组对磁针的影响时，曾无意识地观察到电流的磁效应，但由于当时人们在寻求电池组的两极和磁铁两极之间的类似性时，仅仅预料到电池组和磁铁之间存在着静力作用．囿于这种先入之见，罗马诺西没有意识到自己所观察到的事实的意义，也不打算进一步深入研究它．这样，历史的重任就落在丹麦物理学家奥斯特的肩上．

奥斯特信仰康德的哲学．康德认为，人只能体验到两种基本力，即吸引和排斥，其它电、热、光都是这两种基本力在不同的条件下的变形．奥斯特为康德“基本力”的设想所激励，总是思考着如何通过实验来证明康德的预见．他坚信自然力的统一．1803 年奥斯特曾说过，我们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的任何其它现象的零散的汇总，而我们将把整个宇宙容纳在一个体系中．1809 年奥斯特又进行了“磁针的变化和倾角与各种物理力之间的关系”的研究工作．1812 年奥斯特在柏林发表一篇“关于新发现的化学自然定律的看法”，他提出进行电流实验，以便弄清楚电在其潜在状态中是否对磁具有作用的问题．1813 年他明确预言了电流的磁效应，但是当时他认为磁效应不会沿着电流方向发生，因而实验中他总是把导线置于磁针垂直的方向上，结果都失败了．在 1818 年至 1819 年间奥斯特在一直寻找电与磁的关系．1820 年奥斯特考虑到前人沿电流方向放置磁针企图发现磁效应的失败，又联想到热和光是向四周散发的，也许电流的磁效应也存在同样的规律．所以他认为，实验成功的关键，可能在很大程度上决定于磁针放置的位置．

1820 年 7 月 21 日在哥本哈根出版的一本拉丁文小册子《电流对磁针的作用的实验》上记载了奥斯特成功地发现电流的磁效应．在实验中奥斯特发现载流导体周围产生了一个环形磁场．他将一枚小磁针靠近一根通有电流的铁丝时，小磁针发生了偏转．当他将磁针放在通电铁丝的上方时，磁针的 N 极指向一个方向，但在磁针放到通有电流铁丝的下方时，小磁针N 极指向另外一个方向．他在小册子中曾写到：在自由悬挂着的磁针上方，由北向南流动的伽伐尼电，把磁针的北端推向东，而在相反的方向上，在磁针下面流过的伽伐尼电，把磁针的北端推向西．奥斯特进一步做过许多实验，如用铂、金、银、黄铜、铁、铅、锑和汞作导线，通电流时都能使磁针偏转．他又在导线与磁针之间放置玻璃、木块、水、树脂和石头等，

结果发现，都不影响磁针的偏转；但用黄铜针、玻璃针和橡皮针代替磁针时，却不发生偏转．这样就确定了电流的磁效应．

奥斯特的发现首先说明了理论对实验的指导作用，不仅仅是实验者已有的物理学知识，也包括哲学思想对实验探索的指导意义．在当时多数物理学家的注意力集中在伽伐尼电池的研究时，奥斯特则以他深邃的洞察力和想象力开辟了电与磁联系的新领域．使吉尔伯特等提出电和磁是两种绝然无关的现象的观点两个世纪后被奥斯特的发现所打破．使历来认为两个无关的现象——电和磁建立了联系，这就为以后电磁场理论的发展奠定了基础，开创了电磁学研究的新纪元．奥斯特的发现是公布于 1820 年 7 月用拉丁语写出的小册子上，紧接着它很快就被译成德语、英语、法语等公开发表了．这一发现立即在科学家中间引起了极大的反响，使许多人立即开始着手研究这个现象，取得了许多重大的成果．如奥斯特发现电流磁效应后的几个月中，德国的斯威格（1779—1857）重复做了奥斯特的实验，让一根导线在罗盘上方平行于磁针，通电后记下磁针偏转的角度，然后把导线移到罗盘下方通过同样大小的反向电流，发现磁针也偏同样的角度．于是他在罗盘上下同时通过大小相等方向相反的电流，发现磁针的偏转角增加了一倍，进而把导线往罗盘上缠绕，每绕一圈，偏转角就增加一倍．斯威格把这个绕以导线的罗盘起名为“放大器”．这就是最初的电流计．以后，波根多夫（1796—1877）指出，这种电流计的线圈匝数增加到某一极限后，其放大倍数将不再与匝数成正比．这显然是导线电阻增长引起电流递减所产生的结果，这是欧姆定律等内容才能说明的问题．

斯威格的罗盘放大器一发表，马上被英国物理学家威廉·汤姆逊改进为电报接收器．他用生丝吊着磁针，平时恒指南北，在磁针外圈绕着导线，一旦有电讯到来，磁针偏转，生丝上的小镜反射的光点就移动．汤姆逊的电流计类似于今天的光点式电流计．只不过用可动的轻绕组代替了磁针，用强大的永磁体代替天然的地磁场．电流计的出现，为电磁研究和技术应用提供了精密和灵敏的测量仪器．

在奥斯特发现电流磁效应的第二年，英国化学家戴维进一步发现，凡是在铁和钢块外面绕上通电的金属导线时，该铁块或钢块就变成了电磁铁，电磁铁很快便被用于研究与技术中．

奥斯特的发现公布于世后，如毕奥、萨伐尔、安培、法拉弟第一大批物理学家迅速在电磁学这块处女地上开垦，取得了丰硕的成果．电磁感