(一)奥斯特的发现

在历史上很长的一段时间里，磁学和电学的研究一直彼此独立地进行着。对电和磁现象进行系统的研究是从英国的吉尔伯特(William Gilbert，1544—1603)开始的。他是英国女王的御医。在 1600 年出版的《论磁、磁体和作为一个巨大的磁体的地球》一书中，他指出了电现象和磁现象之间深刻的差异，诸如磁性质是几种少数磁体具有的性质，而电性质是物体通过摩擦而具有的普遍性质等等，从而认为电和磁是两种截然无关的现象。这对后来电磁学的发展产生了深刻的影响。18 世纪 80 年代库仑论证电和磁是两个完全不同的方面，它们的作用定律在数学上很相似，但它们的性质却很不相同，认为电与磁相互转换简直是不可思议的。直到 19 世纪初叶，科学界还是普遍把这两种现象看作是相互独立的。[1]

但是实际上电和磁之间相互联系的现象早已引起了一些人的注意。早在 18 世纪 30 年代，就有人描述过闪电能使箱中刀、叉、钢针磁化的现象。

1751 年富兰克林(Benjamin Franklin，1706—1790)已发现用莱顿瓶放电的方法可以使焊条、钢针磁化或退磁。当时关于闪电改变钢铁物件磁性的事情屡见报道，但既未作过系统的研究，更想不到这与电流之间有何联系。1774 年巴伐利亚电学研究院还特地出了一个有奖征文题目：“电力和磁力是否存在着实际的和物理的相似性？”不少人用实验来加以研究。1805 年，德国的哈切特(J.N.P.Hachetle)和笛索米斯(C.B.Desormes)用一根绝缘绳将伏打电堆悬挂起来，企图观察它在地球作用下是如何取向的，但实验没有得出结果。19 世纪初，戴维在研究电极的炭棒之间的弧光时，曾观察到磁铁能够吸引或排斥弧光，并使弧光偏转，这是关于电磁之间相互作用的早期发现之一。[1]

丹麦物理学家奥斯特(Hans Christian Oersted，1777—1851)出生于一个贫穷的药剂师家里。他 17 岁时便考取了哥本哈根大学的免费生。他一边当家庭教师一边在学校学习药物学，对物理学、天文学、哲学和文学都很有兴趣。1797 年，他在哥本哈根大学毕业取得药剂师称号，并由于他写的美学和医学方面的论文而获得金质奖章。1799 年，他由于一篇关于康德哲学的论文被授予哲学博士学位。1806 年，任哥本哈根大学物理学教授。1821 年，被选为英国皇家学会会员。两年后，又被选为法国科学院院士。后来出任丹麦皇家科学协会会长。[1]

奥斯特是一个深受德国古典哲学影响的物理学家，他受到德国“自然哲学”，特别是谢林(Friedrich Schelling，1775—1854)关于各种现象相互联系和相互转化思想的影响。他说：“谢林想给我们一个物理学的完整的哲学体系，但他除教科书外没有任何自然界的知识。”自然哲学强调知识的先验性，反对知识的经验性，带有思辨的色彩，它把虚构的联系强加

予自然界，而不是从自然界中去寻求真实的联系。但是它关于世界的统一性和运动形式相互转化的思想，对自然科学的发展起着积极的作用。奥斯特从中吸取了思想营养。1803 年，奥斯特就说过：“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罗列，而我们将把整个宇宙容纳在一个体系中。”奥斯特通过对电的研究增强了他对自然力统一的信念。他说：“既然长期以来，我认为电力是自然界最一般的力，我也必须从它们得到磁的效应。”[2]1813 年出版的《关于化学力和电力的统一性的研究》中，奥斯特根据电流流经直径较小的导线时会发热的现象推测，如果通电导线的直径变得更小，小到一定程度时，电流就会发生磁效应。他指出：“必须检验电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。”寻找这两个自然力之间联系的思想，经常盘绕在他的头脑中。

1819 年冬天，奥斯特在哥本哈根大学讲授电学、伽伐尼电流和磁学的课程时，进行了电流对磁针效应的第一批实验。他曾经说过：“这些实验似乎表明磁针因伽伐尼仪器的影响而移动了位置，而且这种情况发生时， 伽伐尼电路必须是闭合的，而不是开路的；后一种方法几位著名的哲学家几年前已经徒劳地尝试过。由于这些实验是用有缺陷的仪器进行的，所以对这样重要的问题不足以下结论。”[3]这是他在 1820 年 7 月 21 日的论文开首的一段话。在以后的文章中他一直明确指出电流磁效应发现的时间在1820 年春天。《早期电动力学》一书的编者 R.Tricker 认为奥斯特在 1819

年冬天的实验是失败的。他在注解中写道：“直到 1819 年末奥斯特仍然证明这一实验是否定的实验。遗憾地是当他试图在闭合回路和悬挂的磁铁之间发现某些作用力时，他把导线放在与磁针垂直的方向上，所以未获得效应。”[2]

奥斯特在谈到自己的发现时写道：“1820 年春天，我在哥本哈根开办了一个电和磁的讲座，听众多数是在科学上已有相当成就的人，所以这些讲座的备课导致我更深入地研究通常讲课中的一些看法，于是我以前对电力和磁力一致性的确信以新的清晰性出现了。我决心通过实验检验我的看法。”[2]

1857 年，在 Hansteen 教授致法拉第的一封著名的信中，叙述了他曾经作为奥斯特的实验助手亲眼目睹奥斯特发现电流磁效

图 6-1 奥期特的实验装置

应的具体过程。“在 1820 年 4 月的某一天晚上，奥斯特在课堂上作电流磁效应的实验，他把联接伽伐尼电池两极的导线垂直地放在磁针之上， 但是没有显示出明显的运动。当他讲课一结束，他说：‘让我们现在立即把导线放在与磁针平行的位置来试试看。’当他这样作后，突然发现电流附近的小磁针向垂直于导线的方向大辐度地转过去，振荡起来，并在几乎垂直于导线的方向停下来。奥斯特激动万分。于是他说：‘现在让我们使电流反向流动。’他把电池转了 180 度，再接上电源，结果磁针就向相反方向转去。伟大的发现就这样得到了。”[2]

奥斯特紧紧抓住这一发现，先后作了一系列实验。1820 年 7 月 21 日， 在《关于磁体周围电冲突的实验》的报告中，公布了他的实验结果。他把电流在周围空间产生的磁效应称为“电冲突”(electricconflict)，并总

结了所谓电冲突的某些特性。他在导线和磁针之间放上玻璃片、金属片、木片等等物质，都不妨碍电流对磁针的偏转作用。而把悬吊的磁针换为钢针、玻璃针、树胶针，则都静止不动。根据这些现象，他得出结论如下： “电冲突只能对物质的磁质点起作用。一切非磁体好象能让电冲突通过。但是磁体，或者宁可说物体的磁质点好象是抵抗电冲突通过，所以它们能由于这种对抗的力产生的冲量而运动。”[4]

他又写道：“从上述事实，我们还可以推出电冲突呈现为圆形。否则就不可能发生这样的情形，将联接的导线放在磁极下面时，磁极被推向东方，而放在磁极上面时，就被推向西方。其原因是只有圆才具有这种性质， 其相对部分的运动具有相反的方向。”[4]

奥斯特发现电流对磁极的作用力是一种旋转力，这是对中心力观念的有力冲击。当时人们知道的重力和静电力都是沿着物质之间或电荷之间的连线发生作用的，即沿着纵向发生的。人们习惯于这种预测。当奥斯特开始作实验时也是这样假设：电流对磁极的作用力是纵向力，所以他把电流垂直磁针放置。当他从多次的失败中意识到电流对磁针的作用力可能是横向力的时候，沿着这一新的方向探索，他终于取得重大突破。

有些人过分地宣染奥斯特发现的偶然性。其实他的发现具有深刻的思想文化背景和科学技术发展前提，只有在 1800 年伏打发明电池之后，才有可能为实验提供稳定电流；此外这也与奥斯特本人多年的探索分不开。正如法国生物学家巴斯德说的一句话：“在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑”。奥斯特发现的电流的磁效应揭开了把电学和磁学联系起来的电磁学的新篇章，为近代电磁理论的发展奠定了实验基础。