電流磁效應(yīng)奧斯特的"電流碰撞"

丹麥物理學(xué)家漢斯·奧斯特(H.C.Oersted，1777-1851)就是其中的一位。他是康德哲學(xué)思想的信奉者，深受康德等人關(guān)于各種自然力相互轉(zhuǎn)化的哲學(xué)思想的影響，奧斯特堅信客觀世界的各種力具有統(tǒng)一性，并開始對電、磁的統(tǒng)一性的研究。1751年富蘭克林用萊頓瓶放電的辦法可使鋼針磁化，這對奧斯特啟發(fā)很大，他認識到電向磁轉(zhuǎn)化不是可能不可能的問題，而是如何實現(xiàn)的問題，電與磁轉(zhuǎn)化的條件才是問題的關(guān)鍵。開始奧斯特根據(jù)電流通過直徑較小的導(dǎo)線會發(fā)熱的現(xiàn)象推測:如果通電導(dǎo)線的直徑進一步縮小那么導(dǎo)線就會發(fā)光如果直徑進一步縮小到一定程度，就會產(chǎn)生磁效應(yīng)。但奧斯特沿著這條路子并未能發(fā)現(xiàn)電向磁的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。奧斯特沒有因此灰心，仍在不斷實驗，不斷思索，他分析了以往實驗都是在電流方向上尋找

??電流磁效應(yīng)

電流的磁效應(yīng)，結(jié)果都失效了，莫非電流對磁體的作用根本不是縱向的，而是一種橫向力，于是奧斯特繼續(xù)進行新的探索。1820年4月的一天晚上，奧斯特在為精通哲學(xué)及具備相當物理知識的學(xué)者講課時，突然來了"靈感"，在講課結(jié)束時說:"讓我把通電導(dǎo)線與磁針平行放置來試試看!"于是，他在一個小伽伐尼電池的兩極之間接上一根很細的鉑絲，在鉑絲正下方放置一枚磁針，然后接通電源，小磁針微微地跳動，轉(zhuǎn)到與鉑絲垂直的方向。小磁針的擺動，對聽課的聽眾來說并沒什么，但對奧斯特來說實在太重要了，多年來盼望出現(xiàn)的現(xiàn)象，終于看到了，當時簡直使他愣住，他又改變電流方向，發(fā)現(xiàn)小磁針向相反方向偏轉(zhuǎn)，說明電流方向與磁針的轉(zhuǎn)動之間有某種聯(lián)系。

奧斯特為了進一步弄清楚電流對磁針的作用，于1820年4月到7月，費了三個月的時間，做了六十多個實驗，他把磁針放在導(dǎo)線的上方、下方，考察了電流對磁針作用的方向;把磁針放在距導(dǎo)線不同距離，考察電流對磁針作用的強弱;把玻璃、金屬、木頭、石頭、瓦片、松脂，水等放在磁針與導(dǎo)線之間，考察電流對磁針的影響;……。于1820年7月21日發(fā)表了題為《關(guān)于磁針上電流碰撞的實驗》的論文，這篇論文僅用四頁紙，十分簡潔地報告了他的實驗，向科學(xué)界宣布了電流的磁效應(yīng)。1820年7月21日作為一個劃時代的日子載入史冊，它揭開了電磁學(xué)的序幕，標志著電磁學(xué)時代的到來。

奧斯特當時把電流對磁體的作用稱為"電流碰撞"，他總結(jié)出了兩個特點:一是電流碰撞存在于載流導(dǎo)線的周圍;二是電流碰撞"沿著螺紋方向垂直于導(dǎo)線的螺紋線傳播"。奧斯特實驗證實了電流所產(chǎn)生的磁力的橫向作用，他的廿年前的信念，終于靠自己的實驗證實了。

有人說奧斯特的電流磁效應(yīng)是"偶然地發(fā)現(xiàn)了磁針轉(zhuǎn)動"，當然也不無道理，但是法國的巴斯德說得好:"在觀察的領(lǐng)域中，機遇只偏愛那種有準備的頭腦。"

奧斯特的發(fā)現(xiàn)轟動了整個歐洲，對法國學(xué)術(shù)界的震動尤大，法國物理學(xué)家阿拉果在瑞士聽到了奧斯待發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的消息，十分敏銳地感到這一成果的重要性，迅即于1820年9月初從瑞士趕回法國。9月11日即向法國科學(xué)院報告了奧斯特的這一最新發(fā)現(xiàn)，他詳細地向科學(xué)院的同事們描述了電流磁效應(yīng)的實驗。阿拉果的報告，在法國科學(xué)家中引起了很大反響。當時，以科學(xué)上極為敏感、最能接受他人成果而著稱的安培(A.M.Ampere，1775-1836)對此作出了異乎尋常的反應(yīng)，他于第二天就重復(fù)了奧斯特的實驗，并加以發(fā)展，在一周內(nèi)于9月18日向法國科學(xué)院報告了第一篇論文，闡述了他重復(fù)做的電流對磁針的實驗，并提出了圓形電流產(chǎn)生磁性的可能性。安培在這個實驗中發(fā)現(xiàn)磁針轉(zhuǎn)動的方向與電流方向的關(guān)系服從右手定則，即是后人稱它為"安培右手定則"。

此后安培又創(chuàng)造性地發(fā)展了實驗內(nèi)容，研究了電流對電流的作用，這比奧斯特實驗大大前進了一步。9月25日他又向法國科學(xué)院提出了第二篇論文，闡述了他用實驗證明了兩平行載流導(dǎo)線，當電流方向相同時相互吸引，當電流方向相反時相互排斥。之后安培又用各種形狀的曲線載流導(dǎo)線，研究他們之間的相互作用，并于10月9日提出了第三篇論文。

在這以后安培又花了兩、三個月的時間集中力量研究電流之間的相互作用。安培以極精巧的實驗和相當高超的數(shù)學(xué)技巧結(jié)合起來，做了四個實驗。

第一個實驗，安培用一無定向秤檢驗對折通電導(dǎo)線有沒有作用力，結(jié)果是否定的，從而證明當電流反向時，它產(chǎn)生的作用也相反。

第二個實驗，安培仍用一無定向秤檢驗一對折通電導(dǎo)線，只是這時對折導(dǎo)線的另一臂繞成螺旋線，結(jié)果也是否定的，從而證明，電流元具有矢量性質(zhì)，即許多電流元的合作用等于各單個電流元所產(chǎn)生的作用的矢量和。

第三個實驗，安培設(shè)計了一個裝置，同一端固定于圓心的絕緣柄固連一圓弧形導(dǎo)體，再將圓弧形導(dǎo)線架在兩個通電的水銀槽上.然而用各種通電線圈對它作用，結(jié)果卻不能使圓弧形導(dǎo)體沿其電流方向運動。從而證明，作用在電流元上的力是與它垂直的。

第四個實驗，安培用1.2、3三個相同的線圈，這三個線圈的線度之比與三線圈間距之比一致，通電后發(fā)現(xiàn):1、3線圈對2線圈的合作用為零。從而證明，各電流強度和相互作用距離增加同樣倍數(shù)時，作用力不變。

安培提出了一個假設(shè)是兩電流元之間的相互作用力沿著它們的連線，在此基礎(chǔ)上，安培總結(jié)得出兩電流元之間的作用力與距離平方成反比的公式，這就是著名的安培定律。安培于同年12月4日向法國科學(xué)院報告了這個極為重要的成果。

為了解釋奧斯特效應(yīng)，安培把磁的本質(zhì)簡化為電流，認為磁體有一種繞磁軸旋進的電流，磁體中的電流與導(dǎo)體中的電流相互作用便導(dǎo)致了磁體的轉(zhuǎn)動。這在某種意義上起到了用電流相互作用力來統(tǒng)一解釋各種電磁現(xiàn)象的效果。

但菲涅耳對安培的磁體電流提出了質(zhì)疑，他認為磁體中既然有電流，磁體就應(yīng)當有明顯的溫升現(xiàn)象，但實際上無法測量出磁體的自發(fā)放熱。在這種情況下，安培又提出了著名的分子電流假設(shè):磁性物質(zhì)中每個分子都有一微觀電流，每個分子的圓電流形成一個小磁體。在磁性物質(zhì)中，這些電流沿磁軸方向規(guī)律地排列，從而顯現(xiàn)一種繞磁軸旋轉(zhuǎn)的電流，如同螺線管電流一樣。1827年安培發(fā)表了《電動力學(xué)現(xiàn)象的理論》.將其電動力學(xué)的數(shù)學(xué)理論牢固地建立在分子電流假設(shè)的基礎(chǔ)上。

在安培得出電流元相互作用公式之前，法國科學(xué)家畢奧(J.B.Biot，1774-1862)和薩伐爾(F.Savart，1791-1841)通過實驗得到了載流長直導(dǎo)線對磁極的作用反比于距離r的結(jié)果，后來法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯(P.S.Laplace，1749-1827)用絕妙的數(shù)學(xué)分析，幫他們把實驗結(jié)果提高到理論高度，得出了畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律(簡稱畢-薩-拉定律)給出了電流元所產(chǎn)生的磁場強度的公式，闡明電流元在空間某點所產(chǎn)生的磁場強度的大小正比于電流元的大小，反比于電流元到該點距離的平方，磁場強度的方向按右手螺旋法則確定，垂直于電流元到場點的距離。

奧斯特的發(fā)現(xiàn)揭示了長期以來認為性質(zhì)不同的電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，電磁學(xué)立即進入了一個嶄新的發(fā)展時期，法拉第后來評價這一發(fā)現(xiàn)時說:"它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，如今充滿光明。"人們?yōu)榱思o念這位博學(xué)多才的科學(xué)家，從1934年起用"奧斯特"的名字命名磁場強度的單位。

從1820年7月奧斯特發(fā)表電流的磁效應(yīng)到12月安培提出安培定律，這期間僅僅經(jīng)歷了四個多月時間。但電磁學(xué)卻經(jīng)歷了從現(xiàn)象的總結(jié)到理論的歸納這一大飛躍，從而開創(chuàng)了電動力學(xué)的理論。這些成就的取得反映了當時物理學(xué)界的杰出人物的思想敏捷與高超的數(shù)學(xué)水平，也反映了物理學(xué)家們鍥而不舍的科學(xué)鉆研精神。

1731年，一名英國商人發(fā)現(xiàn)，雷電過后，他的一箱刀叉竟然有了磁性。1751年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)萊頓瓶放電可使縫衣針磁化。

電流的磁效應(yīng)(通電會產(chǎn)生磁):奧斯特發(fā)現(xiàn):任何通有電流的導(dǎo)線，都可以在其周圍產(chǎn)生磁場的現(xiàn)象，稱為電流的磁效應(yīng).

非磁性金屬通以電流，卻可產(chǎn)生磁場，其效果與磁鐵建立的磁場相同.

通有電流的長直導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場.

在通電流的長直導(dǎo)線周圍，會有磁場產(chǎn)生，其磁感線的形狀為以導(dǎo)線為圓心一封閉的同心圓，且磁場的方向與電流的方向互相垂直.

用右手握住導(dǎo)線，大拇指指向電流的方向(所以必須是直流電，電流的方向，在導(dǎo)線中是由正極流到負極)，其余四指所指的方向，即為磁力線的方向或磁針N極所受磁力的方向。

以右手握住線圈，四指指向?qū)Ь€上電流的方向，則大拇指所指即為磁力線方向。

H(高斯)=2I(安培)/10r(公分)<;==長直導(dǎo)線

I:系指導(dǎo)線上的總電流，可借著增加線圈的匝數(shù)來提高導(dǎo)線上的總電流。

r:為與導(dǎo)線間的垂直距離。

*注:地球磁場約0.2高斯。

螺管線圈:管面半徑a，管長L，線圈總匝數(shù)N，距端面為X的P點

a.空心:X點之磁場

b.若在螺線管內(nèi)塞滿磁鐵性物質(zhì)，除了原有空心線圈所產(chǎn)生的磁場外，另外還得加上這些物質(zhì)磁化后所造的磁場，即總磁場強度(B)應(yīng)為

B=H+4πM=H+4πXH=(1+4πX)H=μH

X:導(dǎo)磁M:磁化強度H:空心線圈之磁場

由上式可知塞有磁性物質(zhì)的螺線管，其所產(chǎn)生的磁場強度為空心線圈的M倍。一般鐵磁性物質(zhì)的μ值在數(shù)百到數(shù)萬之間。

因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。1820年H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)后，許多物理學(xué)家便試圖尋找它的逆效應(yīng)，提出了磁能否產(chǎn)生電，磁能否對電作用的問題，1822年D.F.J.阿喇戈和 A.von洪堡在測量地磁強度時，偶然發(fā)現(xiàn)金屬對附近磁針的振蕩有阻尼作用。1824年，阿喇戈根據(jù)這個現(xiàn)象做了銅盤實驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動的銅盤會帶動上方自由懸掛的磁針旋轉(zhuǎn)，但磁針的旋轉(zhuǎn)與銅盤不同步，稍滯后。電磁阻尼和電磁驅(qū)動是最早發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但由于沒有直接表現(xiàn)為感應(yīng)電流，當時未能予以說明。 1831年8月，M.法拉第在軟鐵環(huán)兩側(cè)分別繞兩個線圈 ，其一為閉合回路，在導(dǎo)線下端附近平行放置一磁針，另一與 電池組相連，接開關(guān)，形成有電源的閉合回路。實驗發(fā)現(xiàn) ，合上開關(guān)，磁針偏轉(zhuǎn)；切斷開關(guān)，磁針反向偏轉(zhuǎn)，這表明在無電池組的線圈中出現(xiàn)了感應(yīng)電流。法拉第立即意識到，這是一種非恒定的暫態(tài)效應(yīng)。緊接著他做了幾十個實驗，把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情形概括為 5 類 ：變化的電流 ， 變化的磁場，運動的恒定電流，運動的磁鐵，在磁場中運動的導(dǎo)體，并把 這些現(xiàn)象正式定名為電磁感應(yīng)。進而，法拉第發(fā)現(xiàn)，在相同條件下不同金屬導(dǎo)體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與導(dǎo)體的導(dǎo)電能力成正比，他由此認識到，感應(yīng)電流是由與導(dǎo)體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應(yīng)電流，感應(yīng)電動勢依然存在。

后來，給出了確定感應(yīng)電流方向的楞次定律以及描述電 磁感應(yīng)定量規(guī)律的法拉第電磁感應(yīng)定律。并按產(chǎn)生原因的不同，把感應(yīng)電動勢分為動生電動勢和感生電動勢兩種，前者起源于洛倫茲力，后者起源于變化磁場產(chǎn)生的有旋電場。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對其本質(zhì)的深入研究所 揭示的電、磁場之間的聯(lián)系，對麥克斯韋電磁場理論的建立具有重大意義。電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測量等方面都有廣泛的應(yīng)用。

這就是法拉第第一次成功地觀察到電磁感應(yīng)現(xiàn)象的生動記錄。從法拉第日記中可以看到，電磁感應(yīng)(由磁產(chǎn)生電)的發(fā)現(xiàn)是他意料之中的事，使他感到意外的是電磁感應(yīng)竟是一種短暫效應(yīng)，而奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)卻是一種穩(wěn)定效應(yīng)，在他的思想中，電磁感應(yīng)似乎也應(yīng)當是一種穩(wěn)定效應(yīng)，所以在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)是短暫效應(yīng)后，他在日記中就突出地記錄了這一點。

法拉第在圓環(huán)實驗的基礎(chǔ)上，進一步提出了兩個極有見地的問題:第一，圓鐵環(huán)能不能不要，沒有它能否仍有感應(yīng)效應(yīng)?第二，不用A邊線圈，而用磁鐵相對于B邊線圈運動，B邊線圈內(nèi)是否仍有感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生?法拉第帶著這些問題在以后的十天中又連續(xù)地做了許多實驗。其中有一個是這樣的:法拉第"把長為203碼(約為186米)的用紗布包起來的銅導(dǎo)線繞在很寬的木線筒上，再在原繞組線圈上絕緣地繞上同樣長度的紗包銅線，將一個繞組與電流計連接，另一個繞組與100對金屬板組成的電池組連接。發(fā)現(xiàn)當電健接通和斷開的曝間，電流計指針擺動……;電鍍合上后，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線灼熱，但電流計指針不偏轉(zhuǎn)"。

9月24日，法拉第在兩條磁棒的N、S極中間放上一繞有線圈的圓鐵棒，線圈與一電流計連接，他發(fā)現(xiàn)當圓鐵棒脫離或接近兩極的瞬間，電流計的指針就會偏轉(zhuǎn)。

10月17日法拉第又發(fā)現(xiàn)另一種形式的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。他用一線圈與電流計相連接，然后將一永久磁鐵迅速插入與拔出線圈.發(fā)現(xiàn)電流計指針也會偏轉(zhuǎn)。

l0月28日法拉第還進行了最早的發(fā)電機實驗。他把直徑為12英寸，厚為1/5英寸的銅盤裝在水平的黃銅軸上，又將兩條長為6-7英寸，寬約1英寸，厚約1/2英寸的小磁鐵相對放置在銅盤邊緣，見圖所示，他用另一電流計的兩個接線柱上引出兩個碳刷(圖中未畫出)。實驗時讓銅盤飛快旋轉(zhuǎn)，同時把兩個電刷分別接觸于銅盤的不同位置，以確定產(chǎn)生感應(yīng)電流的最佳位置，經(jīng)過反復(fù)試驗，他發(fā)現(xiàn)由盤心O到磁極所對的銅盤邊緣可以產(chǎn)生最大的感應(yīng)電流，這臺實驗裝置實際上是一臺直流發(fā)電機--人類歷史上第一臺發(fā)電機。