电流的磁效应实验,因为对经典电磁理论的划时代作用而成了经典物理永恒的经典。也由于此,物理的天空又多了一颗璀璨的明星,物理史册又记下了一位不朽的名字——汉斯·奥斯特。
英雄不问出处:从药房伙计到科学大师
汉斯·奥斯特(Hans Christian Oersted,1777~1851年),丹麦物理学家、化学家。1777年8月14日生于丹麦的兰格朗岛鲁德乔宾一个药剂师家庭。12岁开始帮助父亲在药房里干活,同时坚持学习化学。由于刻苦攻读,17岁以优异的成绩考取了哥本哈根大学的免费生,学习医学和自然科学。他一边当家庭教师,一边在学校学习药物学、天文、数学、物理、化学等。
1799 年获得博士学位。1801—1803年他旅游德国、法国等地,于1804年回国。1806年被聘为哥本哈根大学物理、化学教授,研究电流和声等课题。1815年起任丹麦皇家学会常务秘书。1820年因电流磁效应这一杰出发现获英国皇家学会科普利奖章。1824年倡仪成立丹麦自然科学促进会,1829年出任哥本哈根理工学院院长,直到1851年3月9日在哥本哈根逝世。终年74岁。
众里寻她千百度:发现电流的磁效应
奥斯特早在读大学时就深受康德哲学思想的影响,认为各种自然力都来自同一根源,可以相互转化。他一直坚信电和磁之间一定有某种关系,电一定可以转化为磁。当务之急是怎样找到实现这种转化的条件。
自从库仑提出电和磁有本质上的区别以来,很少有人再会去考虑它们之间的联系。而安培和毕奥等物理学家认为电和磁不会有任何联系。可是奥斯特一直相信电、磁、光、热等现象相互存在内在的联系,尤其是富兰克林曾经发现莱顿瓶放电能使钢针磁化,更坚定了他的观点。
奥斯特仔细地审查了库仑的论断,发现库仑研究的对象全是静电和静磁,确实不可能转化。他猜测,非静电、非静磁可能是转化的条件,应该把注意力集中到电流和磁体有没有相互作用的课题上去。他决心用实验来进行探索。
当时,有些人做过实验,寻求电和磁的联系,结果都失败了。奥斯特分析这些实验后认为:在电流方向上去找效应,看来是不可能的,那么磁效应的作用会不会是横向的?
1819 年上半年到1820年下半年,奥斯特一面担任电、磁学讲座的主讲,一面继续研究电、磁关系。1820年4月,在一次讲演快结束的时候,奥斯特抱着试试看的心情又作了一次实验。他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方,接通电源的瞬间,发现磁针跳动了一下。这一跳,使有心的奥斯特喜出望外,竟激动得在讲台上摔了一跤。但是因为偏转角度很小,而且不很规则,这一跳并没有引起听众注意。以后,奥斯特花了三个月,作了许多次实验,发现磁针在电流周围都会偏转。在导线的上方和导线的下方,磁针偏转方向相反。在导体和磁针之间放置非磁性物质,比如木头、玻璃、水、松香等,不会影响磁针的偏转。
1820年7月21日,奥斯特写成《论磁针的电流撞击实验》的论文,这篇仅用了4页纸的论文,是一篇极其简洁的实验报告。奥斯特在报告中讲述了他的实验装置和60多个实验的结果,从实验总结出:电流的作用仅存在于载流导线的周围;沿着螺纹方向垂直于导线;电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介质;作用的强弱决定于介质,也决定于导线到磁针的距离和电流的强弱;铜和其 他一些材料做的针不受电流作用;通电的环形导体相当于一个磁针,具有两个磁极,等等。正式向学术界宣告发现了电流磁效应。
奥斯特发现的电流磁效应,是科学史上的重大发现,它立即引起了那些懂得它的重要性和价值的人们的注意。在这一重大发现之后,一系列的新发现接连出现。两个月后安培发现了电流间的相互作用,阿拉果制成了第一个电磁铁,施魏格发明电流计等。安培曾写道:“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。”奥斯特的发现揭开了物理学史上的一个新纪元。
博学旁通:其它方面的成就
奥斯特曾经对化学亲合力等作了研究。1822年他精密地测定了水的压缩系数值,论证了水的可压缩性。1823年他还对温差电现象作出了成功的研究。他对库仑扭秤也作了一些重要的改进。
奥斯特在1825年最早提炼出铝,但纯度不高,以致这项成就在冶金史上归属于德国化学家弗里德里希·维勒。他最后一项研究是40年代末期对抗磁体的研究,试图用反极性的反感应效应来解释物质的抗磁性。同一时期迈克尔·法拉第在这方面的成就超过了奥斯特及其法国的同辈。法拉第证明不存在所谓的反磁极。并用磁导率和磁力线的概念统一解释了磁性和抗磁性。不过,奥斯特研究抗磁体的方法仍具有很深的影响。
他的重要论文在1920年整理出版,书名是《奥斯特科学论文》。
科学不会忘记:博学严谨的大师
奥斯特是一位热情洋溢重视科研和实验的教师,他说:“我不喜欢那种没有实验的枯燥的讲课,所有的科学研究都是从实验开始的”。因此受到学生欢迎。他还是卓越的讲演家和自然科学普及工作者,1824年倡议成立丹麦科学促进协会,创建了丹麦第一个物理实验室。
1908 年丹麦自然科学促进协会建立“奥斯特奖章”,以表彰做出重大贡献的物理学家。奥斯特的功绩受到了学术界的公认,为了纪念他,国际上从1934年起命名磁场强度的单位为奥斯特,简称“奥”。1937年美国物理教师协会设立“奥斯特奖章”,奖励在物理教学上做出贡献的物理教师。
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