奥斯特与磁效应

第五节　奥斯特与磁效应

一、奥斯特的科学人生

据说，世界上最早注意到磁现象的人是古希腊的自然哲学家、史称“科学元祖”的泰勒斯。在古希腊，人们把磁铁矿石称作“马格尼斯”。当时，古希腊人都是万物有灵论者，他们对磁铁矿石能吸引铁粉的现象感到迷惑不解。泰勒斯曾留下了这样一句断言：“万物充满了神的意志，马格尼斯吸引铁是因为它有灵魂的缘故。”

在泰勒斯以后的漫长岁月中，人们发现了更多的磁现象。1600年，英国物理学家和医师，曾任英国女王伊丽莎白一世御医的吉尔伯特，首先用磁石进行实验，发现磁石相互吸引和排斥，以及磁针倾斜等现象，认为地球是一个巨大磁体。他写了一本题为《磁石》的畅销书，书中对地磁现象做了独特的说明。但是，在论及磁现象的本质时，吉尔伯特和泰勒斯一样，也认为是物质中潜藏的灵魂的作用。

直到1820年，丹麦著名物理学家和化学家奥斯特通过实验发现了电流的磁效应，终于揭开了磁现象的本质，从而破除了泰勒斯的灵魂论神话。

1777年8月14日，奥斯特生于丹麦兰格朗的鲁克宾。他的父亲是个药剂师，在家庭的熏陶下，奥斯特从小就对物理、化学产生了浓厚的兴趣。奥斯特自幼聪明好学，在小学、中学读书时，始终名列前茅。1794年，年仅17岁的奥斯特考取了哥本哈根大学免费生，攻读医学和自然科学。1799年，他以优异的成绩毕业并获得博士学位。这一年，奥斯特受聘担任哥本哈根医学院的化学助教。

奥斯特

奥斯特的兴趣广泛，学问渊博，不仅酷爱物理和化学，而且对天文、哲学、文学等也颇有研究。他是康德哲学的信奉者，并和当时世界著名童话作家安徒生交往甚密。为了进一步扩大自己的知识领域，奥斯特于1801年至1804年，先后去德国、法国等地继续学习深造，在那里结交了许多著名科学家。1804年，奥斯特带着从国外学到的丰富而坚实的基础知识，回到了祖国。

1806年，奥斯特接受母校的聘请，担任哥本哈根大学物理、化学教授。他开始积极从事电流和声学的研究。经过坚持不懈的努力，奥斯特终于发现了电流的磁效应，为电磁场理论的建立作出了重大的贡献。

二、电流的磁效应

奥斯特深受康德、谢林等人关于各种自然力相互转化的哲学思想的影响，在自然科学研究中，始终坚持自然界各种现象相互联系的观点。早在1803年，他就指出：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他现象的零散罗列，而是将整个宇宙容纳在一个体系之中。奥斯特正是从自然现象相互联系的观点出发，去研究和探索电与磁之间的关系的。

长期以来，磁现象和电现象一直是被分别进行研究的，当吉尔伯特对电和磁的现象进行分析对比后断言，电和磁是两种截然不同的现象后，很多科学家都认为电和磁之间不可能有什么关系。法国物理学家库仑曾表明“电与磁是完全不同的实体”；另一位法国物理学家、安培定律的创立者安培也说过：“电和磁是相互独立的两种不同的流体”；英国物理学家、光的波动说的奠基人托马斯·杨在他的《自然哲学讲义》中说：“没有任何理由去设想电与磁之间存在任何直接的联系。”

然而，也有一些人猜测电和磁之间可能存在着某种联系。一位名叫威克菲尔德的小商人，就曾描述过雷电使他箱子中的刀、叉、钢针磁化的现象；1751年，富兰克林发现莱顿瓶放电可以使焊条、钢针磁化或退磁。1774年，德国巴伐利亚电学研究院为了激励科学家们深入研究电和磁之间的关系问题，提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呢？”。不少人去努力探索，但都没有取得什么成果。

但是，奥斯特却一直坚信电、磁、光、热等现象存在着内在的联系。特别是当富兰克林发现莱顿瓶放电能使钢针磁化以后，奥斯特更坚定了自己的观点，他认为：电可以转化为磁是不成问题的，关键问题在于要寻找转化的条件。1811年，奥斯特在《对新发现的化学自然定律的看法》一文中，提出用电流实验来弄清楚潜在状态下的电是否对磁具有什么作用。第二年，在这本书的修订本《对化学力和电力的同一性》一文中，奥斯特进一步论述了电流与磁的关系，并进行了实验，但仍未能发现电对磁的作用。

困难和挫折并未使奥斯特畏缩，他毫不气馁，继续不断思考，反复进行实验，探究电和磁的关系。化学家J.G.佛克哈默曾担任过奥斯特的抄写员，他非常钦佩奥斯特坚韧不拔的精神。在奥斯特逝世一周年纪念会上，他深情地怀念道：“奥斯特一直在探索这两种巨大自然力之间的关系。他过去的著作都证明了这一点，我在1818年到1819年每天跟随在他左右，可以用自己的经历说明，发现至今仍然很神秘的（电和磁）联系的想法一直萦绕在他的心中。”

1819年冬至1820年春，奥斯特在哥本哈根开办了一个讲座，专门讲授电、电流及磁方面的知识，讲座吸引了许多物理知识的爱好者。

1820年4月的一天，在哥本哈根的一个讲演厅里，座无虚席。大家聚精会神地倾听着奥斯特的演讲。奥斯特深入浅出地讲解着电学知识，为了让听众较容易地理解那些深奥的电学原理，奥斯特边讲边做演示实验。

在讲课过程中，奥斯特突然想到一个问题：过去许多科学家在电流方向上寻找电流对磁体的效应都没有获得成功，很可能电流对磁体的作用不是“纵”向的，而是“横”向的。于是，奥斯特把导线和磁针平行放置进行实验。当时，他用的电源是伏打电池，导线是一根细铂丝。当他把与伏打电池两端连接的导线平放，并与一枚支在支架上的小磁针平行时，他惊奇地发现：靠近铂丝的小磁针突然摆动起来，小磁针向垂直于导线的方向偏转了。小磁针发生偏转的现象，并没有引起任何一位听众的注意，然而，这一不显眼的现象却使奥斯特兴奋异常，他终于看到了多年盼望出现的现象，这是电磁之间关系的一个确定的实验证据。

其实，这一现象早在1802年就曾被意大利法学家罗曼诺西发现，但未引起人们的注意。演讲一结束，奥斯特立即回到自己的实验室，开始对这种现象进行深入细致的研究。从1820年4月起，一直到7月，奥斯特整整耗费了3个月的时间，做了60多个实验。奥斯特分别将磁针放在导线的上方和下方，考察电流对磁针作用的方向。他先将导线的一端和伏打电池连接，然后把导线沿南北方向平行地放在小磁针的上方，当导线的另一端接通伏打电池的负极时，小磁针立即指向东西方向；如果将导线放在磁针的下方，小磁针就向相反的方向偏转。奥斯特还把磁针放在距导线远近不同之处，检验电流对磁针作用的强弱；他把玻璃板、木板或石块等非磁性物体放在导线和磁针之间，考察电流对磁针的影响，甚至把小磁针浸在盛水的铜盆中，小磁针都照样偏转。如果导线沿东西方向放置，无论将导线放在磁针的上方，还是下方，磁针始终保持静止，丝毫没有偏转现象。

在反复实验的基础上，1820年7月21日，奥斯特正式宣布他发现了电流的磁效应，并在《关于磁针上电流碰撞的实验》一文中，详细论证和解释了他的发现。这篇论文发表在法国《化学与物理学年鉴》杂志上。这份杂志在当时很有影响，在刊登奥斯特的论文时，特别作了如下的说明：“《年鉴》的读者都知道，本刊从不轻意地支持宣称有惊人发现的报告……但是，至于说到奥斯特先生的文章，则其所得的结果无论显得多么奇特，都有极详细的记录为证，以至无任何怀疑其谬误的余地。”可见奥斯特的实验是多么具有说服力。

当时，奥斯特把电流对磁体的作用称为“电流碰撞”，或“电流冲击”，从实验中总结出了这种作用的基本特点。他认为：这种“电流冲击”只能作用在磁性粒子上，对非磁性物体是可以穿过的，磁性物质或磁性粒子受到“电流冲击”时，就发生了偏转现象。奥斯特成功地解释了通电铂丝附近磁针发生偏转的现象，证明了电可以转化为磁。

奥斯特的重大发现，揭示了电与磁之间的联系，为以后法拉第发现电磁感应定律，麦克斯韦建立统一的电磁场理论奠定了基础。法拉第后来在评价奥斯特的发现时说：它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。

奥斯特在成就面前并未止步。1824年，奥斯特创办了丹麦科学知识振兴协会，该协会以积极向大众普及科学知识为宗旨。奥斯特经常亲自举行讲座，深入浅出地讲授自然科学知识，特别是物理学知识。这个协会自1908年起，对丹麦物理科学家的出色贡献授予奥斯特奖章。1829年，奥斯特创建了丹麦工程学院，亲自担任院长。

奥斯特在科学研究中的贡献是多方面的。1820年，他发现了胡椒中刺激性成分之一的胡椒碱。1822年，他第一次相当精确地测得了水的压缩系数。1825年，他首次分离出金属铝。现在，铝在航空、电力等工业，以及日常生活中的广泛作用已众所周知。

由于奥斯特在物理和化学的多个领域都作出了杰出的贡献，特别是电流磁效应的发现，使他名声大振。1821年，奥斯特被选为伦敦皇家学会会员，1823年又当选为法国科学院院士。同时，他还是其他一些科学院和学会的会员。

1851年3月9日，奥斯特病逝于哥本哈根，终年74岁。奥斯特是一位谦虚谨慎、坚韧不拔追求真理的探索者，他曾经说，他唯一的追求就是从研究中得到满足。

为了纪念这位博学多才的科学家，特别是赞扬他为电磁学发展史所作出的杰出贡献，从1934年起，奥斯特的名字被命名为磁场强度的单位，以永远纪念这位著名的物理学家。有些组织和地区，还以奥斯特的名字命名和颁发奖金、奖章。