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第21章 开始电磁研究

法拉第又投入了紧张的科学研究。当时,他正埋头进行电和磁的探索,这是世界科学界都在关注的热点课题。

谈到法拉第对电磁学的研究,还需对电磁学的发展史作一简单的回顾,必须提及丹麦科学家奥斯特的发现。

在法拉第结婚的前一年,即1820年,奥斯特发现了电流的磁效应,第一次揭示出电和磁的密切联系。这件事改写了电学史,也改变了法拉第的研究方向。

电和磁犹如一对孪生兄弟,有许多相似之处。古希腊哲学家泰勒斯曾把电和磁错误地看做同一回事,认为摩擦琥珀吸引草屑和磁石吸引铁片,都是因为“有灵魂”。

1600年,一位名叫吉尔伯特的英国御医纠正了泰勒斯的错误,明确指出电和磁是两种不同的现象。

但是自从那时以后,许多人又把电和磁当成互不相关的东西。在人们的心目中,磁是磁,电是电,两者没有任何关系。

到了18世纪中叶,德国大哲学家康德对世界提出了一种全新的见解。他在1786年出版的《形而上学》一书里写道:自然界的作用力,如电、磁、热、光和化学亲和力等,都是引力和斥力在不同条件下的转化。

而在这一年之前,法国学者库仑经过实验断言,电和磁两者之间没有关系,也不能相互转化。

康德阐述的是一种思想,库仑提出的是一个实验的结论。因而当时绝大多数科学家觉得后者更可信,认为库仑的观点是正确的。电和磁究竟是否有联系呢?

科学家说:“两者不会有关系。”

哲学家说:“两者会有关系。”

大自然却提供了一些神秘的问号。

早在17世纪,人们就发现了一些奇怪的现象。1681年7月,一艘航行在大西洋的商船被雷电击中,结果船上的三个罗盘全部失灵:其中两个消磁了,另一个指针的南北指向颠倒。

还有一次,意大利的一家五金商店遭到闪电冲击,事后发现被击毁的盒子里,有的刀叉被烧熔,有的被磁化了。

这些现象说明,闪电既能使钢失去磁性,又能让钢带上磁性。据说,富兰克林在一次做莱顿瓶放电实验时,也曾意外地发现,钢针被磁化了。

如何对这些现象作解释呢?

1820年,一位具有哲学头脑的化学家解决了这个难题,第一个发现了电磁之间的微妙关系。这位开路先锋的名字叫奥斯特。

奥斯特1777年8月生于丹麦的路克宾,父亲是一个制药匠,家境贫寒。奥斯特12岁即帮父亲制药,因此他对化学着了迷,17岁考入哥本哈根大学,攻读理化和药物学,同时对哲学产生极大的兴趣,22岁获哲学博士学位。

大学毕业后,奥斯特曾去柏林旅行,结识了不少科学家。1804年,他回到丹麦,在哥本哈根大学任自然哲学教授。

奥斯特信仰康德的自然哲学观,相信自然界的各种力是统一的,光、电、磁、化学亲和力等在一定条件下可以互相转化。其博士论文题目便是《康德哲学思想与自然科学》。

在这种哲学思想的指导下,他一直试图寻找电力与磁力之间的联系。这是一次大胆而又目的明确的探索,但是道路是曲折的,他做了许多实验,都未能如愿以偿。起初,奥斯特用莱顿瓶实验,没有发现它有磁效应,后又改用伏打电堆产生的电流做实验,也失败了。但他却没就此止步,而是勇敢地探索下去。

1819年冬季至1820年春天,奥斯特从事了电学与磁学的讲课。这几个月对他来说是十分重要的。

奥斯特重新思考多年来一直萦绕在心的那个问题:如何使电流向磁转化。他想如果电流能产生磁效应,也许这个磁效应的作用是横向的,而不可能沿着电流的方向。因为不少人沿着这个方向去探索,结果都没有得出理想的答案。

这是一个大胆而聪敏的设想。

1820年4月的一天,奥斯特在课堂上抱着试一试的想法,做了一次即兴实验。

奥斯特把一根很细的铂丝连在伏打电槽上,细铂丝下搁着一个用玻璃罩着的磁针,以往的实验,磁针与导线是垂直的,这次他特意让磁针与细铂丝平行。在许多学生的面前,奥斯特接通电源,这时他猛然发现,磁针果然摆动了一下!

由于他实验的电流很小,磁针的摆动并不十分的明显,在场的学生并没有注意到这一现象,然而奥斯特却大喜过望。

据说奥斯特当时高兴得竟然在讲台上摔了一跤。只有奥斯特知道,这是人类第一次有意识地发现了电和磁的关系!

又经过三个月的深入研究,奥斯特终于搞清楚了在通电导线的周围,的确存在一个环形磁场,这正是他一直在寻找的电流的磁效应。

1820年7月21日,奥斯特在一家刊物上公布了自己的实验结果,论文题目是《关于磁针上的电流冲击的实验》。

这是一篇划时代的论文,薄薄四页,没有任何数学公式,也没有示意图,但它以简洁和精练的文字向全世界宣告:人类第一次找到了电和磁的转换关系。

电和磁,这两条古老的河流在奥斯特这里汇合了!

奥斯特的发现轰动了全欧洲的物理学界。人们本来以为毫无关联的两种现象,竟有如此奇妙的关系。

这个发现成了近代电磁学的突破口,各国科学家纷纷转向电磁研究。法拉第后来对奥斯特的发现作了如此精辟的评价:“它猛然打开了一个科学领域的大门,那里过去是一片漆黑的,如今充满了光明。”

全世界科学家的视线都集中到这里来了。他们奋蹄扬鞭,跃跃欲试,法国的一批科学精英冲在最前面。

奥斯特的发现是7月21日公布的,9月11日,一位从瑞士旅行回国的法国科学院院士阿拉哥把这一信息带回了巴黎。

阿拉哥在法国科学院的例会上,兴奋地介绍了奥斯特的最新发现,在座的院士们大为惊奇。

法国科学院的院士们一直为库仑的传统观点所束缚,确信电和磁没有什么联系。殊不知库仑的结论是在静电、静磁的条件下得出的,只具有局部真理的性质。一旦电荷流动起来,奇迹就发生了!

安培也曾经十分赞成库仑的观点。但他思想活跃,头脑敏锐,十分善于接受他人的研究成果。

在例会上听到奥斯特的发现后,安培立即改变了自己往昔的固执看法,第一个意识到这一惊人的发现,为科学家们提出了激动人心的新课题。

安培想,既然磁体和磁体之间有作用力,磁体和电流之间也有作用力,那么电流和电流之间是否也会相互作用呢?

这是一个极富想象力的推测,安培决定立即进行实验。

正当大多数的科学家们还沉浸在对奥斯特发现的惊叹之中,安培已在实验室中紧张地做起实验来。

仅仅在奥斯特的发现传到法国的两星期之后,也即9月25日,安培向法国科学院报告了自己的新发现:当两根平行导线通上同向电流时,相互吸引,电流方向相反时,相互排斥。

安培的发现是继奥斯特之后有关电磁现象的第二个重大发现,这充分证明了电流确实具有磁性,电现象和磁现象之间存在着不可分割的联系!

继安培之后,法国其他一线科学家们也纷纷上阵,向这一新领域发起了冲锋。即在安培公布平行电流的同一天,阿拉哥宣读了题为《关于钢和铁在电流作用下被磁化的实验》的论文。

10月,比奥和萨伐尔用数学公式概括了奥斯特效应中电流和由它引起的磁场之间的定量关系,此公式被命名为比奥—萨伐尔定律。

戴维敏锐地意识到奥斯特的新发现包含着不可估量的价值。这位一向站在科学前沿的闯将兴奋得再也坐不住了,他把法拉第找来,一起研究。29岁的法拉第同样被这个重大发现所吸引。师生两人怀着极大的兴趣重复了奥斯特的实验。果然,南北指向的磁针在通电导线下面会转成东西方向。

电和磁存在微妙的关系已是不容置疑的了,法拉第久久地思索着:这是什么原因呢?

许多科学家也都在思索着同一个问题,因电流和磁之间的作用力,跟当时已经知道的任何一种力,如万有引力、静电力、磁力都不同,这些力皆表现为推或拉,而新发现的力却是一种转动的作用。

这其中的奥秘是什么?其背后是否有更深层的内容呢?无论是奥斯特本人、安培、戴维,还是别的电学家,一时都无法解开这个谜。

法拉第完全懂得这一发现具有不可估量的意义,他决心沿着奥斯特打开的缺口,作进一步的探索。

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