书城科普读物站在巨人肩上-从法拉第谈磁物理学
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第9章 电场和磁场的联盟

“孩子们,谁能背诵一下2的平方根是多少?”

在数学课快下课的时候,圣·列日尔牧师试探地向他的学生们提出了问题。列日尔牧师一向认为,背诵枯燥无味的数字,等于进行头脑体操,可培养学生们的良好记忆能力。因此,他十分热衷让学生们背诵那些无限不循环小数。前一节课时,他讲解除法时无意中介绍了它,并不敢奢望有谁能将它背诵下来。

课堂里一片沉默,没有一个人举手。孩子们打心里不喜欢这位牧师,不喜欢的是那背诵毫无意义的数字。过了一会儿,第六排紧靠窗子边上坐着的一个少年,腼腆地举起了手。列日尔牧师点了点头,鼓励加赞赏地说:“很好,安德烈,你会背得很好的。”

腼腆的少年名叫安德烈·玛丽·安培,今年刚刚14岁,是全班数学成绩最优秀的学生。安培生在里昂,父亲是个小商人,一心想把他培养成一个有出息的人。安培从小就具有惊人的记忆力,尤其在数学方面有非凡的天赋,数学学得最好,13岁时就能理解有关圆锥曲线的原理。他是数学老师们心中的“王子”。

当安培朗诵完几十位的数字,周围是那样安静。整个教室里,连每个人的喘气都能听得清楚。俄顷,教室里爆发出热烈的掌声,几十双眼睛望着小安培,流露着钦佩的目光。

16岁那年,安培怀着巨大的热情计划读完狄德罗和达兰贝尔合编的20卷法文版《百科全书》。虽然,这一计划不久就夭折了,但由此唤起了安培对自然科学、人文科学以及哲学的兴趣,从此,使他踏上通往科学殿堂的征程。

后来,安培随父亲回到了里昂乡下,由于家庭生活十分艰苦,他只好中途辍学了。生活困难,安培只好为私人补习数学来维持生活。另外,他则用大部分时间去钻研植物学、化学和物理学。当他18岁时,除了拉丁语外,还通晓意大利语和希腊语。

在艰苦的自学生涯中,他省吃俭用刻苦攻读。一次,他收到补习费后全部用来购买了数学书籍,为此挨了一周饿,只好以蔬菜充饥。他钻研数学入了迷,连房东太太都说他是“让数学勾走了魂”。

梅香出自寒冬,艰苦的自学生涯,获得了丰硕的果实。终于,他发表了一篇有关概率方面的数学论文,引起了当时法国科学界的注意。环境也因此逐渐改善了。26岁那年,安培成了布尔日市中心学校的物理学教师,生活才有了基本保证。从此,他的科研成果像雪片一般,大量产生。这些科研成果成为他进入科学殿堂的标志。

1805年,他定居科学文化中心巴黎。

1806年,他在巴黎工业学校任教。

1809年,他担任巴黎工艺学院数学教授。

1814年,他当选为法国科学院院士。

1824年,他踏入闻名欧洲的法国最高学府法兰西学院任实验物理教授。

1820年是奥斯特年。奥斯特发表了用拉丁语写的《磁针电抗作用实验》的著作。他发现了磁针在电流的作用下发生偏转的现象。事实上,他发现了电与磁之间的相互作用。欧洲从16世纪的吉尔伯特时代起,就认为电和磁是风马牛不相及的两组现象。奥斯特居然发现了电流的磁作用。整个欧洲刮起了“奥斯特旋风”。

当安培参加奥斯特实验的科学演讲会以后,他的心被自然现象的奇妙所震撼了,竟使他放弃了已奠定的数学王国的基石,又转战物理学领域,从零开始。安培立即投入了电磁方面的研究。紧接着,安培宣布了他在这个领域中的一些发现。

首先,他发现磁针的北极在带电导线的影响下偏转方向,可借助于拇指定则的方法来加以确定。这就是至今仍在使用的右手安培定则原理。

对电流和磁铁相互作用的悉心试验和理论上的研究,使安培发现了电流之间的相互作用,使他能够直接进行对电流间作用力的定量研究,最终建立了揭示磁场和电流之间规律的“安培定律”。

弗朗索瓦·阿腊果是安培的一位好友。他有幸目睹了这位伟大物理学家的重大发现。

一天,弗朗索瓦去安培家造访。谁知敲了几次门,都未见回音。安培在工作,他在家。阿腊果凭着傍晚的灯光和以往的经验这样断定。

“没有关系,安培一搞完试验自己就会出来的。”阿腊果思忖着。

果不出所料,面露悦色的安培拉着阿腊果的手,进入他的工作室去。“我给你看点东西。”阿腊果从安培神色异常的脸上看出,他肯定又琢磨出什么名堂了。

安培的桌子上放着由几个伏打电堆组成的电池,旁边摆着准备做各种试验用的仪器,看出来安培刚刚完成一项重大的研究。

“看呀,这是个自由悬浮磁针,当它处在水平状态的时候,是可以转动的。你瞧,磁针在由北向南的方向上停住了。现在再按同样方向在磁针上空挂个导线,不过导线上还没有通电。”

安培接通了电流,磁针开始轻轻地摆动,接着在偏向导线的位置上停住了。

“怎么样,弗朗索瓦,看到了吗?电流作用于磁针,并将它从原来的位置上移开。奥斯特就是达到了这个地步。”安培进行另一个试验。安培拿起一个线圈。

“现在你往这看。”安培开始演示。“马上我就将这个线圈通上电。”

安培拿起一块磁石。磁石和通了电的线圈相互作用。一会儿吸引,一会儿离开,关键在于电流的方向。

阿腊果惊诧地观看着磁石如何推开线圈。

“似乎线圈同样也是磁石。”他试探地望着安培。

“很清楚,如果电流通过线圈,那么,在线圈的两端就产生了磁力线。”

随后,安培把一个铁棒插入线圈内。阿腊果把桌子上的钉子和其他金属屑都收集过来,使它们靠近线圈。当他们再通上电流,所有铁质的碎屑都被吸引到线圈铁棒两端。当切断电流时,铁钉之类的碎屑立刻掉到桌子上。当每次接通或中断电流时,都同样重复着引力产生和消失这一往复变化的奇迹。

“人造磁石!弗朗索瓦,带电的磁铁,甚至可以说——电磁铁!”安培异常兴奋。在现代社会中,电磁铁是应用极为广泛的电气元件,不论是什么机械或设备,都离不开电和磁的相互作用。人类认识电磁相互作用规律,就是从这里开始的。伽伐尼、奥斯特、安培等电磁学先驱,用他们的才智和辛劳点燃了火炬,照亮了人们继续探索的道路。

有些天然铁矿石在采出时就呈现永磁性,古人称它为“慈石”,意为慈爱的石头,隐含了它能吸铁的特性。这名词后来逐渐演化为“磁石”,俗称“吸铁石”。

刘安(公元前179-前122):西汉淮南王,汉高祖刘邦之孙,西汉时期文学家和思想家。

在中国的《管子》一书中已有磁石和磁石引铁的记载,这应当不会晚于战国后期,即公元前4世纪—前3世纪。汉初刘安(公元前179—前122年)的《淮南子·览冥篇》中有“若以慈(磁)石之能连铁也,而取其引瓦,则难矣……”的记载。东汉王充(公元27—约97年)的《论衡·乱龙篇》中有“顿牟摄芥,慈石引针……”(顿牟即琥珀;芥指芥菜籽,统喻干草、纸等的微小屑末)的记述。这些都是以磁石引铁作为比喻,来说明哲学或科学观点的记述,因此所举的事例必是当时一般的读者所熟悉的。

欧美的有关科技文献常把磁石吸铁的记载远溯到古希腊的泰勒斯时期,但这是根据亚里士多德的转述。根据这些记述可以认为,西方关于磁的最早记述始于公元前500年左右。

指南针是中国古代的四大发明之一,这在中国已是历史常识了。从磁石吸引铁的发现到指南针的发明和应用要经过一系列的观察、实验和工艺改进,这是一个相当长的历史时期。

公元1044年,北宋曾公亮、丁度等修撰的《武经总要》中有应用磁石的水浮型指南针制法的叙述;沈括的《梦溪笔谈》也记述了用丝悬起的或硬滑支点(如碗的边缘)平衡着的铁针做的实验,并说明铁针所指不是正南而微偏东;略晚于沈括的所著的《萍洲可谈》(约于公元1119年问世)则已提到广州海船在阴晦天气用指南针航海。

在欧洲,公元1190年以前没有一点关于磁石能指方向的史料,而在这一年航行于地中海的船上却确实有了指南针,很可能是由那个时期进行中国和阿拉伯间贸易的海船传去的。英国科学家吉氽伯认为它是由马可·波罗(1254—1324年)或其同时代人带回的,这样反而把这事推后了一个世纪。

法国物理学家库仑于1785年确立了静电荷间相互作用力的规律——库仑定律之后,又对磁极进行了类似的实验而证明:同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。

丹麦物理学家奥斯特在1820年发现,一条通过电流的导线会使其近处静悬着的磁针偏转,显示出电流在其周围的空间产生了磁场,这是证明电和磁现象密切结合的第一个实验结果。紧接着,法国物理学家安培等的实验和理论分析,阐明了载着电流的线圈所产生的磁场,以及电流线圈间相互作用着的磁力。

奥斯特发现电流的磁场后不久,有些物理学家就想到是否有些物质(如铁)所表现的宏观磁性也来源于电流。那时还未发现电子,但关于物质构造的原子论已有不小的发展。安培首先提出,铁之所以显现强磁性是因为组成铁块的分子内存在着永恒的电流环,这种电流没有像导体中电流所受到的那种阻力,并且电流环可因外来磁场的作用而自由地改变方向。这种电流在后来的文献中被称为“安培电流”或分子电流。

继安培之后,韦伯对物质磁性的理论又作了不少发展。虽然这些理论离现代理论尚远,但在今天对磁性物质的本质作初步描述时,仍基本上根据安培的概念。

除了古时已知道的磁铁矿和铁外,人们在两千多年中还没有发现其他具有强磁性的物质。发现钴(1733年)和镍(1754年)后不久就知道它们也像铁那样具有强磁性。至于一般的物质在较强磁场作用下能否多少表现一点磁性,则直到法拉第在老年时期才有系统的观察。英国工程师斯特金于1824年创制了电磁体,故那时实验室可有较强的磁场设备,但法拉第在需要高度稳定的磁场时仍用了大的永磁体。

法拉第测量了样品在不均匀磁场中被磁化时所受到的力,这个方法后来有了不少改进,至今仍广泛用于观测弱磁物质的磁化率,也用于观测铁等强磁物质的饱和磁化强度。

法拉第发现,一般的物质在较强磁场作用下都显示一定程度的磁性,只是除了极少数像铁那样的强磁性物质外,一般物质的磁化率的绝对值都是很小的。它们又可分为两类:一类物质的磁化率是负的,称之为抗磁性物质。这些物质在磁场中获得的磁矩方向与磁场方向相反,故在不均匀磁场中被推向磁场减弱的方向,即被磁场排斥;另一类物质的磁化率是正的,在不均匀磁场中被推向磁场增强的方向,即被磁场吸引,法拉第称它们为顺磁性物质。像铁那样强的磁性显然是特殊的,应另属一类,后来称为铁磁性。这样,在法拉第以后的近百年中,物质的磁性分三大类。

1895年,法国物理学家居里发表了他对三类物质的磁性的大量实验结果,他认为:抗磁体的磁化率不依赖于磁场强度且一般不依赖于温度;顺磁体的磁化率不依赖于磁场强度而与绝对温度成反比(这被称为居里定律);铁在某一温度(后被称为居里点)以上失去其强磁性。

19世纪30年代初,法国物理学家奈耳从理论上预言了反铁磁性,并在若干化合物的宏观磁性方面获得了实验证据。1948年他又对若干铁和其他金属的混合氧化物的磁性与铁磁性的区别作了详细的阐释,并称这类磁性为亚铁磁性。于是就有了五大类磁性。最近十多年来又有些学者提出了几种磁性的新名称,但这些都属于铁磁性的分支。

法国物理学家朗之万于1905年提出了抗磁性和顺磁性的经典理论,但十多年后范列文证明,朗之万理论中的某些假设不合于经典统计力学原理,及至原子结构的量子论模型兴起后,朗氏的假设又成为可允许的。今天对这两种磁化率的粗浅理论公式已经过量子力学的改正,但还保留着朗之万理论的基本形式。