100多年前,在法国街头,一位教授追着一辆马车。教授手里拿着粉笔在马车车箱的背面上演算着电学计算题,马车越走越快,教授边跑边写,一直到他追不上马车了才停下来。这时他才发现,街上许多人都为他这种失常的行为笑得前仰后合了。
这位追着马车做题的人,就是法国物理学家安培,是巴黎工业大学的教授。他在街上行走时突然想出了一个电学算式,急着想把式子列出来,正巧前边停着一辆马车,就把马车的车箱当黑板了。
安培是法国里昂人,生于1775年,仅比奥斯特大两岁。还在童年时,他就显出了很好的数学才能,12岁时便拜著名数学家拉格朗日为老师,13岁时就发表了数学论文。
后来安培的父亲在法国大革命中被杀,安培只好一边学习一边工作,后来成了一位中学物理和数学教员。可是24岁时他的妻子又病死了。
他再也无法呆在里昂了,于是便迁居巴黎,当上了巴黎工业大学数学教授。
1820年7月奥斯特发表了关于电流磁效应的报告,引起了法国学术界的震动。8月底,法国物理学家阿拉果在瑞士听到奥斯特成功的消息,立刻返回法国,并在法国科学院报告了奥斯特的实验细节。
安培听了阿拉果的报告,第二天就重复了奥斯特的实验,并且发现了电流的方向和它的磁场的方向有着一定的规律,可以用右手来表示它们之间的关系,这就是安培定则,又叫右手螺旋定则:用右手握住导线,让大拇指所指的方向跟电流的方向一致,那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。
安培定律
安培又进一步想:既然电流周围产生了磁作用,假如把两根通电导线放在一起,那么这两股电流各自产生的磁场也会相互施加作用力。安培设计了这样的实验,证实了它们之间存在着相互作用,并且推算出了这种力所遵循的数学公式,于是一条完整的定律便诞生了,这就是安培定律。
安培又进一步想,假如把直导线绕成螺旋形,那么磁场就会因为更密集而得到加强。他做了这样的线圈(即螺线管),果然显示了较强的磁性;同时他又用右手判断了螺线管的磁场方向。使安培更感兴趣的是通电螺线管很像一个条形磁铁。现代技术中的电磁铁就是从这种螺线管演化而来的。
通过螺线管的磁感线
安培的可贵之处,在于他更善于思索。他又进一步想:既然通电的线圈类似一只磁铁,反过来,一个天然磁体不是也像一只通电线圈吗?那么天然磁铁上的电流在哪里?安培注意到这样一个事实,那就是把一只条形磁体折为两段,结果变成了两个独立的磁体,照此分下去,天然磁体的每一颗粉末也都是独立的磁体,都有N极和S极。
没有独立的磁极
安培便这样想:在原子、分子或分子团等物质微粒内部,存在着一种环形电流——分子电流(后人也叫它“安培电流”),分子电流使每个物质微粒都形成一个微小的磁体——磁分子。环形的分子电流的磁场,使它的两侧相当于两个磁极。这两个磁极是跟分子电流不可分割地联系在一起的。未磁化的物体分子电流的方向非常紊乱,对外不显示磁性。磁化后,分子电流的方向变得大致相同,于是对外显示出磁作用。
磁化前后的分子电流示意图
安培的假说揭示了磁现象的电本质。但是在安培提出这个假说的时候,人类还没有认识物质的电结构,并不知道物质微粒内部怎么会有电流。
直到20世纪初,人类认识了原子是由带正电的原子核和绕核旋转的电子组成的,才知道安培电流是由原子内部的电子运动形成的。难怪后人评价安培说:“安培所做的研究,属于科学曾经作过的最卓越的工作之列。”“安培是电学领域里的牛顿。”
安培的成就和他勤于思考很有关系,从这个角度来看,安培追着马车做题的精神是使人十分钦佩的。