100多年前,在法國街頭,一位教授追著一輛馬車。教授手裏拿著粉筆在馬車車箱的背麵上演算著電學計算題,馬車越走越快,教授邊跑邊寫,一直到他追不上馬車了才停下來。這時他才發現,街上許多人都為他這種失常的行為笑得前仰後合了。
這位追著馬車做題的人,就是法國物理學家安培,是巴黎工業大學的教授。他在街上行走時突然想出了一個電學算式,急著想把式子列出來,正巧前邊停著一輛馬車,就把馬車的車箱當黑板了。
安培是法國裏昂人,生於1775年,僅比奧斯特大兩歲。還在童年時,他就顯出了很好的數學才能,12歲時便拜著名數學家拉格朗日為老師,13歲時就發表了數學論文。
後來安培的父親在法國大革命中被殺,安培隻好一邊學習一邊工作,後來成了一位中學物理和數學教員。可是24歲時他的妻子又病死了。
他再也無法呆在裏昂了,於是便遷居巴黎,當上了巴黎工業大學數學教授。
1820年7月奧斯特發表了關於電流磁效應的報告,引起了法國學術界的震動。8月底,法國物理學家阿拉果在瑞士聽到奧斯特成功的消息,立刻返回法國,並在法國科學院報告了奧斯特的實驗細節。
安培聽了阿拉果的報告,第二天就重複了奧斯特的實驗,並且發現了電流的方向和它的磁場的方向有著一定的規律,可以用右手來表示它們之間的關係,這就是安培定則,又叫右手螺旋定則:用右手握住導線,讓大拇指所指的方向跟電流的方向一致,那麼彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環繞方向。
安培定律
安培又進一步想:既然電流周圍產生了磁作用,假如把兩根通電導線放在一起,那麼這兩股電流各自產生的磁場也會相互施加作用力。安培設計了這樣的實驗,證實了它們之間存在著相互作用,並且推算出了這種力所遵循的數學公式,於是一條完整的定律便誕生了,這就是安培定律。
安培又進一步想,假如把直導線繞成螺旋形,那麼磁場就會因為更密集而得到加強。他做了這樣的線圈(即螺線管),果然顯示了較強的磁性;同時他又用右手判斷了螺線管的磁場方向。使安培更感興趣的是通電螺線管很像一個條形磁鐵。現代技術中的電磁鐵就是從這種螺線管演化而來的。
通過螺線管的磁感線
安培的可貴之處,在於他更善於思索。他又進一步想:既然通電的線圈類似一隻磁鐵,反過來,一個天然磁體不是也像一隻通電線圈嗎?那麼天然磁鐵上的電流在哪裏?安培注意到這樣一個事實,那就是把一隻條形磁體折為兩段,結果變成了兩個獨立的磁體,照此分下去,天然磁體的每一顆粉末也都是獨立的磁體,都有N極和S極。
沒有獨立的磁極
安培便這樣想:在原子、分子或分子團等物質微粒內部,存在著一種環形電流——分子電流(後人也叫它“安培電流”),分子電流使每個物質微粒都形成一個微小的磁體——磁分子。環形的分子電流的磁場,使它的兩側相當於兩個磁極。這兩個磁極是跟分子電流不可分割地聯係在一起的。未磁化的物體分子電流的方向非常紊亂,對外不顯示磁性。磁化後,分子電流的方向變得大致相同,於是對外顯示出磁作用。
磁化前後的分子電流示意圖
安培的假說揭示了磁現象的電本質。但是在安培提出這個假說的時候,人類還沒有認識物質的電結構,並不知道物質微粒內部怎麼會有電流。
直到20世紀初,人類認識了原子是由帶正電的原子核和繞核旋轉的電子組成的,才知道安培電流是由原子內部的電子運動形成的。難怪後人評價安培說:“安培所做的研究,屬於科學曾經作過的最卓越的工作之列。”“安培是電學領域裏的牛頓。”
安培的成就和他勤於思考很有關係,從這個角度來看,安培追著馬車做題的精神是使人十分欽佩的。