第五节 现代电磁学的奠基人——奥斯特、安培和欧姆

它（指奥斯特电流磁效应的发现）猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今则充满了光明。——法拉第

（安培平行电流作用力）实验的成功，确实使他（安培）成了电气方面的牛顿。——麦克斯韦

伏打电池的问世，给人们提供了一种产生稳定电流的装置，为人类进行动电研究创造了条件，许多科学家都转而进行电学研究工作，电学研究领域热闹起来。相比之下，磁学研究却冷冷清清。由于受吉尔伯特“电和磁是截然不同的自然现象”这一错误理论的束缚，人们尚未注意考察、研究电和磁的亲缘关系。

历史上首先对电、磁关系进行思考的是一些德国哲学家，如康德（I．Kant，1724—1804）、谢林（F．Schelling，1775—1854）和黑格尔（G．W．Hegel，1770—1831）等。康德在《自然科学的形而上学》一书中就写道：“人们只能体验到两种力——引力和斥力，热、电、磁等都是这两种基本力在不同物理条件下的变形。”

实际上，当时人们在生活及电学实验中也曾观察到电和磁有一定关系的现象。例如，1751年，美国富兰克林在进行莱顿瓶实验时，就曾发现莱顿瓶充电时可以使附近的焊条、钢针等磁化或退磁。

从18世纪末开始，科家们开始探索电与磁之间的关系，如里特（M．Ritter）、哈切特（Hatchett）、德索美斯（Desormes）等。1802年，意大利法学家罗曼诺西宣称他发现电流通过使磁针发生偏摆的现象，但是他的宣言被人忽视。

世人所公认首先用实验证明电流磁效应的是丹麦科学家奥斯特。

奥斯特（图2-23）是著名的丹麦科学家，毕业于哥本哈根大学，攻读医学及自然科学，学识渊博，在物理、化学、天文等方面都有很高建树。他喜爱文学、哲学，是著名童话作家安徒生的好友。1801年他担任大学助教后，开始进行电、磁的实验研究，1817年成为哥本哈根大学教授。

当奥斯特了解到富兰克林1751的发现（莱顿瓶充电使钢针磁化或退磁）后就断言：“电转化为磁是不成问题的，关键是寻找转化的条件。”1807年，他采用图2-24所示装置，无意中发现当电流流过时，磁针有偏转倾向。1820年4月的一个晚上，奥斯特演示伏打电池功能时（图2-25及图2-26），将电池的两个极用导线连在一起，使导线靠近磁针，当导线水平布置并与磁针垂直时，没有发现其他现象。后来，他换用较大的电池，并使磁针与导线并行，即发现磁针明显偏摆。奥斯特意识到这可能是一个重大的发现，于是闭门谢客，潜心实验研究，实验60多次，终于获得成功。1820年7月21日，他自印发表了“关于电冲击对磁针作用的实验”的文章，文章中写道：“当导线距磁针约3/4in时，磁针约偏转45°。距离增加则磁针偏转角度减小，偏转的大小还与电池的强弱有关。……这种效应可以透过玻璃、金属、木材、树脂、石头等。……导线在磁针上方或磁针下方，其偏转方向是相反的。”

奥斯特的发现是电流产生磁效应的第一个明确的证据，它打开了电磁学的大门，是电学史上的重大发现。

奥斯特的发现立即轰动了整个欧洲，许多科学家转而进行电磁学的研究，取得了许多成果。例如，1820年，德国科学家施魏格尔（J．S．C．Schweigger，1779—1857）和波根多夫（J．C．Poggendorf，1796—1877）在多匝线圈中放置磁针，制成了最早的电流检测装置（倍增器）；1820年，法国科学家毕奥（J．B．Biot，1774—1862）和萨伐尔（F．Savart，1791—1841）得出了直线电流元的磁力定律——毕奥—萨伐尔定律；1822年，盖-吕萨克（J．L．Gay-Lussac，1778—1850）发现导线通过电流后使钢铁磁化，成为一个磁石。他还研究了导线周围的作用力的特点，发现一根导线的磁力线会受其他导线的影响。德国科学家塞贝克（T．J．Seebeck，1770—1831）发现通电导线可以吸引铁粉。

特别值得一提的是，当时法国科学院院士阿拉果（详见第三章第五节“一、阿拉果圆盘”）也在进行电、磁联系的实验研究。阿拉果得知奥斯特的发现后立即进行研究，他发现电流流过铜线后会吸引细小的铁屑，这表明铜线变成了磁铁。同年9月10日，阿拉果在法国科学院重复了奥斯特的实验，引起了到场的著名科学家安培的兴趣，引发了安培定律的发现。

安培（图2-27）生于法国里昂，他是一个神童，12岁就通晓微分，大学时攻读数学。1801年任布尔中央学校教授，1809年任巴黎工业大学数学教授。1820年9月10日，他见到阿拉果的演示后，立即放下手中工作，重复奥斯特的实验。他发现了磁针转动方向与电流方向之间的关系，“设想你在导体中沿电流方向游泳，当你的脸转向磁针时，则磁针的北极总是向你左手方向偏转”。9月18日，他发表了这一发现，后经麦克斯韦（J．C．Maxwell，1831—1879）总结为右手螺旋定则（图2-28）。

安培认为，既然磁针与磁针间有作用力，电流又可以产生磁效应，那么电流与电流间是否也会互相作用呢？他设计了如图2-29所示的实验装置，图中，“1”是可以自由摆动的U形导线，“2”是与U形导线底边平行的导线。实验发现，当“1”和“2”中有电流通过时，“1”会受力产生摆动。10月9日，他将这个实验及结果发表在他的第三篇论文中，文中提出了“同向电流相吸，反向电流相斥”的法则。

1820年10月30日，安培发现螺线管通电后与天然磁铁的作用一样，阿拉果根据这一发现，制成世界上第一块电磁铁。

为了解释磁铁的磁性来源问题，许多科学家提出过多种理论。例如，1759年，埃皮努斯（F．Aepinus，1724—1802）提出了磁体的单流体理论；1780年，库仑提出了磁体的双流体理论；韦伯（W．E．Weber，1804—1891）、麦克斯韦、伊文（J．A．Ewing，1855—1936）等也提出过不同学说。1821年1月，安培则提出了分子电流学说，认为一切铁磁物质都由许多微粒组成，每个微粒中都有一个小的环形电流——分子电流，分子电流使每个微粒都成为一个微小的磁体。安培的分子电流学说与现代物理学关于物质磁性的理解是相当吻合的。他还认为所有电磁作用都是电流与电流间的作用，并称这种作用力为电动力。

另外，安培还提出了著名的磁通连续性原理。1821—1825年间，安培推导了电动力的公式，1825年他提出了作为现代电磁学基本公式之一的安培环路定律（即沿着一个闭合环路，磁场强度与线段长度乘积之和，正比于环路所包围的电流），奠定了电动力学的基础。1827年，安培的名著《电动力学现象的数学理论》正式出版，该书是电磁学史上的一部重要论著。

安培还首先区分了“静电学”和“动电学”，采用了“电动力学”这一新名词，提出了“电压”“电流”的概念，他将测量电荷性质的仪器用于电流测量，并命名为电流计。

安培是电动力学的创始人，他的研究对电磁理论的发展作出了巨大贡献，所以著名科学家麦克斯韦称安培的工作“是科学上最光辉的成就之一”，称他为“电学方面的牛顿”。

1826年4月，时为德国中学教员的欧姆（图2-30），在德国《化学和物理杂志》上，发表了他的实验论文“金属导电定律的测定”。1927年他又出版Die galvanische Kette， mathematische bearbeitet（《动电电路的数学研究》）一书。欧姆在他的论文和书中引入了“电阻”的概念，提出了著名的欧姆定律：“当导体的电流是由电动势产生时，则电动势与电流之比称为导体的电阻，它与电流的强度无关。”也就是说，在温度一定的条件下，导线中的电流等于电路中的电动势与总电阻之比，应用到一段导线上则为：导线中的电流等于这一段导线上的电压与该段导线电阻之比。欧姆定律以非常简明的形式表述了电学上3个基本参数（电压U、电流I、电阻R）的关系I＝U/R，对电学的发展起了推动作用（实际上，卡文迪什在半个世纪以前就发现了这一关系，但他未公布）。1841年，英国皇家学会授予欧姆Copley奖，1842年他成为皇家学会外籍院士。

19世纪30年代是电磁学发展的重要阶段和繁荣时期。短短几年中，科学家们发现了电与磁之间的关系，打开了电磁学的大门，确立了许多电磁学的基本定律，终于迎来了电磁感应定律的发现。