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第14章 安培的贡献

安培奥斯特的电流磁效应的发现报告,很快被译成法文、英文和德文公开发表出来,并引起科学界的极大重视,纷纷转向这方面的讨论和研究,特别是当时的法国巴黎,成了研究中心。这个时候正在国外旅游的法国物理学家阿拉果立即从瑞士返回巴黎,向法国科学院报告了奥斯特这一伟大发现的详细情况。阿拉果的报告,引起了法国科学界强烈的反响。做出异乎寻常的反应的是在科学上极其敏感的科学家安培等人。

安培出生于法国里昂的一个商人家庭,从小就表现出惊人的记忆力和非凡的数学才能,完全靠自学获得全面的教育。1793年,他父亲被雅各宾党人处死,之后他妻子去世,这些打击使他一度陷入悲伤和苦闷。但对数学和自然科学的热爱使他又振作起来。在听到阿拉果对奥斯特发现的介绍后,他迅速重复了奥斯特的实验并加以发展。在1820年9月18日、9月25日和10月9日科学院召开的会议上报告了他的重要发现。在随后的几年里,他深入系统地研究了电磁学现象,右手螺旋定则提出安培力公式和分子电流假说。麦克斯韦把安培誉为“电学中的牛顿”。

安培在9月18日提出了磁针转动方向与电流方向的关系服从右手定则,即现在所称的安培右手定则。既然电流可以像磁石那样吸引或排斥磁针,那么两段电流是否也像两块磁石那样相互作用呢?在9月25日的报告里,安培用实验证明了两根平行载流导线,当电流方向相同时,相互吸引;当电流方向相反时,相互排斥。安培认为,磁作用本质上可归结为电流间的作用。在10月9日的报告里,安培报告了他对各种弯曲载流导线相互作用的实验研究结果。

直线电流右手定则在法国科学院10月30日的会议上,法国科学家比奥和萨伐尔报告了载流长直导线对磁针作用力的实验结果。他们发现,这一作用力正比于电流强度,反比于它们之间的距离,作用力的方向则垂直于磁针到直导线的连线。拉普拉斯假设电流的作用归结为电流元独立作用之和,比—萨定律才被表示为微分形式。

在随后的3个月里,安培集中研究了电流元之间相互作用力。为测定这种作用力,他以精巧的实验技巧和高超的数学能力设计了4个“示零实验”。在对实验结果进行分析和综合后,他于12月4日提出任意2个电流元之间作用力的公式,即安培力公式。

安培是一个分子论者。在菲涅耳的批评和启示下,1821年1月,他提出了分子电流假说。他认为,物体内部每个分子中的以太和两种电流质的分解,会产生环绕分子的圆电流,形成小磁体;当有外部磁力作用时,它们呈规则排列,使物体呈现磁性。

类比于静力学和动力学的区别,安培首次把研究动电现象的理论称为“电动力学”。

分子电流

其实安培本应该建立“首先发现电磁感应”的不朽功勋的。1832年法拉第宣布他发现了电磁感应之后,安培声称,实际上他在1822年就已经发现了一个电流能够感应出另一个电流。

那为什么安培未能发现电磁感应?

正如安培所言,早在1822年,他与德莱里弗在日内瓦做的实验便证明了感应能够产生电流。他们用铜环和马蹄形磁铁做实验。在实验中,他们两人都已清楚地观察到由于感应引起的吸引和排斥,使铜环发生偏转。

当时,法拉第及其他研究者们正热切期望和努力探索着电磁感应效应,安培本应该对他的发现大加宣传,但是安培却没有这样做。那么,安培为什么没有利用这一发现以获得他显然渴望得到的不朽声誉呢?在这一点上,各家众说纷纭。罗斯把原因归结为德莱里弗的年轻和缺乏经验,以至于在描述这个实验时没有强调感应电流;而安培则是由于疏忽,没有将他的发现探究到底。布伦德尔则简单地认为安培没有考虑1822年的实验结果,因为他坚持的是分子电流的学说。霍夫曼则解释为:安培发现感应现象,被他同时作出的关于同一导线上的电流元之间相互排斥的“发现”所掩盖,使得安培忽视了感应现象。

其实,布伦德尔的陈述基本上是正确的,但令人难以理解,因为他没有指出隐藏在安培行动背后的原因。

1821年9月,法拉第发现通电导线能绕磁铁旋转。不久,他又创制了著名的电磁旋转器,并发表了批评安培理论的论文。对于新的发现和法拉第的批评,安培不能无动于衷,因为两者似乎都触动了他的新学说的基础。此时,分子电流说对安培已变得极为重要,因此他决不能放弃它。这就导致了他对自己的电磁感应的发现极度轻视。实际上,当德莱里弗宣读安培对该实验的叙述时,安培就在日内瓦,当时他是完全能够作出修正,然而他没有这样做。而对德莱里弗发表在《化学年鉴》上的文章他曾作过一些更改,但却没有修改对感应的叙述。这些事实为我们考察安培当时如何理解和对待感应实验提供了重要的线索。

在当时,安培为了保护他的分子电流理论,很想把同轴电流说否定掉。所以他把实验中由感应所产生的同轴电流也试图解释为分子电流。

安培未能发现电磁感应的原因是安培把他的分子电流理论看得太重要了,而电磁感应只是他最后才希望发现的事情。如果他承认他已经在实验中产生的同轴电流,那就会把他珍贵的理论置于无立足之地。因此,他做了他不得不做的事。他把他原来用以在同轴电流和分子电流之间作出选择的(1821年完成的)实验变成了一项毫无意义的练习。他1822年的实验结论表明:无论他观察到什么,他都会坚持把它解释成分子电流,或者至少是分子大小的电流存在的证据。他完完全全成了自己理论的囚徒。

试想,如果安培把他的理论暂时放一下,而将他1822年在日内瓦做的实验全部准确地公布出来,那么,法拉第肯定会重复这个实验,而且凭着他的实验天资,会马上从中探索出用电流产生感应电流的必要条件,原电流和感应电流的方向,以及其他所有的与他在1831年独立作出的电磁感应发现中得出的结果相似的结论。这样,电磁感应有可能会提早几年得到发现,而安培也就会得到“最早发现者”的荣誉,用不着在1832年恳求分享这一荣誉了。这里人们也许可以吸取重要的教训。知识点钝化钝化,是使金属表面转化为不易被氧化的状态,而延缓金属的腐蚀速度的方法。另外,一种活性金属或合金,其中化学活性大大降低,而成为贵金属状态的现象,也叫钝化。金属的钝化也可能是自发的过程(如在金属的表面生成一层难溶解的化合物,即氧化物膜)。在工业上是用钝化剂(主要是氧化剂)对金属进行钝化处理,形成一层保护膜。

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