物理群星
1820 电磁学

电流的磁效应

Ørsted's Discovery of Electromagnetism

一节课上,通电导线旁边的指南针动了一下。此后十一年,电动机与发电机相继出现。

当时的困境

1820 年之前,电和磁被认为是两回事。

它们表面上确实相像:都有两极、都有吸引与排斥、力都按平方反比衰减。但每一次实验都指向同一个结论——两者互不相干。磁铁不吸引带电的物体,摩擦过的琥珀也不影响指南针。库仑本人明确断言,电与磁是两种不同的流体,不可能相互转化。

有一个线索被反复忽略:航海记录里偶尔提到,船被闪电击中后罗盘的指向改变了。这类记载零星、无法重复,被当作轶事而非证据。

伏打 1800 年发明电堆后,人类第一次有了持续的电流——此前只有莱顿瓶的瞬间放电。这是必要的前提:稳定的电流才能产生可观测的稳定磁场。工具已经就位,只等有人往正确的方向看。

洞见时刻

1820 年 4 月的一天,哥本哈根大学。奥斯特在给学生演示伏打电堆的加热效应,桌上恰好放着一支指南针。

接通电路的瞬间,磁针动了一下。

偏转很小,据在场学生回忆当时并没引起多少注意。奥斯特注意到了,此后三个月反复重做——必须排除气流、热、以及任何别的假象。

他发现的东西比「电能影响磁」更奇怪。磁针既不指向导线,也不背离导线,而是转到与导线垂直的方向;把导线放在磁针上方与下方,偏转方向相反。

这在当时几乎无法理解。已知的所有力——引力、静电力、磁极间的力——都沿两个物体的连线作用。而这里的力是「横着的」,绕着导线打转。奥斯特在论文里只能用「电的冲突在导线周围的空间中回旋」这样的说法,因为现成的语言不够用。

这个「绕着转」的性质后来极其重要:它正是磁场作为矢量场、以及安培环路定律与旋度概念的源头。

他 1820 年 7 月 21 日把结果写成四页拉丁文小册子,自费印刷,寄给全欧洲的同行。

涟漪效应

反应之快在科学史上罕见。

9 月 4 日消息在巴黎科学院宣读。一周之内,安培提出电流之间相互作用的定律并给出数学形式,还指出磁铁的磁性本身可能就来自内部的环形电流;同月毕奥与萨伐尔测出了导线周围磁场随距离的分布;施韦格用绕成多匝的线圈把微弱电流的效应放大,做出了第一台电流计。

消息传到伦敦,皇家研究院的戴维立刻上手,1821 年与沃拉斯顿一起试图让一根通电导线绕着磁极自转——两人没有做成。同年,戴维的助手法拉第做成了:他让导线绕磁铁持续旋转,这是电动机的雏形。代价是师徒关系:「剽窃沃拉斯顿的想法」的流言随之而来,戴维站到了指控一边。1825 年斯特金用绕了线圈的铁芯做出电磁铁;1831 年法拉第找到了反向的效应:变化的磁场产生电流,发电机由此可能。

从奥斯特那节课到法拉第的发电机,只用了十一年。

1865 年麦克斯韦把这一切写成方程组。到那时,电与磁已经不再是「两种可以相互转化的东西」,而是同一个场的两个侧面——一个观察者眼中的纯电场,在另一个相对运动的观察者眼中就带有磁场分量。这一点后来成了狭义相对论的直接动因:爱因斯坦 1905 年那篇论文的第一段,讨论的正是磁铁与导线的相对运动。

如果没有它

电动机与发电机是同一个原理的正反两面,而这个原理的起点就是 1820 年那次偏转。

今天全世界的电力,除了太阳能之外,几乎全部来自发电机——火电、水电、核电、风电的最后一环都是让线圈在磁场中转动。而电动机把这个过程倒过来,驱动着从工厂机床到电动汽车、从硬盘马达到手机振动的一切。

更深一层,奥斯特的发现开启了物理学的「统一」传统:两种看似无关的现象被证明是同一件事的不同侧面。这条路此后走了两百年——电与磁统一为电磁,电磁与弱力统一为电弱,而强力与它们的统一至今仍在尝试。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.奥斯特《关于电流对磁针作用的实验》(哥本哈根,1820)——史密森学会数字化本,全文可读
  2. 2.法拉第《电学实验研究·第一辑》,《皇家学会哲学汇刊》第 122 卷(1832)——反向的效应
  3. 3.麦克斯韦《电磁场的动力学理论》,《皇家学会哲学汇刊》第 155 卷(1865)——把这一切写成方程