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2017-3-31 20:32
安培:揭秘磁场的起源

摘要 : 随着科技的发展,磁技术在医疗、军事、交通和科研等方面的应用越来越广泛。虽然磁技术的应用很广泛,但是大多数人都不知道磁的起源,也不知道是物理学家安德烈·玛丽·安培迈出了第一步,来揭示了磁场的起源。 指 ...

习斋2017-3-31 20:321650
原作者: 幽默丁格/来自: 蝌蚪五线谱
随着科技的发展,磁技术在医疗、军事、交通和科研等方面的应用越来越广泛。虽然磁技术的应用很广泛,但是大多数人都不知道磁的起源,也不知道是物理学家安德烈·玛丽·安培迈出了第一步,来揭示了磁场的起源。

指南针

指南针(图片来自网络)

  
说起磁,我们映象最深刻的应该是小时候玩耍的指南针或者小磁铁了。孩童时期的我们也许曾好奇于一块磁铁在没有和另一块磁铁接触的情况下,还能推动或者吸引着另一块磁铁。现在我们知道了,两块磁铁之间的推动或者吸引作用是靠着相互之间的磁场来起作用的,只是我们
“看不见”磁场而已。

条形磁铁的磁力线分布

条形磁铁的磁力线分布

  
1820年
4
月,物理学家奥斯特[注一]发现,在直导线周围放置一个小磁针时,当向导线突然通电流时,小磁针会有所偏转,据此人们知道了:电能生磁。

  
1820年
9
月的一天,天资聪颖的物理学家安培,手里揣着几页关于奥斯特“电生磁”的论文稿件,翘着二郎腿,一边读着奥斯特的论文一边惊叹道:“真的有这么神奇吗,怎么之前在实验室我没有发现这样的现象呢?”

  
安培越读论文越感兴趣,索性找齐奥斯特做实验的器材,就在房间里的桌子上
操作了起来,不一会,安培兴奋地大叫起来:“动了,动了,真的动了!”

安培

安培(网络图)

  
安培知道奥斯特发现
“电生磁”的现象不到半年时间,目前还没有人从理论上解释这种现象的背后到底隐藏着什么。于是,安培把直导线做成圆形
,安培发现小磁针在圆形导线周围也会有所偏转。据此,安培挑灯夜战,写了一篇关于“圆形电流具有磁铁的相似性”的论文,提交给了法国科学院。

  
科学家对未知之谜的好奇心是无穷无尽的,安培并没有就此止步。
9月的一天
,安培坐在窗前,望着远方的树林,一对比翼双飞的鸟儿掠过他的视野,安培双手一拍,“有了,有了,我可以用两根直导线做实验,看看会有什么情况发生。”紧接着,安培又在奥斯特的基础上,将原本的一根通电导线变成了两根,且相互挨着平行放置。安培惊讶地发现,当两根导线通有相同方向的电流时,两根导线是相互靠近的;当两根导线的电流相反时,两根导线是相互排斥“推开”的。安培于925日将其发现写成论文,再次提交给了法国科学院。

 

趁热打铁,安培把导线弯成各种形状,研究了不同形状导线之间的作用力。早在幼年时期,安培就广泛涉猎法国的大百科全书,直觉告诉他,看不见摸不着的磁铁背后肯定隐藏着某样东西。为了更好的观察磁场在空间中的分布,安培在磁铁和通电螺线管周围撒些细小的铁磁性小颗粒,他发现:一个条形磁铁所产生的磁场和一个通电螺线管所产生的磁场,在空间中的分布是极为相似的(读者可根据24仿真图对比)。据此,安培大胆提出猜想:磁铁和通电螺线管的磁场都是由物体内的宏观电流产生的。

二维通电螺线管的磁力线分布

二维通电螺线管的磁力线分布

条形磁铁和通电螺线管磁力线分布图对比

条形磁铁和通电螺线管磁力线分布图对比

  
但是,安培的好友菲涅尔
[注二
]对此说法提出了异议。菲涅尔指出,如果磁铁存在宏观电流的话,那么磁铁由于有电流的存在肯定会发热,这就意味着磁铁自发的发热会比周围空气的温度高,这显然是违反热力学定律的。于是,菲涅尔就建议安培,能否把这种“宏观电流”改成“微观电流”,比如“分子电流”。安培觉得菲涅尔说的在理,果断采用了菲涅尔的建议。

  
1821年
1
月,安培正式提出了“分子电流”假说,安培指出:物体的磁性起源于物体内部的环状的分子电流,每一个环状的分子电流的两极代表着磁场的南北极,而这样的分子电流在物体的内部是成千上万的。安培的分子电流假说可以很好地解释磁性物质为什么受高温会失去磁性(高温会使得磁性体内部原本规则排布的“分子电流”变得杂乱无章,进而失去磁性)以及物体磁化后显示磁性(在外界磁场的“诱导”下,原本杂乱无章的“分子电流”的排布将变得规则)的现象。

分子电流的排布_副本

 甲:杂乱无章的“分子电流”;乙:规则排布的“分子电流”(图片来自网络)

  
提出了
“分子电流”的假说之后,安培并没有止步
,而是从实验回归到理论。安培12岁时,就开始自学拉格朗日等人的数学著作。凭借着在数学上的造诣和在实验方面敏锐的洞察能力,安培还从数学上推导出了以他名字命名的电动力学的基本公式。不仅如此,“分子电流”假说让他意识到了电流的闭合性,由此,安培也发明了人类历史上的第一个电流计。

  
在安培的那个年代,要提出
“分子电流”的假说是需要一定魄力的,因为当时物理学家还没有发现分子的存在。尽管在今天看来,安培当初所指的物质内部的环状的“分子电流”并不完全正确(近代物理学表明:“分子电流”是由原子中电子的自旋[
注三],原子核的自旋等所构成),安培的“分子电流”假说第一次揭示了磁场的起源,让我们对磁性材料的物理机制和利用有了更深入的认识。

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人物小档案:

       安德烈·玛丽·安培(1775.1.201836.6.10),法国人物理学家,提出了著名的安培右手定则和“分子电流”假说,揭示的磁场的起源,在电磁学方面研究,被誉为“电学中的牛顿”。

      
注释:

       注一:奥斯特(1777.8.141851.3.09),丹麦物理学家、化学家,1820年发现了电流的磁效应。

       注二:菲涅尔(1788.5.101827.7.14),法国物理学家,法国科学院院士,主要从事波动光学研究。

  注三:自旋,由量子力学着粒子所具有的内禀角动量所引起,粒子的固有属性。

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