奥斯特梦圆电生磁-上海第八中学

1 4 电磁感应的发现 启示录 山东省青岛市第五十八中学 高守凯 选自 中学物理教学参考 2009 年第 5 期 很多科学故事对科学发现和科学家的处理 总是简单化和偶像化 突出胜利 忽略失 败 彰显成功 无视曲折 例如 奥斯特和法拉第关于电和磁间联系的重要发现 在今天 的学生看来似乎并非十分困难 但教科书中却写到 科学家们都是经过多年坚持不懈的研 究才取得突破性成功的 在他们的科学生涯中 往往是已经面临那个重大发现 却又视而 不见 徘徊良久 而在这相当长的时间里 无数英才竟然没有一人捷足先登 是什么原因 导致了他们的失败和成功呢 本文试图通过简要回顾电和磁间联系的发现历程 以对后学 者有所教益和启迪 一 奥斯特梦圆 电生磁 1 为什么是他 电和磁间有没有联系 这是前人经常思索的问题 顿牟缀芥 磁石引针 说明了电现 象和磁现象的相似性 但是相似并不等于本质上有联系 实际上 库仑等人 已经证明 电和磁间没有直接联系 18 世纪末到 19 世纪初 人们陆续发现了一些自然现象间的联系与转化 如康德关于 基本力向其他种类力转化的哲学思想 黑格尔 谢林等人关于自然力的统一的思想 均对 物理学界产生了很大的影响 作为他们思想的追随者 丹麦的物理学家奥斯特 Hans Christian Oersted 1777 1851 相信电和磁之间一定有某种联系 尤其是富兰克林关于莱 顿瓶放电能使钢针磁化的发现 更坚定了他的观点 1803 年他曾写道 我们的物理学将 不再是关于运动 热 光 电 磁以及我们所知道的任何其他现象的零散的汇总 我们将 把整个宇宙容纳到一个体系中 正是由于整个社会的学术水平已经发展到了这一程度 奥斯特恰好又是这一主流思潮 中的积极分子 因此 在这个时间 由他来追寻这一问题也应是历史的必然而绝非巧合 2 为什么追寻十余年之久 伟大的发现往往都曾被世俗陈见所遮蔽 奥斯特寻找电和磁之间联系的试验也屡屡失 败 因为在此之前 服从牛顿定律和库仑定律的引力 电场力 磁与磁间的作用力都是沿 着连接相互吸引或相互排斥物体的一条直线产生的 奥斯特和当时的人们一样 也认为力 的作用只能像有心力那样是 纵向 的 他未曾料到电与磁之间的联系表现为 横向力 因而总是把磁针放错位置 旧的观念阻碍了成功 奥斯特不是先知 他当然也不能超越时 代 其实现在想来此事也够奇妙的 一个电荷凌空飞过 它下面的小磁针竟然横向受力 2 4 3 为什么最终还是他 奥斯特深信电和磁间有某种联系 就像电和发热发光的现象间有联系一样 1812 年他 就在论文中写过 我们应该检验的是 究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有类似的作 用 他在通电的导线前面放一根磁针 企图用通电的导线吸引磁针 然而尽管导线灼热了 甚至烧红发光了 磁针也毫无动静 1820 年 4 月 奥斯特在作有关电和磁的演讲时 尝试将磁针放在导线的侧面 在接通 电源时 发现磁针轻微地晃动了一下 他意识到这正是他多年盼望的实验现象 经过反复实验 奥斯特终于查明电流的磁效应是沿着围绕导线的螺旋方向发生的 1820 年 7 月 21 日 他以拉丁文简洁地报告了 60 多次实验的结果 向科学界宣告电流磁效 应的发现 二 法拉第心系 磁生电 1 为什么是他 1820 年起 电磁热席卷欧洲 研究结果大量发表 众说纷纭 真伪难辨 1821 年英国哲学学报 Annal of Philosophy 杂志编辑约法拉第 Michael Faraday 1791 1867 写一篇关于电磁问题的述评 这件事促使法拉第开始了电磁学的研 究 已经在化学领域崭露头角 而又兴趣广泛 有着敏锐洞察力和超强动手能力的法拉第 在整理电磁学文献时 为了判断各种学说的真伪 亲自做了许多实验 其中就包括奥斯特 和安培的实验 法拉第对安培的 分子电流 理论提出了不同看法 两人分别设计实验互 相辩驳 这是 1822 年的事 如果安培细心做下去 肯定会发现 在线圈通断电的瞬间 铜环里 会出现宏观电流 遗憾的是安培一心只是想证明他的分子电流学说 竟错过了发现电磁感 应现象的机会 据文献记载 法拉第在知道安培的答辩后 也重复了这个实验 可惜他所依据的资料 把安培的圆环误画为圆盘 所以法拉第重复试验了多次也没有得到结果 如果安培能更客观地对待实验 如果法拉第能准确地了解安培的实验 也许他们中的 一位会比 1831 年早好几年发现电磁感应现象 然而 当时一切都在黑暗之中 通往发现之路被偏见封锁 2 为什么追寻十余年之久 当然 法拉第发现电磁感应现象并不是偶然的机遇 而是他一贯追求科学真理的结果 他和奥斯特一样 笃信自然力的统一 一刻也没有放弃过寻找 磁生电 从 1824 年到 1828 年 法拉第多次进行电磁学实验 他想 既然电荷可以感应周围的 导体使之带电 磁铁可以感应铁质物体使之磁化 为什么电流不可以在周围导体中感应出 电流来呢 于是他做了一系列实验 想寻找导体中的感应电流 其中有 线圈接电池通电 一根导线置于线圈近旁 导线两端接电流计构成回路 结果在 3 4 电流计中未发现感应电流 令导线穿载流线圈而过 再接于电流计 也未发现感应电流 再将导线绕成线圈 置于载流线圈内 仍未发现感应电流 尽管 磁转化为电 的迹象还未找到 但法拉第的信念始终没有动摇 他在实验日记 里记录了多次不成功的尝试 顽强的意志跃于纸上 法拉第从奥斯特的发现知道 只要有电流就会有磁场 不管这电流是恒定的还是变化 的 因而他期望只要有磁场就会有电流 他因为没有预料到电与磁之间联系的某种 非对 称性 而失败了多次 他只研究了稳定状态效应 思想上还没有暂态效应的概念 更没有 创造条件去展现暂态效应 在 1831 年之前 法拉第以及他同时代的科学家们还都不习惯用能量的观点思考问题 时代的局限性滞迟了伟大的发现 因此 即使是掌握最伟大真理的英雄 也不能完全摆脱偏见的束缚 他们必须与埋伏 中途的一个个错误与偏见英勇斗争 坚持到底 才有可能将其击败 3 为什么最终还是他 1831 年 8 月 29 日 法拉第终于取得突破性进展 这次他是用一个软铁圆环 环上绕 两个互相绝缘的线圈 法拉第在日记中详细记录了这次成功的实验 法拉第继续试验 注意到如果维持通电状态 磁针毫无反应 法拉第这才猛醒 原来 这类感应现象是和瞬间变化联系在一起的 接着 法拉第又做了一个实验 他取来一根铁棒 在铁棒上绕以线圈 再和电流计相 接 铁棒两端各放一根磁棒 当磁棒张合之时 电流计的指针也不断摆动 一个月后 法拉第对各项试验作了总结 向英国皇家学会报告说 产生感应电流的情 况可以分为五类 变化中的电流 变化中的磁场 运动的稳恒电流 运动中的磁 铁 运动中的导线 至此 法拉第用实验修正了原来的想法 不是磁体的存在可以使导线产生电流 而是 磁体的运动可以使导线产生电流 他在总结这段生活时写道 对于新闻我一无所知 因为我越来越远离社会 我一 直在工作和写论文 这使我的健康下降了 但是现在我又感觉好多了 并且可以继续从事 这个课题的研究了 我们不得不说 这个发现与其说是他思想的结果 不如说是他坚韧不 拔精神的结果 经历了岂止是八十一难 苏东坡在 留侯论 中说 古之成大事者 不唯有超世之 才 亦有坚韧不拔之志 古今相通 东西无异 三 结语 做出一个伟大的发现是如此的困难 其原因在于他要反驳的是一个伟大的原理 一个 重要的理论 或者一种已被接受的深入人心的思维模式 奥斯特和法拉第 以其远见卓识在当时的知识背景下做出正确的预见 却迷途于旧观 念的阴霾之下 踯躅徘徊良久 最终靠着执著的坚持获得成功 这使曾经更早接近于成功 的阿拉果 克莱顿等人扼腕叹息 与其说他们成功的刹那具有某种偶然性 不如说他们早 晚会做出这样的发现 每一个发现历程都不是我们现在想象的那样简单 而是在事实和理由的反复比较和斟 4 4 酌中不断取舍 艰难前进 物理学家的每一次失败 否定和进步 都从一个侧面反映了他 们从不屈服的坚强品质和人类理性的执著 这正是我们回顾这段历史的意义所在