第六卷 19世纪：古典科学的全面发展
19世纪被背为科学的世纪。在这个世纪里，自然科学的各个们类 均相继成熟起来，形成了人类历史上空前严密和可靠的自然知识体 系。1617世纪，近代科学革命中形成的机械城自然观被大大修正。进化 发展的观念进入了自然科学理论之中。在世纪之末，不少科学家甚至 认为。自然界一些根本的问题己经解决，以后所能做的就是对计算结 果再精确一些而已。造成这种错觉并不是偶然的。19世纪的自然科 确实经历了突飞猛进的发展，使古典科学达到了相当完善的程度 不同了
第二十六章/19世纪的电暖学 第二十六章19世纪的电磁学 18世纪行将结束之际，电学达到了它的最高成就库仑定律。但是 电与磁之间的联系依然未被正确地认识。吉尔伯特在当时实验的基础 上认为电与磁没有什么共同性。这一看法延续了很长时间。库仑也探讨 过电与磁的相关性，但在实验上一无所获，结果也相信电与磁没有什么 关系。19世纪电磁学的大发展正是从认识到电磁的内在统一性开始 1,电流的磁效应：奥斯特、安培 18世纪后期在德国兴起的自然哲学思潮，弘扬自然界中联系、发 展的点，批评牛顿科学中机械论的成分，在当时的科学家中产生了重 要的影响。丹麦物理学家奥斯特(1777一1851)青年时代就是康德哲学 的崇拜者，1799年的博士论文讨论的就是康德哲学。后来，他周游欧 洲，成了德国自然哲学学派的追随者。1806年回国后，被母校哥本哈根 大学聘为教授。 基于其哲学倾向，奥斯特一直坚信电磁之间一定有某种关系，电一 26一1奥斯 特 -26-21831 年，罗斯发现地 磁北极，这是19 世纪末的一幅 图，中间的指针 朝下。 317
第六卷/19世纪：古电科学的全面发展 定可以转化为磁。在1812年出版 的《关于化学力和电力的统一的研 究》一书中，奥斯特推剥，既然电流 通过较细的导线会产生热，那么通 过更细的导线就可能发光，导线直 径再小下去，还可能产生磁效应。 沿着这个思路，奥斯特做了许多实 ，但均没有成功 1819年冬天，他受命主持 个电磁讲座，有机会继续研究电流 的磁效应问题。他产生了一个新的 想法，即电流的磁效应可能不在电 流流动的方向上。为了验证这个想 法，他于次年春设计了儿个实验 日不月冯有成功。1820年4月.在 次讲座快结束时，他灵机一动叉 重复了这个实验，果然发现电流接 于26一3奥斯通时附近的小磁针动了一下， 奥斯特惊万分，又反复实验，终于在 特发现电流的磁 效应 1820年7月21日发表了《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文。论文 指出，电流听产生的磁力既不与电流方向相同也不与之相反，而是与电 流方向州垂直。还指出，电流对周围磁针的影响可以透过各种非磁性 物质。 奥斯特的发现马上轰动了整 个欧洲科学界。当年8月，法国物 理学家阿拉果(1786一1853)在瑞 士听到了这一消息，迅即返回法 国，于9月11日向料学院报告」 奥斯特的新发现。阿拉果的报告使 法国物理学界十分展惊。因为他们 一直受库仑的影响，以为电与磁不 可能相百作用。扶国物里学家安 (1775一1836)敏锐地感到这一发 现的重要性，第二天即重复了奥斯 特的实验 一周后，他向科学院提 交了第一篇论文，提出了磁针转动 方向与电流方向相关判定的右手 定则。再一周后，安培向科学院提 交了第二篇论文，讨论了平行载流 318
第二十六章/19世纪的电磁学 导线之间的相互作用问题。1820年底，安培提出了著名的安培定律 安培生于 个富裕的商人之家。由于大革命时期父亲被处决，他的 心情一直十分忧郁。拿破仑时期，他曾就任综合技术学校的数学教授。 据说，他是一位心不在焉的“教投”，常常沉人思考而忘记周围的 有一次连皇帝拿破仑的宴会都忘了去。但安培是一位天才的物理学家， 不仅有良好的数学基础，而且精于实验。奥斯特只是发现了电流对磁针 有作用，安培却在极短的时间里将这一发现推广到电流与电流之间的 相互作用，并接连发现了作用的方向和大小，给出了判定方向的方法及 计算大小的公式。安培定律指出，两电流元之可的作用力与距离平方成 反比。这一极为重要的定律，构成了电动力学的基础。“电动力学”这 名称也是安培首先提出来的，用来指研究运动电荷（电流）的科学。与之 相对的是“电静力学”，库仑定律则是电静力学中的基本定律 安培之前，“电流”的概念尚未成为一个科学的概念。正是安培首先 规定了电流的方向。他大概受富兰克林影响，认为电流是电液体由正极 向负极流过所致，因此，他把电流的方向规定为由正极指向负极。今天 我们知道，电流的本质是电子由负极向正极的运动。安培的规定正好反 了，不过，只要彻底一贯地坚持这个规定，也不会待来什么麻烦，因此物 理学界依然因袭了安培的这个规定。 电流磁效应的发现也使测量“电流”的大小成为可能，从而使电动 力学真正走上了定量实验的发展道路。 1821年初，安培进一步提出了分子电流假说。他认为，物体内部的 每一个分子中都带有回旋电流，因而构成了物体的宏观磁性。这一假说 当时不为人所重视，直到七十多年后真地发现了这种带电粒子，人们才 惊叹安培过人的天才， 2.欧姆定律 1266欧姆 欧姆定律今天已成为中学物理课本中最浅显的一个基本定律。尽 管今天看来十分简单，当初发现它却不那么容易。要知道，构成欧姆定 律的“电阻”、“电压”概念尚未出现，有待欧姆本人去创造，而“电流”概 念也才刚刚由安培定量化。 德国物理学家欧姆(1789一1854)生于埃尔兰根的一个匠人家里 从小学到了机械制造技能。他没有正式上过大学，只在埃尔兰根大学旁 听过，以后一直当中学教师。他热心于电学研究，曾多次测量过不同金 属的导电。由于他所使用的伏打电推的电流不太稳定，使他的研究总 是不理想。1822年，德国物理学家塞班克(1770一1831)发现了温差电 效应，从而发明了温差电池。温差电池可以提供稳定的电流，这使欧姆 的金属导电率研究有了重要的突破。 319