物理史话之能干的物理学家毕奥

我们每一个学过电磁学的人都知道这么一条定律--毕奥-萨伐尔定律,它是由法国物理学家毕奥和萨伐尔共同提出的一条关于电流元与之产生的磁感应强度的关系的定律,它可用于计算即使在原子或分子水平的磁响应。不过鉴于阅读本文的大部分人没有学过这条定律,所以科普君在这里稍微介绍一下这条定律,以及发现这条定律的人--法国物理学家毕奥。

物理史话之能干的物理学家毕奥

让·巴蒂斯特·毕奥

让·巴蒂斯特·毕奥于1774年出生在法国巴黎,他的父亲是个财务官,同时还是一个大农场主,很有社会地位和声望。毕奥先后进入巴黎中学和圣路易斯学院学习,期间,他对数学产生了很浓厚的兴趣。不过到1791年的时候,毕奥退学了,原因不明。不过毕奥开始自学数学,他的父亲希望他在商业上有所发展,但是毕奥对商业毫无兴趣,这时候一纸征兵令将他从父母身边带走了。1792年,毕奥参军了,成为了一名炮兵。服役一年后,毕奥考上了巴黎综合技术学校,师从拉格朗日和贝托莱。1795年底,毕奥和同学由于痛恨雅各宾派的极端统治而参加了街头暴动,结果让另一个年轻人轻而易举地就镇压了下去,这个年轻人就是拿破仑(当时拿破仑26岁),从此拿破仑在法国政坛上一路高歌猛进,而毕奥则因此而坐了一段时间的牢,所以毕奥一生都反对拿破仑。1797年,毕奥从巴黎综合技术学校毕业。

物理史话之能干的物理学家毕奥

巴黎综合技术学校(不确定,有谁知道的?)

毕业后,毕奥先是在一个学校教数学,这时候他发表了他的第一篇数学论文,这篇论文受到了拉普拉斯的重视,于是毕奥在拉普拉斯的关怀下开始了科学生涯。1800年,毕奥成为法兰西学院的数学物理教授,1806年,在拉普拉斯的提议下,毕奥成为了经度局的天文学副教授。1808年,拿破仑成立法兰西学院的时候,毕奥又被聘为天文学教授。1814年,波旁王朝复辟后,鉴于毕奥长期对教育和科学事业的服务,被授予了荣誉军团称号。1822年,毕奥竞选科学院永久秘书一职,但是惜败于傅里叶。

毕奥的科研范围十分广泛,他一生先后完成了大约300项科研工作。他的物理学上的成就主要集中在电磁学、热学和声学方面。1802年,在拉普拉斯的影响下,毕奥开始研究声音的传播速度问题,当初牛顿曾经给出过声音在空气中的传播速度的公式:

物理史话之能干的物理学家毕奥

其中p和ρ分别是介质的压力和密度。但是毕奥在实验中发现,由公式得出的数值与实际测量值之间有10%左右的偏差。拉普拉斯猜测牛顿的公式只有在恒温条件下才能成立,但是在当时还无法证实这个猜想。后来毕奥考虑在添加了空气的压力和密度的温度效应后,这个公式应该是这样的:

物理史话之能干的物理学家毕奥

其中(1+k)或者γ被称为毕奥常数。不过这个公式当时并未得到证明,只不过与实验的结果比较吻合而得到公认,直到20年后,拉普拉斯才给出了比较满意的证明。

1804年,毕奥开始研究金属棒的热传导实验,到1815年,毕奥给出了热量散失的方程:t=aT+bT^3,其中,t代表热量散失,T代表物体温度和周围环境的温度差,a,b是常数。这个公式修正了牛顿的冷却定律,即高温物体的温度损失率不仅如牛顿所说的和环境的温度差成正比,还跟差的三次幂成正比的项有关。

毕奥最有名的自然是以他的名字命名的毕奥-萨伐尔定律,这是对奥斯特电流磁效应实验定量研究的结果。该定律奠定了电动力学数学理论的基础,是一个和电学中库仑定律等价的磁学定律。它可以计算任意形状稳定电流产生的磁感应强度,也是揭示电与磁联系的一个定量公式。

物理史话之能干的物理学家毕奥

毕奥-萨伐尔定律

在奥斯特之前,当时的人们普遍都认为电与磁是两个互不相干的东西,它们之间不可能相互转化。比如库伦就是这么认为的,安培也同意库伦的看法,而托马斯·杨更是直接说:没有任何理由去设想电与磁之间存在着任何直接的联系。当时毕奥也是这么认为的,他说:不允许我们设想电与磁具有相同的本质。但是,这样的想法在1820年被彻底否定了,那年,奥斯特通过实验(著名的奥斯特实验)证明了在通电导线周围存在着磁场,这个实验开创了把电和磁联系起来的电磁学,为近代电磁理论的发展奠定了基础,开辟了物理学史上的一个新纪元。法拉第就曾经说过:如同猛然间打开了科学领域中一扇黑暗领域的大门。

物理史话之能干的物理学家毕奥

奥斯特实验

这个实验对法国科学的震动之大是无以复加的。当时,法国著名物理学家阿拉果正好在瑞士,他被邀请参观了奥斯特的电流磁效应实验,他立即意识到这一发现的重大意义,于是马上决定回国。在当年9月11日,刚回到法国的阿拉果就向法国科学院汇报了奥斯特的最新发现。法国科学界被震动了,首先是安培,在9月18、25日和10月9日,宣读了关于电磁现象的三篇论文,9月25日,阿拉果也宣读了他的《关于钢和铁在电流作用下磁化的实验》论文,9月30日,毕奥和萨伐尔宣读了《运动中的电传递给金属的磁化力》一文,给出了长直载流导线产生的磁场强度的公式,即毕奥-萨伐尔定律。

这个定律源于实验又高于实验,因为在试验中无法得到电流元,该定律无法用实验直接证明,但是可以根据各种分布电流的磁场间接地证明它是正确的。毕奥-萨伐尔定律是稳恒电流激发磁场的基本规律,是建立静磁场基本方程的出发点,也是讨论稳恒电流的磁场性质和计算其磁场分布的基础。

毕奥是一个具有多方面兴趣爱好的科学家。从1841年开始,他还曾经研究过埃及和中国等古代天文学家的一些著作,并有一些收获。而他的儿子E·C·毕奥则是法国著名的汉学家,对中国古代天文学、气象学和地质学都做过研究。1856年,毕奥被选为法兰西学院的院士,这是一个科学家很难得的荣誉。1862年,毕奥在巴黎去世,享年88岁。


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