物理史话之电学中的牛顿安培

我们在初中的时候就学过通电导线周围的磁力线的方向服从右手定则—伸出右手,四指握拳,大拇指指向电流方向,则四指指向的方向就是通电导线周围的磁力线的方向。这个定则也叫安培定则,发现它的人就是本文的主角--被麦克斯韦称为"电学中的牛顿"--法国物理学家安培。

物理史话之电学中的牛顿安培

安德烈·玛丽·安培

安德烈·玛丽·安培于1775年出生在法国里昂附近一个成功的商人家庭,他的父亲卢梭哲学的崇拜者。卢梭认为,年轻男孩应该避免正规学校教育,而应该追求"直接从自然中受教育"。安培的父亲通过允许他的儿子在他藏书丰富的图书馆内进行自学来实现这一理想。年轻的安培很早就接触到了欧拉和伯努利等人的著作。安培从12岁的时候就开始自学高等数学,不久他就宣称他已经十分了解数学和科学了。1789年,法国大革命爆发,对安培造成了很大的冲击,因为他的父亲在1793年被当政的雅各宾派送上了断头台。1799年,安培当上了一名数学老师。1802年,安培被任命为布雷斯堡布拉塞的物理和化学教授,他利用自己在布尔格的时间研究数学,写出了《关于游戏数学理论的思考》一文,这是一篇关于数学概率的论文,他于1803年将它发给了巴黎科学院。

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巴黎科学院

1803年,当安培的妻子(他们是在1796年结婚的)去世之后,他搬去了巴黎,在巴黎理工大学任教,尽管他缺乏正式的资格,但安培还是在1809年被任命为学校的数学教授。在1819年和1820年,安培在巴黎大学教授哲学和天文学课程,并于1824年当选为法兰西学院的实验物理学主席。

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法兰西学院

1820年,安培的朋友阿拉果(我们在毕奥那一章讲过这个片段)在法国科学院展示了丹麦科学家奥斯特的实验,即磁针被他旁边的通电导线所偏转。安培开始着手研究电和磁之间的关系。随后,安培发表了他的研究结果:1、磁针转动的方向和电流方向的关系服从右手定则,即安培定则2、两条带有电流的平行导线相互吸引或排斥,这取决于电流是分别在相同方向还是相反方向流动的--这为电动力学奠定了基础。3、阐述了各种形状的曲线载流导线之间的相互作用。安培还应用数学来推广这些实验结果中的物理定律。其中最重要的是被称为安培定律的原理,该定律指出两段载流导线的相互作用与它们的长度和电流强度成正比。通过一系列经典而简单的实验,安培认识到磁是由运动的电产生的,他利用这一观点来解释磁的成因和物质的磁性。1821年,安培提出了分子电流假说:电流从分子的一端流出,通过分子周围空间由另一端注入。非磁化的分子电流呈均匀对称分布,对外不显磁性;当受外界磁体或电流影响时,对称性受到破坏,显示出宏观磁性,这时,分子就被磁化了。安培的分子电流假说,已经成为了认识物质磁性的重要依据。为了进一步说明电流之间的相互作用,1821~1825年,安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验,并根据这四个实验,导出了两个电流元之间相互作用力的公式。1827年,安培出版了他的巨着《电动力学现象的数学理论》,这是电磁学史上一部重要的经典论著,对以后电磁学的发展起到了深远的影响。麦克斯韦称赞安培的工作是"科学上最光辉的成就之一,还把安培誉为"电学中的牛顿"。安培在他的一生中,只有很短的时期从事物理工作,可是他却能以独特的、透彻的分析,论述带电导线的磁效应,因此我们称他是电动力学的先创者,是当之无愧的。为了纪念安培在电学上的杰出贡献,电流的单位"安培"就是以他的名字命名的。

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安培定则

此外,安培还发现电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似,于是创造出了第一个螺线管,并在此基础上发明了探测和度量电流的电流计。

关于安培的轶事有很多,都是说明他专心于思考问题,而忘记了周围的世界。第一个故事是我们学过的一篇英语文章"移动的黑板"。有一次,安培在街上行走,走着走着,想出了一个电学问题的算式,正为没有地方运算而发愁。突然,他见到面前有一块"黑板",就拿出随身携带的粉笔,在上面运算起来。过了一会儿,"黑板"开始往前动起来,安培也跟着走,边走边写;黑板越来越快,他就跑了起来,一心一意要完成他的推导,直到他实在追不上了才停下脚步,这时候,他才发现那"黑板"原来是一辆马车的车厢背面。而另一次,安培正朝学校走去,边走边思索着一个电学问题。经过塞纳河的时候,他随手

拣起一块鹅卵石装进口袋。过一会儿,又从口袋里掏出来扔到河里。到学校后,他走进教室,习惯地掏怀表看时间,拿出来的却是一块鹅卵石。原来,怀表已被扔进了塞纳河。

1836年,安培以大学学监的身份外出巡视工作,途中不幸染上了急性肺炎,医治无效,在当年的六月在马赛去世,享年61岁。


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