奧斯特夢圓電生磁-上海第八中學

“電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)”啟示錄山東省青島市第五十八中學 高守凱 選自中學物理教學參考2009年第5期很多科學故事對科學發(fā)現(xiàn)和科學家的處理，總是簡單化和偶像化，突出勝利，忽略失敗，彰顯成功，無視曲折。例如，奧斯特和法拉第關(guān)于電和磁間聯(lián)系的重要發(fā)現(xiàn)，在今天的學生看來似乎并非十分困難，但教科書中卻寫到，科學家們都是經(jīng)過多年堅持不懈的研究才取得突破性成功的。在他們的科學生涯中，往往是已經(jīng)面臨那個重大發(fā)現(xiàn)，卻又視而不見，徘徊良久，而在這相當長的時間里，無數(shù)英才竟然沒有一人捷足先登。是什么原因?qū)е铝怂麄兊氖『统晒δ?？本文試圖通過簡要回顧電和磁間聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)歷程，以對后學者有所教益和啟迪。一、奧斯特夢圓“電生磁”1為什么是他電和磁間有沒有聯(lián)系？這是前人經(jīng)常思索的問題?！邦D牟綴芥，磁石引針”說明了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的相似性，但是相似并不等于本質(zhì)上有聯(lián)系。實際上，庫侖等人“已經(jīng)證明”，電和磁間沒有直接聯(lián)系。18世紀末到19世紀初，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些自然現(xiàn)象間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化，如康德關(guān)于基本力向其他種類力轉(zhuǎn)化的哲學思想；黑格爾、謝林等人關(guān)于自然力的統(tǒng)一的思想，均對物理學界產(chǎn)生了很大的影響。作為他們思想的追隨者，丹麥的物理學家奧斯特（Hans Christian Oersted，17771851）相信電和磁之間一定有某種聯(lián)系，尤其是富蘭克林關(guān)于萊頓瓶放電能使鋼針磁化的發(fā)現(xiàn)，更堅定了他的觀點。1803年他曾寫道：“我們的物理學將不再是關(guān)于運動、熱、光、電、磁以及我們所知道的任何其他現(xiàn)象的零散的匯總，我們將把整個宇宙容納到一個體系中?！闭怯捎谡麄€社會的學術(shù)水平已經(jīng)發(fā)展到了這一程度，奧斯特恰好又是這一主流思潮中的積極分子，因此，在這個時間，由他來追尋這一問題也應(yīng)是歷史的必然而絕非巧合。2為什么追尋十余年之久偉大的發(fā)現(xiàn)往往都曾被世俗陳見所遮蔽，奧斯特尋找電和磁之間聯(lián)系的試驗也屢屢失敗。因為在此之前，服從牛頓定律和庫侖定律的引力、電場力、磁與磁間的作用力都是沿著連接相互吸引或相互排斥物體的一條直線產(chǎn)生的。奧斯特和當時的人們一樣，也認為力的作用只能像有心力那樣是“縱向”的，他未曾料到電與磁之間的聯(lián)系表現(xiàn)為“橫向力”，因而總是把磁針放錯位置！舊的觀念阻礙了成功，奧斯特不是先知，他當然也不能超越時代。其實現(xiàn)在想來此事也夠奇妙的：一個電荷凌空飛過，它下面的小磁針竟然橫向受力！3為什么最終還是他奧斯特深信電和磁間有某種聯(lián)系，就像電和發(fā)熱發(fā)光的現(xiàn)象間有聯(lián)系一樣。1812年他就在論文中寫過：“我們應(yīng)該檢驗的是，究竟電是否以其最隱蔽的方式對磁體有類似的作用?！彼谕姷膶Ь€前面放一根磁針，企圖用通電的導線吸引磁針。然而盡管導線灼熱了，甚至燒紅發(fā)光了，磁針也毫無動靜。1820年4月，奧斯特在作有關(guān)電和磁的演講時，嘗試將磁針放在導線的側(cè)面，在接通電源時，發(fā)現(xiàn)磁針輕微地晃動了一下，他意識到這正是他多年盼望的實驗現(xiàn)象。經(jīng)過反復(fù)實驗，奧斯特終于查明電流的磁效應(yīng)是沿著圍繞導線的螺旋方向發(fā)生的。1820年7月21日，他以拉丁文簡潔地報告了60多次實驗的結(jié)果，向科學界宣告電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。二、法拉第心系“磁生電”1為什么是他1820年起，電磁熱席卷歐洲，研究結(jié)果大量發(fā)表，眾說紛紜，真?zhèn)坞y辨。1821年英國哲學學報（Annal of Philosophy）雜志編輯約法拉第（Michael Faraday，17911867）寫一篇關(guān)于電磁問題的述評，這件事促使法拉第開始了電磁學的研究。已經(jīng)在化學領(lǐng)域嶄露頭角，而又興趣廣泛、有著敏銳洞察力和超強動手能力的法拉第，在整理電磁學文獻時，為了判斷各種學說的真?zhèn)?，親自做了許多實驗，其中就包括奧斯特和安培的實驗。法拉第對安培的“分子電流”理論提出了不同看法，兩人分別設(shè)計實驗互相辯駁。這是1822年的事。如果安培細心做下去，肯定會發(fā)現(xiàn)，在線圈通斷電的瞬間，銅環(huán)里會出現(xiàn)宏觀電流。遺憾的是安培一心只是想證明他的分子電流學說，竟錯過了發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的機會。據(jù)文獻記載，法拉第在知道安培的答辯后，也重復(fù)了這個實驗。可惜他所依據(jù)的資料把安培的圓環(huán)誤畫為圓盤，所以法拉第重復(fù)試驗了多次也沒有得到結(jié)果。如果安培能更客觀地對待實驗，如果法拉第能準確地了解安培的實驗，也許他們中的一位會比1831年早好幾年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。然而，當時一切都在黑暗之中，通往發(fā)現(xiàn)之路被偏見封鎖。2為什么追尋十余年之久當然，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象并不是偶然的機遇，而是他一貫追求科學真理的結(jié)果。他和奧斯特一樣，篤信自然力的統(tǒng)一，一刻也沒有放棄過尋找“磁生電”。從1824年到1828年，法拉第多次進行電磁學實驗。他想，既然電荷可以感應(yīng)周圍的導體使之帶電，磁鐵可以感應(yīng)鐵質(zhì)物體使之磁化，為什么電流不可以在周圍導體中感應(yīng)出電流來呢？于是他做了一系列實驗，想尋找導體中的感應(yīng)電流，其中有：l 線圈接電池通電，一根導線置于線圈近旁，導線兩端接電流計構(gòu)成回路。結(jié)果在電流計中未發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流。l 令導線穿載流線圈而過，再接于電流計，也未發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流。再將導線繞成線圈置于載流線圈內(nèi)，仍未發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流盡管“磁轉(zhuǎn)化為電”的跡象還未找到，但法拉第的信念始終沒有動搖。他在實驗日記里記錄了多次不成功的嘗試，頑強的意志躍于紙上。法拉第從奧斯特的發(fā)現(xiàn)知道，只要有電流就會有磁場，不管這電流是恒定的還是變化的，因而他期望只要有磁場就會有電流。他因為沒有預(yù)料到電與磁之間聯(lián)系的某種“非對稱性”而失敗了多次。他只研究了穩(wěn)定狀態(tài)效應(yīng)，思想上還沒有暫態(tài)效應(yīng)的概念，更沒有創(chuàng)造條件去展現(xiàn)暫態(tài)效應(yīng)。在1831年之前，法拉第以及他同時代的科學家們還都不習慣用能量的觀點思考問題。時代的局限性滯遲了偉大的發(fā)現(xiàn)。因此，即使是掌握最偉大真理的英雄，也不能完全擺脫偏見的束縛。他們必須與埋伏中途的一個個錯誤與偏見英勇斗爭，堅持到底，才有可能將其擊敗。3為什么最終還是他1831年8月29日，法拉第終于取得突破性進展。這次他是用一個軟鐵圓環(huán)，環(huán)上繞兩個互相絕緣的線圈。法拉第在日記中詳細記錄了這次成功的實驗。法拉第繼續(xù)試驗，注意到如果維持通電狀態(tài)，磁針毫無反應(yīng)。法拉第這才猛醒，原來這類感應(yīng)現(xiàn)象是和瞬間變化聯(lián)系在一起的。接著，法拉第又做了一個實驗。他取來一根鐵棒，在鐵棒上繞以線圈，再和電流計相接。鐵棒兩端各放一根磁棒，當磁棒張合之時，電流計的指針也不斷擺動。一個月后，法拉第對各項試驗作了總結(jié)，向英國皇家學會報告說，產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況可以分為五類：變化中的電流；變化中的磁場；運動的穩(wěn)恒電流；運動中的磁鐵；運動中的導線。至此，法拉第用實驗修正了原來的想法：不是磁體的存在可以使導線產(chǎn)生電流，而是磁體的運動可以使導線產(chǎn)生電流。他在總結(jié)這段生活時寫道：“對于新聞我一無所知，因為我越來越遠離社會我一直在工作和寫論文，這使我的健康下降了。但是現(xiàn)在我又感覺好多了，并且可以繼續(xù)從事這個課題的研究了?！蔽覀儾坏貌徽f，這個發(fā)現(xiàn)與其說是他思想的結(jié)果，不如說是他堅韌不拔精神的結(jié)果。經(jīng)歷了豈止是八十一難。蘇東坡在留侯論中說：“古之成大事者，不唯有超世之才，亦有堅韌不拔之志。”古今相通，東西無異。三、結(jié)語做出一個偉大的發(fā)現(xiàn)是如此的困難，其原因在于他要反駁的是一個偉大的原理、一個重要的理論，或者一種已被接受的深入人心的思維模式。奧斯特和法拉第，以其遠見卓識在當時的知識背景下做出正確的預(yù)見，卻迷途于舊觀念的陰霾之下，躑躅徘徊良久，最終靠著執(zhí)著的堅持獲得成功。這使曾經(jīng)更早接近于成功的阿拉果、克萊