地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(2)
在吉尔伯特思想的影响下,磁学研究和电学研究是各自独立地进行着,早期的电现象、磁现象的研究曾得出电与磁互不相干的结论。
1750年富兰克林已经观察到莱顿瓶放电可使钢针磁化与退磁。之前的1640年,有人观察到闪电使罗盘的磁针旋转。可是,直到19世纪初,科学界仍普遍认为电与磁是两种相互独立的现象。与这种主流观念相反,丹麦物理学家奥斯特一直坚信相信电、磁、光、热等现象相互存在内在联系,尤其是富兰克林曾经发现莱顿瓶放电能使钢针磁化,更坚定了他的信念。
1820年4月的一个夜晚,在丹麦哥本哈根大学任教的奥斯特(Hans Christian Oersted,1777~1851) 在讲学中实验,他将导线的一端和电池正极连接,导线沿南北方向平行地放在小磁针的上方,当导线另一端连到负极时,磁针立即指向东西方向。把玻璃板、木片、石块等非磁性物体插在导线和磁针之间,甚至把小磁针浸在盛水的铜盒子里,磁针照样偏转。奥斯特认为在通电导线的周围,发生一种“电流冲击”。这种冲击只能作用在磁性粒子上,对非磁性物体是可以穿过的。磁性粒子受到这些冲击时,阻碍它穿过,于是就被带动,发生了偏转。他认为电流冲击是沿着以导线为轴线的螺旋线方向传播,螺旋方向与轴线保持垂直。这就是形象的横向效应的描述。这实验证明电与磁的现象存在联系,使历来相信电与磁无关的科学家大为震动。电流磁效应的发现揭示了电与磁的内在联系,为电与磁的研究方向带来了一次飞跃。
1820年10月20日,在法国科学院的一次会议上,毕奥(Jean Baptiste Biot,1774~1862)和萨伐尔(Felix Savart 1791~1841)宣读了题为《运动的电传递给金属的磁化力》的论文,报告了他们对电流磁效应精确分析的结论,即毕奥—萨伐尔定律:直线电流对磁极的作用力正比于电流的强度,反比于它们之间的距离的平方,作用力的方向则垂直于磁极到导线的垂线。
1821年9月,英国物理学家法拉第(Michael Faraday,1791~1867)在重复奥斯特的电流磁效应实验时发现,磁针的磁极不是在磁针端点,而是在磁轴上距离磁针端点很小一段距离处。从确定磁针相对于载流直导线的位置中,法拉第发现了电磁旋转现象。在导线近旁放一个水平磁针使之处于“自然位置”,即垂直于导线的位置,然后沿磁针的轴线方向移动磁针,例如N极趋近导线,可以看到先是 N极被导线吸引,继续而又被排斥的现象。这与奥斯特在同样情况下只观察到吸引一种现象不同。法拉第不但观察到磁极受通电导线吸引或排斥的现象,而且观察到磁极绕电流转动以及电流绕磁极转动的现象,即所谓的电磁旋转现象。
1821年12月在《英国哲学年鉴》,法拉第发表总结上述实验成果的论文《论某些新的电磁运动和磁的理论》,探讨电磁旋转现象,联系到磁体周围的铁屑排列成的曲线,他提出了磁力线的思想。
电对磁有作用,磁对电就有反作用;电流能产生磁,则磁也一定能够产生电流。法拉第在1823年就有了这样的预见。然而,直到1831年8月29日,法拉第才完成第一次成功的实验。有软铁环的A组,绕了三个线圈,可以串联起来使用,也可以分开使用。在B组以同样的方向绕了二个线圈。把B组的线圈接到检流计上,把A组的线圈接到电池组上。当电路接通时,法拉第看到检流计的指针立即发生明显的偏转、振荡,然后回到原来的位置上。这表明线圈B中曾经出现过感应电流。当电路A断开时,指针向相反方向偏转。把A组的三个线圈串联成一个线圈重作以上实验,对磁针产生的效应比以前更加强烈。B组的感应电流是明显的,又是瞬时的,只在A组断开和接上电源时的瞬间产生。法拉第的这个实验装置很像我们现在使用的变压器。
法拉第把产生感应电流的情况概括成五类:变化着的电流;变化着的磁场;运动的稳恒电流;运动的磁场;在磁场中运动的导体。
1833年,生于德国的俄国物理学家楞次(Heinrich Friedrich Emile Lenz 1804~1865)发现,在电磁感应中,感生电动势阻止产生这一感应的磁铁或线圈的运动,表明电磁现象遵守能量守恒和转化定律。此结论于1839年发表,后被称为楞次定律。
为了解释电磁感应现象,法拉第提出了力线的思想。在1852年1月11日发表的《关于磁力的物理线》一文中,他强调力线是一种物理存在:“兹举太阳施加给地球的照明或热力为例。在这情况中,射线(即力线)通过中间的空间;但是我们也可以在它们的路径中间用不同介质来影响它们。”在谈到磁力线的物质承载者时,他指出:“它可能像光线一样靠以太而存在。光与磁已经联在一起了。它的存在可能取决于与磁力密切有关的某种张力状态,振动状态或与电流有关的其它状态。”他认为磁力线依赖于物质才能存在。他又写道:“如果我们假定它须靠以太才能存在而承认以太是属于物质种类的话,那末这种力线可能要靠物质的某些作用才能存在。”
文章来源:《地球与环境》 网址: http://www.dqyhjzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/340.html