电流磁效应及安培力的作用-《通识物理》

在很长一段时间里，磁学和电学的研究一直是独立发展的，人们普遍认为电和磁之间没有直接联系，而这种错误的观点一直持续到1820年。第一个发现电磁之间联系的人是著名物理学家奥斯特，奥斯特从小就对电和磁的关系很感兴趣，在他之前，美国科学家富兰克林就曾做过莱顿瓶（一种早期的电容器）放电实验，结果放电电流把一根焊条磁化了。这个实验结果使得奥斯特坚信电磁之间的转化是有可能的，所以他一直想找到能证明这种转化的方法。1820年4月的一天，如图10.10所示，奥斯特在一次演讲快要结束的时候，抱着试试看的心情又做了一次实验。他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方，接通电源的瞬间，奥斯特发现小磁针突然跳动了一下。这一跳使得奥斯特喜出望外，竟然激动得在讲台上摔了一跤。在接下来的几个月里，奥斯特闭门谢客，埋头设计了几十个不同的实验，都证实了通电导线（电流）周围存在磁场。1820年7月，奥斯特发表了著名的论文《关于磁体周围电冲突的实验》，向学术界宣告了电流磁效应的发现，整个物理学界都为之震动了。随后，物理学家法拉第根据奥斯特的发现进行了深入研究，他通过用通电导线吸引磁粉的方法观察到了通电导线周围的环形磁场。这个实验结果，不仅证实了奥斯特有关电流磁效应的发现，也揭示了电流在周围空间所激发的磁场分布情况。

图10.10　奥斯特发现电流的磁效应

奥斯特的实验很好地证实了磁现象实质上起源于电荷的运动，电流周围就会激发磁场。我们知道：磁极（磁场）间有相互作用，因此理论上外加磁场也可能对电流产生作用力。为了研究这个问题，19 世纪初，如图10.11 所示，法国物理学家安培在一根通电导线的旁边施加一个外磁场，结果发现：“通电导线因受磁场力而运动。”为了纪念安培的发现，人们把这种电流在外磁场中所受到的磁场力称为“安培力”，正是安培力导致了通电导线的运动。为了定量研究磁场对电流的这种作用，安培还设计了四个极其精巧的后续实验，并在实验结果的基础上进行数学推导，最后发现：“安培力的大小与电流强度I、直导线的长度L以及均匀外磁场的磁感应强度B 有关”，其数学表达式为：

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图10.11　安培力的发现

现在我们已经知道：任何电流（运动电荷）都在自己的周围空间激发磁场，凡是位于磁场中的其他电流（运动电荷）都可能受到磁场力的作用，这些电流（运动电荷）之间的相互作用就是通过磁场来传递和实现的。安培的发现虽然只是简单地揭示了“磁场对电流的作用规律”，然而电流的运动其实只是一场革命的开端。现在，在安培力原理的启发下，人们发明了电动机，并制造了各种电动设备，这都极大地改变了我们的世界，丰富了我们的生活，并广泛地应用在商业、工业以及科技等社会生活的方方面面。