《物理的故事——在悖论中前行》
第21节作者:
江湖小片 日期:2017-08-14 15:12:10
实验结果:
1.电流方向一致时,导线相互排斥;电流方向相反时,导线相互吸引。
2.单位长度的导线间的作用力与导线的距离平方成反比,与电流的大小乘积成正比。
此定律称为“安培定律”,再一次,牛顿的脸被撞的不轻。同时对电磁力的超距作用方式也无从怀疑了。
都散了吧!我们仍然活在被牛顿力学所统治的宇宙里。
在其后的两年内,安培为电动力学做了很多贡献,比如提出安培规则(右手螺旋规则),即电流方向与磁的南北极符合一定的规则——这也是中学物理出题率最高的考点之一;为了简化,他提出用正负号来表示电流方向;此外还他研究了线圈中的磁,提出了安培加成定律等等,这一系列眼花缭乱的成果将安培推到了“电力学之父”的宝座上,而麦克斯韦更是“电力学中牛顿”来赞美这位伟大的人物。
既然电产生的磁被证明与磁铁无异,那么电和磁的本质是什么呢?安培认为磁现象的本质是电流。那时节,人类对微观世界有一定的研究。1821年,安培就此提出著名的“分子电流”假说。他认为组成物体的分子都有一个环形的电流——元电流,元电流产生磁,一般物体的元电流杂乱无章,所以产生的磁相互抵消,当外面有强磁作用后,物体的分子电流的方向一致,磁的方向也一致,物体就被磁化了。
安培还尝试从万有引力和超距作用的角度解释元电流,但是无果而终,其原因是人类无法从实验中得到孤孤单单的“元电流分子”,再把它拿出在实验室测试。从这个侧面可以看出分子电流假说并不具有很强的说服力,不死心的安培需要用实验来提供证据。1821年,安培设计了这样的一个实验:
将线圈固定,吊起一个轻铜环,当线圈有电流经过时,会产生强磁。安培认为如果强磁能将铜环磁化(分子电流取同样方向),那么靠近一个小磁铁时,铜环会晃动。可是事与愿违,当安培放近条形磁铁时,铜环没有变化,他认为原因可能在于铜不像铁那么容易磁化。
1822年,安培和他的助手重新做了这个实验,将小磁条换成磁性很强的马蹄形磁铁。他认为铜环应该和上次一样不会发生变化,然而他又猜错了,在线圈电源接通、关闭的瞬间,铜环轻微晃动,然后又恢复原样。此时的安培对“分子电流”的假设深信不疑,正是因为这种“自信”,让他都没有深刻考虑实验的细节。他的助手是这样下结论的:有些物质不能像铁那样容易被永久磁化,只能短暂的被磁化。
安培比他的助手要稍微靠前了一步:这个实验证明感应能产生电流,但是这与电动力学没有任何关系。毕竟他认为“分子电流”更符合动力学体系,于是这个实验也就这样轻描淡写的过去了。
感应电流,也就是磁生电。其实在奥斯特发现电转化成磁的时候,动动大脚趾都能想到一个问题:磁能否产生电?当时也有很多人在寻找磁产生电的可能性。无心插柳的安培无疑是很接近答案的人之一,不过最终他们都将这份大礼拱手相让。
1831年,英国人法拉第则笑纳了这份大礼,当法拉第声称发现了感应电流时,安培才意识到对以前的思考是错误的。5年后他与世长辞,可以说安培的一生是充满了传奇,事业上平步青云,感情上失魂落魄,一度沉沦,又一度自我觉醒,为人类电力学发展做出了巨大的贡献。这传奇的背后他都一直在做一件事——思考。关于安培思考有很多历史小段子,据说他有天思考微积分,需要计算,正好前面有个黑板,当他写到一半时,黑板却动了起来,他不觉地追着黑板跑,一边跑还一边写......不明真相的群众早已笑的前仰后合了,原来那块黑板是马车的后车厢。
可惜他的思考方式却又带着固执与任性。1820年前的安培固执地认为库仑说的“电和磁没有关系”是对的,幸好奥斯特及时改变他的想法,从而开创了“电动力学”;1822年的他又任性地寻找“分子电流”,正因为有这个先入为主的“偏见”后,他的实验成了证明偏见的工具,从而对很多现象视而不见,或者无心相见。如果说安培是物理学殿堂里的一位舞蹈大师,那么这位大师却在最后一个动作时闪了他那华丽丽的腰。
1836年,这位物理学的舞蹈大师正打算徒步去讲课,却倒在了路上,死时他手里仍然攥着《效法基督》。
日期:2017-08-14 22:09:50
第十九回:电磁感应
话说自从牛顿与莱布尼茨争微积分的发明权后,在科学上,英国和欧洲大陆出现了很大的裂痕,英国似乎有些闭门造车,其结果是100年多内英国人在科学上鲜有成就。法拉第的出现改变了这种状况。自此,荣誉的小红花又将插满日不落帝国科学家们的“表扬栏”。
迈克尔法拉第(Michael Faraday ,1791—1867),生于英国一个贫困的家庭。严格来说,他只有小学二年的学历。“自古将相出寒门”不过是当权者安慰读书人的一句话而已,自古出寒门的将相实在是少之又少——中国可能也就宋朝多一些吧。即便到21世纪,小学二年级的文凭要想成为专家除非是板砖,要想当官除非是判官。幸好法拉第生长的环境是宽容的。
那时年仅13岁的法拉第辍学当报童,以减轻家里的经济负担。1803年,法拉第找到了一份工作,到某书商家当学徒,这里的书籍堆积如上,法拉第就像一个小书虫,对于知识,他总有嚼不完的劲头。
20岁时,他去听当时赫赫有名的大化学家汉弗莱戴维(Humphry Davy ,1778—1829)的讲座,回来给戴维写信,想当他的助手。戴维慧眼识金地答应了,从此法拉第踏上了科学研究的生涯。尽管后来出于羡慕嫉妒恨,戴维一直打压这法拉第,但人之将死、其言也善,当记者问及弥留之际的戴维一生最满意的发现时,他不无骄傲地说:法拉第。不知道有没有人问过法拉第的父母一生最伟大的发明是什么?
究竟法拉第有怎样的惊人之举让爱恨弥深的戴维如此推崇呢?
奥斯特的电流磁效应中,电流变化产出磁,会让小磁针旋转。同样道理,如果固定小磁针,导线也会旋转。法拉第根据这种“电磁旋转”效应,发明了世界上第一台“直流电动机”。
当电源接头后,电源与水银、导线形成回路,产生电流。由于电磁作用,左边的磁铁会发生转动,而右边导线发生转动。电池的电能转换成动能,这便可视为发动机。现在的发动机依然采用电磁旋转原理,不过把磁铁化成电磁铁,导线换成线圈,直流换成交流而已。
日期:2017-08-15 08:28:28
当时很多科学家在寻找磁的电效应(磁生电)。实际上,这个现象在很多人的实验中都发生过,但是都最终失之交臂,比如前文说的安培。还有另外一位法国科学家阿拉果(Arago,1786—1853),他与1824年曾做过一个“铜盘实验”,这个实验在当时无法解释。
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