原创 电流磁效应·磁记录设备

［发现者］

         丹麦物理学家、化学家汉斯· 克里斯蒂安·奥斯特首先发现了电流可以产生磁场的现象。

        奥斯特的父亲是个药剂师，他并没有像普通家庭那样让孩子去学校学习，而是指导他们自学。在药房里，奥斯特对科学产生了极大的兴趣。

        1794年，奥斯特考取哥本哈根大学，专攻药物学。1796年和1797年，奥斯特分别申请到了美学和药物学两门学科的奖学金，1799年以一篇关于康德哲学的论文获得了哲学博士学位。1801～1803年间，他先后到德国和法国游学。1803年回到丹麦，1806年成为哥本哈根大学的物理学教授。

Hans Christian Oersted，1777～1851

       在十九世纪以前，人们一般认为电和磁之间没有任何联系。深受康德和谢林关于自然力统一思想熏陶的奥斯特，坚信自然界的事物和现象是相互联系的。在这种信念的支配下，他积极地探索着电和磁之间的联系。

       1820年4月的一天晚上，奥斯特在讲课中突然出现了一个想法，讲课快结束时，他说：让我把导线与磁针平行放置来试试看．当他接通电源时，他发现小磁针微微动了一下。这一现象使奥斯特又惊又喜，他紧紧抓住这一现象，连续进行了3个月的实验研究，终于在1820年7月21日发表了题为《关于磁针上的电流碰撞的实验》的论文，向科学界公布了他关于电流磁效应的发现。论文指出：把导线沿南北方向平行地放在自由悬挂的小磁针的上方，接通电源，让导线中电流由北向南流动时，小磁针北极立即向东偏转；如果将导线放在磁针的下方，小磁针就向相反的方向偏转。”这篇文章揭示了电与磁之间的联系，为以后法拉第发现电磁感应定律，麦克斯韦建立统一的电磁场理论奠定了基础。

奥斯特的实验仪器

       几个世纪以来，电学与磁学之间存在相互隔绝的阀门，奥斯特的贡献就在于把这倒个阀门给打开了。从此以后，新的发现接二连三地涌现出来：安培发现了电流间的相互作用，阿拉果制成了第一个电磁铁，施魏格发明电流计，......。

       奥斯特发现的“电可以转化为磁”现象，无论对科学发展还是技术进步都产生了非常深远的影响。法拉第在评价奥斯特的发现时说：它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。安培也曾写道：奥斯特先生……已经永远把他的名字和一个新纪元联系在一起了。

       奥斯特有着深厚的哲学修养，但他并未满足于哲学思辨，对于现有的理论，总要亲自动手进行实验验证，电流磁效应的发现正是在实验中获得的灵感。作为一名优秀的教师，他“不喜欢那种没有实验的枯燥的讲课，因为归根到底，所有的科学进展都是从实验开始的。”，奥斯特所言与袁隆平“电脑里种不出小麦”的说法何其相似。

       为了纪念奥斯特在电磁学上的贡献，1934年召开的国际标准计量会议通过用“奥斯特”命名CGS单位制中的磁场强度单位（用Øe表示，读作“奥”）。美国物理学教师协会从1937年起每年颁发一枚“奥斯特奖章”，奖给在教学上作出杰出贡献的物理学教师。

       PS：童话作家安徒生就是奥斯特教授的学生，也是他非常亲密的朋友。安徒生创作的童话《两兄弟》，就是以奥斯特和他的哥哥安德斯·桑多为原型的。 

       喜欢动手做实验的奥斯特，是近代西方科学家的代表。东方的哲学家和思想家们跟他们不一样，东方人习惯于通过理论分析形成结论，这样自然省事，而且不需要花钱。不同的路线形成了不同的结果：人家发展了电磁学、发电机，我们搞出了周易、八卦图。他们把物质搞文明了，我们把精神搞文明了。看来，“殊途”往往难以“同归”。

［电磁现象的理论解释］

      1820年，奥斯特发现了电流的磁效应；1831年，英国物理学家法拉弟通过对电流磁效应进行辩证思考和实验验证，又发现了变化磁场的电效应，即电磁感应。这两个重要的发现相结合，就把原来互相独立的两门科学(电学、磁学)发展成为一门电磁学。

       不过，无论电生磁，还是磁生电，都是通过实验手段发现的现象，如何去解释这些现象，成为整个科学界需要解决的难题。期间许多科学家都从不同角度对电流的磁效应进行了解释，其中麦克斯韦的电磁场理论和洛伦兹的经典电子学比较有代表性。

1  麦克斯韦的电磁场理论

       对于奥斯特、法拉弟通过实验手段发现的电磁相互转换现象，英国物理学家麦克斯韦于1865年用数学语言表述了电生磁和磁生电的规律。麦克斯韦通过引入位移电流的概念，建立了一组微分方程，确定了电荷、电流（运动的电荷）、电场、磁场之间的普遍联系。

2  洛伦兹的经典电子论       

       麦克斯韦所做的理论解释可以说是完美无缺，但它纯粹属于一种理论上的东西，像是水中的月亮，美丽无比却难以捉摸，还不能从微观的角度解释电磁转换过程中电和磁相互转换的机制，期间到底发生了什么呢。1896年，荷兰物理学家洛伦兹大胆地把物质的宏观电磁性质归结为原子中电子的效应，统一地解释了电、磁、光现象。在洛伦兹看来，电场在物理过程上可以解释为分子产生极化的状态，它是分子中的外层电子的总的位移效应。

        事实上，洛伦兹创立经典电子论时，电子是否存在尚未被证实，所以电子论还只是一个假说（或者说是一个预言）。1897年，英国物理学家汤姆逊建立了原子模型并通过实验手段发现了电子，才使电磁学理论与物质结构理论之间获得了完美结合。

［应用］

       电流的磁效应在现代文明中起着重要作用，用途不胜枚举。这里仅举一个简单的例子来说明——磁记录设备（如磁鼓、磁带、磁盘等）。

电流产生磁极实现写磁盘

        磁记录设备读写数据的本质是一个电磁相互转换的过程：向设备写入数据时，应用了奥斯特的电生磁，而从设备里面读出数据时，则是法拉弟的磁生电。

［知识连接］

1  希伯莱大学_科学史_Hans Christian Ørsted

2  程军，物理学的第二次大综合，科学学与科学技术管理，1999（3）

3  秦克诚，邮票上的物理学史——电流及其磁效应，大学物理，1999（12）

4 飞翔物理_名人传记_奥斯特

5  武夷山，作家安徒生与科学家奥斯特的友谊，科学，2006（4）