廖祥勇

(南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210097)

1820年7月21日，丹麥物理學家奧斯特(H.C.Oersted，1777-1851)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，揭示了電磁相互聯(lián)系的客觀事實，打開了物理學新領(lǐng)域電磁學的大門.令人不解的是，電流磁效應的發(fā)現(xiàn)竟只是起源于200年前課堂中一個“偶然”的演示實驗，且實驗本身無任何操作難度，僅需將小磁針平行放置在一根南北方向的通電導線的正下方.現(xiàn)今中學物理課堂中，教師常會演示奧斯特實驗，或是準備好器材由學生自己操作，讓學生直觀感受電流的磁效應，但無論哪種方式，都是在已知實驗原理和結(jié)果的情況下進行，容易導致學生對奧斯特的發(fā)現(xiàn)存在片面認識，形成科學發(fā)現(xiàn)是一帆風順的錯誤觀念，不利于學生探索精神和創(chuàng)新意識的培養(yǎng).此外，與安培、法拉第等物理學家相比，人們對奧斯特缺乏關(guān)注和重視，多數(shù)學生對奧斯特的認識僅停留在“碰巧”發(fā)現(xiàn)了電流磁效應上.因此，本文將暫時拋開經(jīng)典電磁理論的框架，回顧歷史，探討電流磁效應發(fā)現(xiàn)背后存在的阻礙與困難之處，重新認識奧斯特實驗，以此紀念電流磁效應發(fā)現(xiàn)200周年，并對中學物理課堂中進行相關(guān)教學提出建議.

1 奧斯特生平簡介

奧斯特出生在丹麥一個小鎮(zhèn)上的普通家庭，父親是一名藥劑師，從11歲起，奧斯特便在藥店擔任父親的配藥助手.青年時代，奧斯特進入哥本哈根大學，學習醫(yī)學、自然哲學、物理學等課程.正是這個時期，奧斯特對康德的哲學思想產(chǎn)生了濃厚的興趣，進行了深入地學習和研究，并于1799年發(fā)表論文《論自然科學的形而上學基礎》，闡述康德哲學思想對自然科學的指導作用，因此而獲哲學博士學位.康德思想對奧斯特日后研究工作的開展影響頗深.1801年，奧斯特出國訪學，在德國結(jié)識了許多當時著名的哲學家和科學家，如哲學家謝林(F.Schelling)、物理學家湯姆孫(B.Thompson)以及化學家里特(J.W.Ritter)等.其中奧斯特與里特交往甚密，并和他一起進行了很多電化學的實驗，認識到了電、熱、光及化學效應之間的聯(lián)系.一年后，奧斯特來到法國巴黎，與德國濃厚的抽象思辨哲學氛圍不同，法國的自然科學高度發(fā)展，且尤為看重實驗.奧斯特曾感嘆道：“柏林那種沒有實驗技藝的、枯燥的演講，一點也不能引起我的興趣，因為所有的科學進步，畢竟都從實驗開始[1].”1806年，奧斯特開始在哥本哈根大學擔任教職，從事教學和科研工作.1820年發(fā)現(xiàn)電流磁效應，整個歐洲科學界為之轟動，奧斯特及其偉大發(fā)現(xiàn)也被永久載入科學史冊.

2 奧斯特的早期電磁觀

1805年，奧斯特在給好友里特的信中提到，建議將電學、磁學統(tǒng)一擴展到化學領(lǐng)域，并提出一種猜想，所有自然現(xiàn)象都是由相反電性力產(chǎn)生的[2].康德(I.Kant)也曾提出自然界中存在可以與其它各種形式力相互轉(zhuǎn)化的基本力，且基本力只有吸引力和排斥力兩種.1812年，奧斯特在其著作《關(guān)于化學力和電力的同一性研究》中提到一種關(guān)于電與磁的想法，他猜想導線中的電沖突(電流)會以波的形式展布于空間，隨著導線直徑的逐漸縮小而遞次轉(zhuǎn)化為熱、光和磁，指出“應該檢驗電是否以最隱蔽的方式對磁體有所影響”[3].可以看出，奧斯特早期認為通電導線的磁效應應該與光、熱效應一樣，向四周輻射，如圖1所示.

圖1 奧斯特早期認為的通電直導線的磁效應示意圖

3 電流磁效應實驗預期結(jié)果及實驗驗證

從奧斯特早期電磁觀出發(fā)，重建通電直導線的磁場分布，假設通電直導線的這種磁效應吸引小磁針的南極，排斥北極，如圖2所示(圖中僅表示出導線兩端點對小磁針兩極端點的作用力方向，實際應是導線每一點都對小磁針兩極有作用力，不影響定性分析).以此可以推測奧斯特早期電磁觀下的理論預期結(jié)果(即小磁針的偏轉(zhuǎn)情況),并進行實驗驗證.未知導線放置方向和小磁針的擺放位置對此實驗的影響時，二者的放置應該是隨意的.選取典型情況，可分為兩大類：導線與小磁針平行和導線與小磁針垂直.

圖2 奧斯特觀點下通電直導線對小磁針的作用力示意圖

3.1 導線與小磁針平行

實驗一步驟：

(1)小磁針放置在導線延長線上，與導線同一高度，如圖3中a位置.

(2)小磁針放置在導線正下方(或正上方)，如圖3中b位置.

(3)小磁針放置在導線左側(cè)(或右側(cè))，與導線同一高度，如圖3中c位置.

理論預期結(jié)果：

(1)小磁針南極受到通電直導線的吸引力，北極受到排斥力，但吸引力、排斥力方向與小磁針在同一直線上，小磁針不會偏轉(zhuǎn).

(2)小磁針的南極受到通電導線豎直向上的吸引力，北極受到豎直向下的排斥力，兩極會在豎直方向發(fā)生上下抖動.

(3)小磁針的南極受到通電直導線水平向里的吸引力，北極受到水平向外的排斥力，小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn).

真實實驗現(xiàn)象：

(1)小磁針未發(fā)生偏轉(zhuǎn).

(2)小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，未觀察到兩極上下抖動.

(3)小磁針未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但兩極在豎直方向上發(fā)生抖動(注：小磁針發(fā)生抖動時，會伴有小角度偏轉(zhuǎn)，但換用更穩(wěn)定的小型磁針后，偏轉(zhuǎn)角度幾乎可以忽略).

圖3 導線南北放置、小磁針位于不同位置的實驗圖

3.2 導線與小磁針垂直

實驗二步驟：

(4)小磁針放置在導線延長線上，與導線同一高度，如圖4中a位置.

(5)小磁針放置在導線正上方(或正下方)，與導線垂直，如圖4中b位置.

(6)小磁針放置在導線右側(cè)(或左側(cè))，與導線同一高度，如圖4中c位置.

圖4 導線東西放置、小磁針位于不同位置的實驗圖

理論預期結(jié)果：

(4)小磁針南極和北極會分別受到通電直導線每一點給它們的吸引力和排斥力，在合力作用下小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn).

(5)小磁針南極和北極會分別受到通電直導線每一點給它們的吸引力和排斥力，在合力作用下小磁針不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但兩極會在豎直方向上下抖動.

(6)小磁針兩極會受到通電導線每一點的吸引力或排斥力，但合力方向與小磁針平行，小磁針不會發(fā)生偏轉(zhuǎn).

真實實驗現(xiàn)象：

(4)小磁針未發(fā)生偏轉(zhuǎn).

(5)小磁針未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，未觀察到兩極上下抖動.

(6)小磁針未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但兩極會發(fā)生上下抖動.

可以看出，以奧斯特的早期電磁觀重建通電直導線的磁場時，實驗預期結(jié)果與真實實驗現(xiàn)象存在很大差別.未知導線擺放方向及小磁針擺放位置時，導線和小磁針的擺放位置可大致分為以上6類.奧斯特觀點下預期能觀察到小磁針偏轉(zhuǎn)的是(3)、(4)兩類情況，對應的真實實驗現(xiàn)象是小磁針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而真實實驗中能觀察到小磁針偏轉(zhuǎn)的情況在當時看來卻恰好不能發(fā)生偏轉(zhuǎn).因此，奧斯特的早期電磁觀導致他難以將小磁針放置在南北方向的導線正下方.故從實驗本身來看，要發(fā)現(xiàn)電流的磁效應實屬不易.這種不正確的電磁觀與牛頓等人的中心力思想有關(guān)，此前人們所見過的力都是在兩物體的延長線上，是縱向作用，而通電導線對小磁針的力是一種橫向作用.

4 發(fā)現(xiàn)電流磁效應的其它阻礙

除導線和小磁針的擺放位置對奧斯特實驗結(jié)果有影響外，其它因素也可能是電流磁效應發(fā)現(xiàn)過程中的阻礙.

4.1 電路開放

而且這種情況(指小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn))是伽伐尼電路閉合時發(fā)生的，不是開放時發(fā)生的，如同某些著名物理學家?guī)啄昵跋胱龆鴽]有做成的那樣[4].

奧斯特在1820年7月發(fā)表的具有劃時代意義的論文中指出，要將電路閉合，而非開放狀態(tài)，說明此前有學者試圖以開放電路尋找電磁之間的聯(lián)系.物理學史上也確有其事.1802年，意大利學者羅曼諾西猜想伏打電堆的電極與磁極具有相似性，電極可能對小磁針存在靜力作用，實驗自然未能成功.1805年，德國哈切特和笛索米斯用一根絕緣繩將伏打電堆懸掛起來，將其看作磁體或磁針，試圖觀察它在地磁作用下的取向變化，實驗同樣未能取得成功[5].

4.2 對電流本質(zhì)認識模糊

令伽伐尼儀器(電堆)相反的兩極由一根金屬線連結(jié)著，為簡單起見，今后我們稱該線為連接導體和連接線.至于該導體及其周圍空間發(fā)生的效應，我們稱之為電沖突[4].

奧斯特在1820年7月的論文中將電流看作是兩種“電”在導線中的“碰撞”，持續(xù)不斷地發(fā)生分離和中和，從而在空間中放射出熱、光和磁效應，這種電流觀導致他將通電導線的磁效應與熱、光效應進行類比.歷史上對于電的認識進程尤為漫長，伏打發(fā)明電堆以后，獲得了較為持續(xù)穩(wěn)定的電流，科學家們雖然會利用伏打電堆進行實驗，但對電流本質(zhì)的認識是模糊的，存在著多種解釋和觀點.直到1862年，韋伯(W.E.Weber)首次以帶電粒子的移動解釋電流現(xiàn)象，才使得“靜電”和“動電”統(tǒng)一起來[5].

4.3 電堆提供的電流可能不足

由于這些是用多少有點缺點的儀器進行的，所以它所產(chǎn)生的現(xiàn)象，與該問題的重要性相比，好像不夠清楚，為此，我特邀請我的朋友、國王的司法大臣艾絲馬奇同我合作，共同合制更大的伽伐尼儀器來重做這實驗[4].

奧斯特在1820年7月的論文中提到，他在4月份的演示實驗之后，與好友合作制造了一個更大的電堆，以便更清楚地觀察小磁針的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象.當通電直導線對小磁針的作用力能夠克服摩擦力和地磁場的影響時，小磁針才會發(fā)生偏轉(zhuǎn)且偏轉(zhuǎn)角度隨著電流的增大而增大.已有研究表明，接直流電源時，通電直導線中的電流達到1 A時，小磁針的偏轉(zhuǎn)角度約為20°[6].當然，小磁針的偏轉(zhuǎn)也與針的型號、針與導線的距離等因素有關(guān)，伏打電堆所提供的電壓也與其構(gòu)造有關(guān).從奧斯特制造了一個更大的電堆可以推測，他在課堂演示時所用到的電堆應是一個小電堆，攜帶方便，符合演示實驗中現(xiàn)象不明顯的史實.伏打電堆在當時是非常昂貴的器材，電堆提供的電流不足也可能是阻礙其他科學家探究的因素之一.

4.4 導線直徑太細 電阻較大

第一次實驗他打算使一個伽伐尼電池的電流通過一條很細的鉑絲，鉑絲放在有玻璃蓋的指南針上方[2].

奧斯特認為隨著導線直徑的減小，通電后會依次表現(xiàn)出熱、光、磁效應.于是，在課堂演示實驗時，他選擇了一根很細的鉑絲，而導體的電阻與其直徑成反比，且鉑絲的電阻隨著溫度的升高而增大(溫度為120 ℃時，鉑絲電阻可達200 Ω).奧斯特于1820年7月發(fā)表的論文中也有記載，他不僅制造了更大的伽伐尼電池，并且拋棄之前的錯誤想法，不采用細導線，而是將導線扎在一起，以增大導線直徑.因此，采用直徑很小的導線進行實驗，導致電阻過大，電流過小，也是阻礙電流磁效應發(fā)現(xiàn)的因素之一.

5 總結(jié)

19世紀初人類對于電、磁聯(lián)系的探索是艱難而曲折的，實現(xiàn)奧斯特實驗并非如現(xiàn)在看來的那么簡單，恰恰相反，走向終點實驗的過程中充滿各種阻礙.也正是因為奧斯特這一轟動性的發(fā)現(xiàn)，安培才拋棄之前電磁無聯(lián)系的觀念，在奧斯特論文發(fā)表的兩個月內(nèi)，就發(fā)現(xiàn)了電流方向和磁針轉(zhuǎn)動方向的關(guān)系，即安培定則.而后又發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生磁力的定律，提出分子環(huán)流假說，奠定了電動力學的基礎.此后，電磁學領(lǐng)域有了更長足的發(fā)展，且與人類社會生活息息相關(guān).對于奧斯特的發(fā)現(xiàn)，法拉第贊揚它“打開了科學中一個黑暗領(lǐng)域的大門，使其充滿光明”.科學史上也留下了濃墨重彩的一筆：1820年7月21日，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應.

中學物理課堂中進行相關(guān)教學時，教師可以對電流磁效應發(fā)現(xiàn)的歷史背景進行補充，帶領(lǐng)學生“探究”電、磁之間的聯(lián)系，失敗的探索同樣也有收獲，探究中可讓學生自己擺放小磁針和導線的位置，經(jīng)歷科學發(fā)現(xiàn)的歷程.還可以提出反思性問題，如“為什么1800年伏打發(fā)明電堆以后，所有技術(shù)和理論條件都具備的情況下，奧斯特卻在20年后才發(fā)現(xiàn)電流的磁效應”，引導學生發(fā)現(xiàn)看似簡單的實驗背后實則困難重重，認識到科學發(fā)展過程的漫長曲折，從而更深刻地感悟到這一偉大發(fā)現(xiàn)的劃時代意義，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識及科學探索精神.此外，“機遇”在教材和教學中較少出現(xiàn)，人們更偏向于用邏輯的方式解釋科學發(fā)現(xiàn)，強調(diào)奧斯特是在統(tǒng)一性觀念的指導下做出了偉大發(fā)現(xiàn).實際上，奧斯特的發(fā)現(xiàn)的確帶有一定的偶然性，他也并非始終致力于探索電、磁聯(lián)系，這只是他工作中占比較小的一部分.因此，在教學中忽略“機遇”也同樣是不可取的，對奧斯特發(fā)現(xiàn)中的“機遇”有所說明更有助于學生全面認識奧斯特及其偉大發(fā)現(xiàn).