什么是奥斯特实验？关于电磁场的理论介绍

01 奥斯特实验

一、背景

什么是奥斯特实验？实际上它非常简单，只是将指南针放在通有电的电线下面。为什么这个实验如此重要？实验结果又为何显得诡异呢？当然了现在有些人人看来实验结果非常正常。

▲ 图1.1.1 伏打和他发明的电池

二、奥斯特实验

故事起源于十七世纪初，一位英国医生确定了静电与磁之间是完全不同的。时间飞快来到200年后，一位意大利人名叫亚历山大·伏打的人发明了电池。人名开始有兴趣来寻找电与磁之间的关系了。磁铁有南极和北极，电池有正负极。除此之外没有其他相似之处了。

▲ 图1.1.2 磁铁与电池

下面让我们了解一下一位丹麦的哲学家和科学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特，他非常崇信伊曼纽尔·孔特的哲学思想。奥斯特认为根据孔特的哲学观点，自然界中所有的事情都是相互缠绕的。因此力和物理本质应该是相互连接的。他试图通过经验科学来证实自然规律都可以从理性中推导出来，以及自然界本身也是理性的结果。

从1806年开始奥斯特尽其所能来测试磁对电是否有作用，或者反过来电对于磁会有什么作用。整整14年对此一无所获。到了1820年，奥斯特把一个指南针放在一根电线下面，当接通电流之后发现磁针发生了偏移。奥斯特知道指南针是一个架在支架上的小磁针，附近的永磁铁可以使得小磁针旋转。如果通用电的电线可以移动磁针，这说明其中的电流也会产生磁场，磁场不是在电池中而是在电线附近。

▲ 图1.1.3 汉斯·克里斯蒂安·奥斯特

下面让我们看看奥斯特实验的细节。奥斯特所使用的电池是由一对铜棒和锌棒浸泡在酸液中构成的，当他把指南针置于通有电流的电线下面时看到磁针移动了。但奇怪的是，这个磁针并没有顺着电线的方向，或者反方向移动，其方向绕着电线形成一个圆圈，这就是为什么这个实验结果显得这么奇怪。

▲ 图1.1.4 电流周围的磁场方向

电流沿着电线方向流动，生成的磁场方向围绕着电线。那个时候人们还不知道其它的力有这种特点。比如重力总是指向地球中心，磁力和电力产生吸引或者排斥的力，对于拖动或者推动物体的力也是朝着施加力人的方向或者反方向，但作用在指南针上的磁力似乎使得磁针围绕着电流旋转。

不必对奥斯特花费14年才有了这个发现感到奇怪，因为他理解磁针受力方向一直是错的。实验另外一个奇怪的地方就是静电荷不会产生磁场，只有移动的电荷才行。

三、实验的重要性

实验很奇怪，但为什么重要呢？首先，电流与磁场之间的关系与我们所了解到的磁以及电有着根本的不同。其次，在通有电的导线外边的磁针发生运动的现象可以让我们更加系统地研究电与磁的规律，这会产生更多的新方程、新理论。

▲ 图1.1.5 线圈内的磁场

比如，就在奥斯特发表了他的实验记录几个月后，一位德国科学家将电线在指南针周围绕制了多圈来提高磁场作用在磁针上的力，由此制作了第一个能够精确测量电流的仪器。1825年另外一个德国科学家乔治·欧姆利用这种设备发现了电流与通电材料性质之间的关系，包括材料的温度。由此他提出了电阻的概念，为纪念他的贡献电阻的测量单位使用了他的名字命名。现在我们所使用的的很多方程都是在这个时期发现的。

▲ 图1.1.6 电路相关的方程

第三点，就是根据电与磁之间的关系，也使得实用电气设备的发明出现了井喷。奥斯特之前电池只被用于三个方面的研究，一是产生小的电击；二是电解分离化学元素；三利用很多电池点燃电弧灯。奥斯特的发现之后的几十年中，下面的设备被发明出来：安培表、电机、电磁铁、变压器、发电机、第一个实用的电报。实际上你可以溯源所有现在所使用的的电气设备归结到这个单独发现。的确是一个大的事件。

四、发现的艰辛

话又说过来，当时奥斯特本人如何看到这个发现呢？当然他知道这个发现非常重要。实际上在他发表研究成果几个月前就发现这个现象，但是当时的电池比较弱，因为这个发现实在是太重要了，所以他又重新更换了一个强的电池重新做实验。

不幸的是很多人读到这个过程认为奥斯特最初的实验结果是偶然发现的。你可知道奥斯特为了探索电与磁之间的关系探寻了14年，但人们总是忽略这个艰辛的过程而将他的成功归功于一次意外。

奥斯特与其他当时的科学家一样也被通电电线周围的磁场力所形成的的圆环感到困惑，根据牛顿力学来看这不符合逻辑。为了解决这个问题，他认为电线中的电流不是直线流动，而是在电线中以螺旋线的轨迹流动，由此也拖动磁场形成螺旋方向。

▲ 图1.1.7 电流周围的磁场以及磁场力

在英国一位出身下层阶级，没有受过正规教育，名叫麦克·法拉第决定系统研究奥斯特螺旋电流的理论。他发现电流并不沿着螺旋线流动，而是沿着电线直线流动，只是产生了一个原型磁场作用在磁铁上。后来他又建立了磁场产生圆形静电力场的理论。这对研究电场与磁场理论产生了革命性的改变，由此产出电磁场的理论。

五、后记

为什么人们原因相信这位低学历化学实验助手的理论呢？这就涉及到法拉第是如何通过实验来证实他的理论的。

参考资料

[1]闪电的驯服者：电学的历史: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/128426612

[2]Oersteds Experiment: Why it is Important & Why it is so WEIRD: https://www.youtube.com/watch?v=2yawV5ekyN0&list=PLepnjl2hm9tF-CxhyRFZi3Pujkq_V4pKP&index=19

编辑：黄飞