△勤奋的安培 

18208月,奥斯特的实验成功的消息传到法国,很善于接受新成果的安培对此作出异乎寻常的反应。安培立即转向了电磁学的研究,重复了奥斯特的实验,918日向法国科学院报告了第一篇论文,阐述了他重复做的电流对磁针的实验,并提出了回形电流产生磁性的可能性。在这个报告中,他还宣布了磁针转动的方向与电流方向间的关系,这就是安培的右手螺旋法。他写道:“如果电流方向是从人的脚流向头,人面向着磁针的N极的指向,一旦通电,磁针就会向人的左边方向偏转。”安培根据上述实验结果,提出了地球的磁性由东向西是由于绕地球作圆周运动的电流所引起的这一思想,而地球的电流,则是由于自转的地球总有一面受到太阳的照射,另一面背向太阳,这种温差产生了电流。显然,安培已达到了圆电流与磁的等效性的认识,即圆电流会产生磁场,其磁场类似于一块条形磁铁,这种认识引导他去考察线圈之间的相互作用。之后,安培转而研究电线电流之间的相互作用。他发现两条平行载流导线彼此有相互作用,同名(同向)电流相互吸引,异名(反向)电流相互排斥,这同电荷之间的相互作用恰恰相反。他在109日提交了第三篇论文。但是,他的这个发现的意义却没有被立即理解,有人说这只不过是电荷之间的吸引和排斥的作用而已,安培回答说虽然相同的电荷彼此排斥,同向电流却彼此吸引。另一些人认为,从奥斯特实验来看,既然导线a与导线b各自都能以力作用于一个磁针,那么这两个导线也必然会相互以力作用着,所以没有证明的必要。听到这个指责后,安培立即从口袋里掏出两把铁钥匙回答说:

“这两把钥匙各自都吸引磁铁,难道你相信它们也相互吸引吗?”18201030日,安培报告了自己理论的新证据:在地球磁场中自由悬挂着的螺线管,其行为完全类似于同样条件下磁针。在同一时间里,毕奥和萨伐尔发表了题为《运动的电传递给金属的磁化力》的论文,报告了他们发现的直线电流对磁针作用的规律;直线电流对磁体的作用正比于电流的强度,反比于它们之间的距离,作用线的方向则垂直于磁体到导线的垂线。拉普拉斯对这个结果作了进一步分析,认为这个定律可以用下述假设中导出:流过一个螺线管的电流的磁力作用可以看作是流过各个螺线圈的电流的作用之和,即各个电流元的单独作用之总和,并得出了每个电流元的作用力计算公式。

磁场强度的方向按右手螺旋法则垂直于电流元和场点的距离。毕奥——萨伐尔——拉普拉斯定律奠定了电动力学数学理论的基础。安培的目标是试图建立一个对所有观察到的磁力作用普遍适用的数学公式,就像牛顿万有引力定律那样的普遍公式。如果能找到两个无限小电流元之间的作用力公式,就可以通过积分(即求和方法)推导出所有电磁现象的定量结果。为了找到两个微小的电流元在一定距离和方向上时,它们这间的作用力公式,他用了几个月的时间集中精力研究电流之间的相互作用。安培以极精巧的实验和相当高超的数学思维提出了一个假设,即用无定向秤做了四个设计得十分巧妙的实验。无定向秤就是可以沿任意方向任意扭摆的摆,通过观察其摆动就可以测出任一方向受到的力。

第一个实验,安培用一个无定向秤检验通电流的对折导线有没有作用力,结果是否定的,从而证明当电流反向时,它产生的作用力也是反向的。

第二个实验,他仍用一个无定向秤检验一对折导线,只是对折导线绕成螺旋线,通电流试验结果也是否定的,从而证明电流元的作用具有矢量性质,即许多电流元的合作用等于各个电流元所产生的作用的矢量迭加。

第三个实验,他在一端固定于圆心的绝缘柄上连接一圆弧形导体,再将圆弧形导体架在两个通电的水银槽上,然后用各种线圈对它作用,结果却不能使圆弧形导线体沿其电流方向运动,这就证明了,作用在电流元上的力是与它垂直的。

第四个实验,他用三个相似的线圈,这三个线圈的线度之比与三个线圈矩之比一致,通电后发现,13线圈对2线圈的作用为零,从而证明:各电流的长度和相互距离增加同样倍数,作用力不变。安培假设,两个电流元之间的相互作用力沿着它们的连线。利用这个假设和上述四个实验的结果,他总结出了两电流元之间的作用力与距离的平方成反比,即著名的安培定律。这样,安培就完全明白了电与磁的关系比原来想象的要密切得多,磁并不是与电分开的孤立现象,而是电的多种特性的一个方面。

18211月安培提出了著名的分子电流假设,认为物体内部每个分子的圆电流形成一个小磁体,以此作为物体客观磁性形成的内在根据;所谓磁化一个磁体,就是利用外界的作用促使所有的分子小磁体趋向于沿同一方向排列。他还对比了静力学和动力学研究的对象及其名称,提出研究电动力的理论应称为“电动力学”。这样,安培就把电磁学分为两部分:静电学和电动力学,磁学在安培的体系内被看作是一个分支,磁相互作用就是圆电流相互作用。这一分法至今仍被沿用。他认为,圆电流等价于很薄的平面磁体,磁极就是圆电流的左方和右方。