厄斯特與電流磁效應

世界著名的童話故事作家丹麥的安徒生曾如此贊揚厄斯特「當在您的腦海裡閃耀著電光似的思想時，科學的王國授予您光的光的美妙，啟發您以真理。人們拜倒在這個美妙的光下，由於您的方法開拓了通往造物主的道路」
"坦奈曼大自然科學史"，安田、加藤翻譯

背景：

　　厄斯特（Hans Christian Oersted 1777..1851）是一位丹麥藥劑師的兒子，當時正值爭取自由與人權的美國獨立戰爭，法國大革命也即將發生，工業革命已經開始了十餘年。種種實用的發明陸續產生，新的生活方式、新的社會結構、新的政治思想、新的哲學觀點、新的文藝風潮...正在醞釀著。

　　厄斯特原來學藥學，從小對物理與天文有濃厚的興趣，在哲學與文學方面造詣不低，和世界著名的童話故事作家丹麥的安徒生是知交，曾多方面協助他。厄斯特13歲跟著父親當學徒，學徒期間對自然科學發生興趣，並決定以此為業。1794年入哥本哈根大學，次年通過哲學考試，1797年又通過藥物學考試，1799年以一篇有關於形而上學的論述論文拿到哲學博士學位，但是他並沒有就此當一位哲學家，沒多久就把興趣轉至實驗物理方面的研究。

　　 開頭時他作過一些電化學、水的可壓縮性和運用電流爆破採礦等多方面的研究，他是第一個提煉出金屬鋁的人。聽到伏特電池的發明後，立即從事電磁學的研究，1806年他應聘擔任哥本哈根大學物理學教授，1820年發表驚人的成果--電流的磁效應。

電流磁效應的發現：

　　有些書說厄斯特的發現是偶然的，如此說到；一次講課助手操作示範實驗時，注意到導線附近的磁針發生轉動，告訴他後才知道的。這可能是由於厄斯特並一向不怎麼精於實驗，而引起人們的猜測之故，不彷讓我們把這種說法當作是當時一些忌妒的科學家的自然反應，或者是那些傳記作者特別喜愛將事情戲劇化。

　　十九世紀初唯心主義統治著歐洲思想，厄斯特受過哲學訓練，當時著名的哲學家康德對他影響很大，康德認為自然界的一切作用力，如熱、光、電、磁等作用，應該是同一個"原生力"在不同的物理條件下不同的表現方式，它們之間存在著密切的關聯（"自然科學的形而上學原理" 康德著）。厄斯特一直相信電和磁之間應該存在某種聯繫，從未停止對這個問題的思考與研究，1812年在他的著作"關於電力和化學力的統一研究"裡，就可找到他的這種看法的雛形。法國的化學家巴斯德(L.Pasteur 1822..1895 近代微生物學的開創者）評論厄斯特是否偶然發現這件事時曾說過一句著名的話；「在觀察的領域裡，機遇只偏愛那種有準備的頭腦」。大數學家拉格朗日的一句名言如此說；「這樣的偶然性只能被應當得到的人所碰上」。

厄斯特的實驗：

　　法拉第曾經對厄斯特的發現給過這樣的評價；「他猛然打開了一個科學領域的大門，那裡過去是一片漆黑，如今充滿了光明」。

　　厄斯特實驗所使用的裝置並不怎麼特殊，裝置本身只是電池、導線、以及一根磁針所組成。所要觀察的現象也十分顯而易見，並不需要精密的分析儀器，或者特殊的實驗技巧。所有的關鍵就僅僅決定於磁針擺置的指向，難怪有人會認為這個發現的本身看起來是那麼的偶然。在這以前人們所知道的萬有引力和庫倫力都是沿縱向的力，而呈現在磁針上的力卻是與導線電流方向垂直的，這是一個不折不扣的側向力。

　　通常科學的突破就是這麼一回事，要掙脫傳統觀念的桎梏與生活環境影響的束縛，往往需要時間的等待，一點一滴前人的失敗挫折慢慢地累積經驗，堆積到某個程度時機成熟時，總會出現那麼一位大智者給上奮力一擊，然後領導著大家進入剛啟開門檻的科學新世界，過一陣子人們就開始享受它給社會文明帶來的福祉。

　　厄斯特是一位認真嚴謹的學者，發現這個令人興奮的驚人現象後，它又花了三個月的時間仔細地進一步研究；它在磁針與導線之間分別放置玻璃、木塊、水、石頭..等不同的物質重複實驗，觀察磁針的偏轉是否受影響。它又用黃銅、玻璃、橡皮..等不同材質做成的細針代替鐵針進行實驗，以確定這是真正的磁效應，並且完全弄清楚相關的規律。1820年7月21日厄斯特發表了一篇拉丁文寫成的論文"關於電流對磁針作用的實驗"，從人類認識磁與靜電開始到那個時候約有2600年相隔，厄斯特把兩種作用首先地關聯在一起，這是個創是之舉。厄斯特自己曾如此說到；
「將電池的兩極用鐵絲接連起來，為了方便起見，把它叫做導體。然後把該導體及其周圍的場的作用叫做 "電衝突"....，這個電衝突的作用不僅限於導體的鐵絲，也擴展到其他方面。不僅如此，從觀察事實中可以得出電衝突是在鐵絲的周圍成渦行的結論」 

（"電磁學史" 矢島祐利著）

　　 歐洲英、法各國很快的知道厄斯特發現了電流的磁效應，除了震驚外，立刻掀起了巨大的回響。不久法國的阿拉貢（F.Arago 1786..1853）發現通電流可以把普通的鐵變成磁鐵，法國的安培（Andre Marie Ampere 1775..1836）找出了平行導線之間的相互作用，並且和同一個國家的畢爾（J. B. Biot 1774..1862）、薩瓦爾（F. Savart 1791..1841）分別建立了"電氣力學（或可說成電動力學）"。很快地在1831年法拉第發現電磁感應，從此電與磁就歸屬同一家族。後來馬克士威整理這些現象，用幾個簡單的數學式子就能清楚地描述電磁之間的奇妙關聯，而且從這四個公式中推導預言電磁波的存在，於是電磁家族又收編了光。
一封關於厄斯特的信：

　　哈斯坦是厄斯特的朋友，曾經目睹厄斯特的實驗，1857年他寫給法拉第的信中兩段話摘錄如下；

「厄斯特將一根與賈法尼電池相連接的導線垂直地跨在一枚磁針上，沒有發現磁針運動。他接著用一隻更強的賈法尼電池重複一次實驗，並打算隨後結束他的演講。就在此時他突然說到："讓我們把導線平行地置放試試看.."。剎那間他完全愣著了，因為他看到磁針這時幾乎和磁子午線成大直角地大幅度擺動著。接著他又說到："現在讓電流方向反過來"。於是磁針就沿著相反方向偏轉。」

「厄斯特教授是一位非常聰明的人，但卻是一位不適合實驗工作者，他不會熟練的使用儀器，他總要有一位助手或者一位聽眾來幫助他操作並安排實驗，而我們常常就是這樣的一位聽眾兼助手。」

安培與畢爾-薩瓦爾：

　　法國的安培出生里昂富商家庭，小時被稱讚為天才，18歲時父親在大革命中喪命，後來喜歡上植物學，老婆就是野外採集標本時認識的，結婚四年太太就去世，遺留一個兒子約翰、賈克、安培，賈克後來成為著名的文學史家。安培在厄斯特旋風吹至法國時，曾經在短短三個月內向科學院提了關於電流磁效應的六篇重要論文，奇怪的是在此之前和在此之後都沒看到安培從事物理研究的工作。

　　厄斯特發表重要的電流磁效應實驗結果不到兩個月後，1820年9月11日阿拉貢就在法國科學院演示厄斯特的電流磁效應實驗，引起科學界很大的迴響。安培在聽了這個演講後的第二天就重複一次實驗，並且進行更深入的研究
　　阿拉貢演講後一周9月18日、9月25日、10月9日安培在法國科學院會議上宣讀三篇論文包括；磁針偏轉方向的規律即著名的「安培右手定則」、平行電流導線的作用力、分子電流的假設（每個分子的圓形電流就一枚小磁針，並以此推論磁體呈現磁性的原由）、以及不同形狀電流間的交互作用（螺線管首次在此出現）。再經過三個月時間仔細定量研究後，他又發表三篇論文，最重要的部分是他這次用數學公式描述了電流導線的作用力，這個公式現在記為

在 ＳＩ 單位制裡，k = m0/4p，m0 為真空磁導率(Permeability)而m0 = 4p’10-7 牛頓1o安培-2。這又是一個平方反比定律，最早電流的單位安培就是從這個公式所定義出來的。

　　同樣的，1820年底法國的畢爾和薩瓦爾兩個人設計實驗，找出長直導線的磁場強度 B = m0I/2p。接著當時法國著名的數學物理學家拉普拉斯（Laplace）從他們的實驗結果分析，並且加入重疊原理的考慮，完成電流磁場強度的一般關係。拉普拉斯並未發表這個成果，但是我們現在還是把他稱為；畢爾-薩瓦爾-拉普拉斯公式（或者稱為畢爾-薩瓦爾公式）；

　　1824年阿拉貢進行一個實驗，他看到吊起來的磁石下邊的銅板轉動時，磁石也隨之轉動，而轉動磁石也會使銅板轉動。現在我們知道把置於兩極的銅板轉動會產生渦電流。此外德國的化學家舒威格和波根道各自獨立自製出電流計，而現行使用電流計的形態是法國的阿遜瓦和德布勒玆所發明的，電磁鐵則是在1825年由威廉史達金(W. Sturgeon)首先製造出來的，當時他曾經做過轟動一時的表演，用繞著38匝銅絲的馬蹄形鐵芯，通電後吸起一塊9磅的鐵製重物。