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电学先驱:安培、伏打和欧姆 精选

已有 2248 次阅读 2019-6-11 04:36 |个人分类:外国人物|系统分类:科普集锦| 安培, 伏打, 欧姆

 

P1050660.JPG0660里昂安培坐像

0661里昂火车站

0672里昂风光

0677里昂市政厅

0480法兰西科学院。

0551安培肖像

0552意大利科学家伏打肖像

0553伏打向拿破仑展示电学实验

0554德国电学家欧姆 


作者 高关中德国汉堡)2019/6/8

中学物理中的电学部分,记得最清楚的就是欧姆定律:导体中的电流,跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比。用公式表示,就是I=U/R,其中:I表示电流,单位是安培; U表示电压,单位是伏特; R表示电阻,单位是欧姆。这三个电学单位,都来自电学先驱的名字,即法国人安培、意大利人伏打和德国人欧姆。最近到里昂开会,感受到当地对安培的崇敬,了解到他的一些生平故事,顺便也介绍一下其他两位物理学家。

 


安培是法国里昂人,自学成才

走出里昂市中心佩拉什车站,北去不远就有一个广场,叫安培广场(place Ampère),中间竖立着一座铜像,正是物理学家安培(André-Marie Ampère),他坐在椅子上,左手拿本,右手执笔,似乎正在思索科学问题,记下自己的观点。他1775年1月20日生于里昂。北郊15公里的Poleymieux,至今保留着他的故居(maison dAmpère),位于安培路(route de Ampère)300号。在此度过他的青年时代,如今这里改建成安培电学博物馆(英语The Ampere Electricity Museum),石头砌成的一座两层宅居里面有安培的生平介绍,遗物,手稿,也有中学课本中经典的电学实验模型,以及各种电学设备,还有电学发展历程中一些重要的里程碑人物及他们的贡献介绍。

安培的父亲是丝绸贸易商,不仅家境富裕而且深受当时启蒙运动的影响所以小安培的教育不假他人之手完全由他父亲来主理。他父亲信奉卢梭的教育思想,供给他大量图书,令其走自学的道路,所以安培没进过学校。据说安培的童年读物正是当时由启蒙运动的旗手狄德罗(Denis Diderot,1713-1784)所主编的35卷本百科全书,而且他是从第一页按着字母顺序一页一页读下去。所以小安培的兴趣非常广泛,对历史、诗歌、哲学及自然科学等多方面都有涉猎。从13岁开始,安培迷上了数学。他一开始读的是百科全书与微积分相关的文章。接着开始熟读数学大师欧拉(Leonhard Euler,1707-1783)与拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,1749-1827)等人的著作,据安培自己后来回忆说,他的所有数学知识在18岁的时候就已经基本上完成了。就这样,安培主要靠自修方法成为青年才俊。

可是法国大革命的爆发让安培的人生急转直下,差点葬送了他的人生。安培的父亲很不幸地卷进了政治风暴中,被送上了断头台。安培悲痛之余有一年多心神恍惚,几成废人。幸亏他遇到了邻村一位活泼的少女Julie Carron,陷入爱河,得以重新振作。他们于1799年结为连理。那时他生活贫苦,靠为私人补习数学和到外地教学来维持家计。妻子早逝后,他于1805年搬到巴黎去。他之前写过一篇关于概率论的论文,得到数学家拉普拉斯的赏识,所以即使他没有正式的学历,还是得到一个在巴黎综合理工学院École Polytechnique的讲师职位。1809年安培升任教授,还担任大学巡视员,这是一个检查各地高校的行政工作。1814年安培被选为法兰西科学院院士,时年39岁。他的研究领域涉及到数学、物理、化学、天文、生物乃至哲学(在巴黎大学兼授哲学课)等多方面,且取得不少成果。

然而真正让安培跃上国际舞台的,是1820年丹麦科学家奥斯忒Hans Christian Oersted,1777-1851,又译奥斯特的大发现,即电流引起的磁效应,即磁针在有电流通过的导线附近偏转。9月4日安培在法兰西科学院看到电流生磁的实验,产生极大的兴趣,并立即投入这方面的研究,两周后他也登台,展示了另一个吃惊的现象: 两条通电的导线会彼此吸引或排斥,取决于电流的方向。安培的关于通电导线之间相互作用的论文,引起了当时欧洲科学界的重视。

安培还做了一个实验,研究电流通过导体时所产生的磁性作用,开始用电流制造磁针。这个制作过程很简单,只要把一根针放在线圈里面,把电流通到线圈上,这铁针就具有了磁性。

此后七年,安培专注于电磁学研究。通过实验总结,得出了表示通电导线在磁场中受力的大小和方向的公式,称为安培力公式。他提出了表示电流和它所引起的磁场之间方向关系的定则,称为安培定则(右手螺旋定则)。他发现了环路定律,即在磁场中通过任何闭合线磁场强度的环流,正比于闭合线所围电流的代数和,这个定律称为安培定律。他创立了分子电流假说,即分子或原子中由电子运动而形成电流,物质的磁性可用分子电流来说明。这个学说在100多年后得到证实,这是很了不起的。

安培还创造了电动力学electrodynamics 这个词。他在电磁研究中,发现了一些重要的原理,为电动力学奠定了初步基础。

他是发展电测量技术的第一人,制造了一种仪器,利用自由移动的针来测量电的流动。以后经过改进,叫做电流计,也叫安培计。

安培晚年身体不佳,1836年6月10日在巡视各大学时到马赛,他客死异乡,享年61岁。

电磁学的总大成者麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879)曾对安培的工作的赞誉有加,称安培的研究是“科学史上最辉煌的成就之一”。后人甚至称安培是“电学中的牛顿”。人们把电流强度单位定为“安培”,就是为了纪念他的功绩。安培表示每秒通过1库仑电量的电流。在1欧姆电阻上施加1伏电动势,通过的电流为1安培,简称“安”,如果细分,还有毫安和微安等单位。


 

伏打来自北意大利,拿破仑封他伯爵

意大利北部有座大城米兰,从米兰乘火车南下,半个小时就到了美丽的古城帕维亚(Pavia)。帕维亚,北距米兰30多公里,论规模,它只有8万人,比米兰小得多。可是论起历史来,却不遑多让。公元6-8世纪,这里曾是伦巴第王国首都。中世纪时,作为独立城邦,它的繁荣程度不下米兰。但到了14世纪,米兰的声势就凌驾其上了,帕维亚转而发展为一个文化中心。1361年,在公元825年成立的法律学校的基础上,正式创办了帕维亚大学,在意大利第二古老,仅晚于博洛尼亚大学。帕大是欧洲的名牌学府之一,号称“意大利的牛津”,尤以法律、理工和医学研究著称于世。

该校最著名的毕业生和教授是电学泰斗伏打(Alexandro Volta,1745—1827)。他生于米兰以北的小城科莫(Como,人口9万)。小城偎依在风光秀丽的科莫湖,距瑞士边境只有5公里。伏打在帕维亚大学毕业后回到家乡任教一段时间,科研声名鹊起,后又返回母校担任试验物理学教授近40年,直到退休。是他发明了电池,改变了电学的面貌。拿破仑曾亲自观看他的电学实验,封他为伯爵。我们中学物理课皆学过,把电压单位叫做伏特(Volt),即从他的名字Volta,去掉a而成,简称“伏”,就是为了纪念这位杰出的物理学家。


 

欧姆是德国物理学家

伏打比安培早生30年,而欧姆比安培小十多岁。

欧姆(Georg Simon Ohm)1789出生于南德巴伐利亚州北部的埃尔兰根。埃尔兰根是座拥有10万人口的城市,地处纽伦堡以北。两地市中心相距只有18公里,联系非常密切。

埃尔兰根与电似乎有缘。电学家欧姆就出生在这里,是他揭示了电流、电压、电阻之间的关系,这就是有名的欧姆定律。电阻的计量单位叫做欧姆,也是为了纪念这位著名的科学家。

埃尔兰根还是一个大学城。1743年创办的大学是德国的老牌大学之一。欧姆在这里获博士学位,24岁就在该校任教。如今大学扩大为埃尔兰根-纽伦堡大学,已有2.6万名学生(其中6000人在纽伦堡)。大学总部设在全市最美的建筑——一座18世纪的宫殿里,不过欧姆30岁以后就离开该校,先后到多所高校任教,最后在慕尼黑大学退休,1854年在慕尼黑去世,享年65岁。葬于南郊公墓(Alten Südlichen Friedhof),慕尼黑工大立有他的塑像。



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