纪念电磁学发现 200 周年

2020年 12月 11日

直到 19 世纪初,许多科学家都认为电和磁是两种不相关的现象。这种情况在 1820 年发生了变化,当时一位教授在一次讲座中报告了一个令人震惊的发现:电和磁现象之间存在联系。于是,电磁学研究诞生了。为了庆祝这一发现已经 200 周年了,我们来看看电磁学发现过程中的五个 W:谁、什么、哪里、什么时候、为什么,以及如何研究电磁学。

发现了电磁学?

Hans Christian Ørsted 于 1777 年 8 月 14 日出生在丹麦的 Rudkøbing。12 岁左右,Ørsted 开始在他父亲的药房工作,这激发了他对科学的兴趣。追随父亲的脚步,他于 1797 年获得了哥本哈根大学的药理学学位。两年后,Ørsted 受德国哲学家 Immanuel Kant 工作的启发写了一篇论文,并获得了哲学博士学位。

物理学家和哲学家Hans Christian Ørsted的黑白画像。
Hans Christian Ørsted。本作品在美国属于公共领域,因为它在 1925 年 1 月 1 日之前通过 Wikimedia Commons 出版(或在美国版权局注册)

Ørsted 在 29 岁时曾担任药房经理,后来成为哥本哈根大学的一名物理学教授。在那里,他研究了电流和声学。(有趣的事实:Ørsted 凭借对克拉尼图 Chladni figures 的研究获得了物理学教授的职位)。

是什么 让 Ørsted 电磁学发现 200 周年如此重要?

1824 年,Ørsted 成立了自然科学传播学会(SNU)。SNU 的建立是为了向公众发布有关物理学和化学最新进展的信息。为纪念电磁学发现 200 周年, SNU 通过举办讲座并为研究人员和高中教师颁发奖章,来表彰他们对科学和技术的贡献。

此外,丹麦的许多公司、大学和组织全年都认可并庆祝这一周年纪念日。

电磁学是在哪里 发现的?

1820 年 4 月 21 日,Ørsted 在为一次演讲做实验时,发现了一些突破性的现象:带电导线中的电流会使其附近的罗盘磁针发生偏转。这一发现是革命性的,因为它证实了电和磁之间的关系,为今天所有的电磁学研究奠定了基础。

一个放在木桌上的现代指南针的照片。
一个(更现代的)指南针。

尽管许多人认为 Ørsted 是偶然发现的,但据他说,这是一个有计划的实验。在他的发现的几年后,他发表了一篇以第三人称写的论文,讨论了最初的实验,并指出

““第一个实验的计划是,使他讲座中常用的一个小电流槽装置的电流通过一根非常细的铂丝,该铂丝放在一个覆盖着玻璃的罗盘上。实验的准备工作已经做好了,但是在讲座之前发生了一些意外,阻碍了他的实验,他打算推迟到另一次演讲机会。但在演讲过程中,成功的可能性似乎更大,所以他在听众面前进行了第一个实验。”

Ørsted 是如何在电和磁之间建立联系的?

如前所述,在他的发现之前,Ørsted 已经预感到电和磁效应是相互关联的。一方面,他不相信当时被广泛接受的观点,即电、磁、热和其他化学过程是不相关的。相反,由于他的哲学背景,他倾向于相信——比如电和磁——该现象是由同一个原始力量产生的。此外,众所周知的是,闪电会影响指南针的极性,从而进一步将这两种现象联系起来了。

值得注意的是,Ørsted 结识了一些志同道合的科学家,并可能从他们那里找到了灵感,例如德国物理学家 Johann Wilhelm Ritter。像 Ørsted 一样,Ritter 也正确地假设电和磁在某种程度上是相关的。两位科学家都喜欢德国哲学家 Friedrich Schelling的观点,他曾经说过:“所有现象都由一个绝对和必然的规律相互关联,并可以从中推导出。”

Ørsted何时 发表了他的发现?

在他发现电磁学三个月后,1820 年 7 月 21 日,Ørsted 宣布了他的发现。据 Ørsted 说,他等待着发表他的发现,因为他想确定他的结果,这将是一个革命性的发现,与当时大多数科学观点相悖。在进行了多次的实验后,他确信电流会产生磁力

显示由铜和锌组成的伏特电池的示意图,其中蓝色为电解质,灰色为锌,橙色为铜。
铜锌伏特电池示意图。图片由 Borbrav 提供,svg 版本由 Luigi Chiesa 提供。通过Wikimedia Commons获得许可(CC BY-SA 3.0)。

电磁学的发现是在科学史上的革命时期出现的。例如,20 年前,即 1800 年,意大利物理学家 Alessandro Volta 发明了伏特电池,即第一块电池。像这样轰动一时的发现发布后,19 世纪的科学家们致力于扩展这些发现并设计新的设备。其中一位科学家就是 Michael Faraday,他在研究 Ørsted 的工作后,发明了第一台电动机。

为什么 电磁学在今天很重要?

今天,由于电磁学的存在,技术和我们周围的世界变得更加先进。除了开发出第一台电动机外,这一发现还带来了其他实用设备的发展,包括:

  • 安培表
  • 电磁铁
  • 变压器
  • 发电机
  • 电报机
COMSOL Multiphysics® 软件中模拟的发电机的三维几何结构。
一个E 形铁心变压器模型。

COMSOL Multiphysics® 软件中发电机的完整几何结构(左)和 E 形铁心变压器模型(右)。

如今,我们可以通过多物理场仿真进一步研究和优化这类设备。例如,左图显示了简化的 3D 发电机模型,而右图显示了单相 E 形铁心变压器的瞬态仿真。

为了庆祝电磁学发现 200 周年,让我们深情缅怀 Hans Christian Ørsted,因为他大胆思考并发现了这一重要的物理学分支!

延伸阅读

  • 阅读 COMSOL 博客,了解其他研究电磁学的科学家:
    • André-Marie Ampère,一位法国物理学家,在了解了 Ørsted 的实验后帮助定义了电和磁之间的理论
    • James Clerk Maxwell,一位苏格兰科学家,他发现了麦克斯韦方程,或一组描述电场和磁场如何相互作用的方程

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