安培分子电流假说

安培提出的电磁学理论

安培认为在原子、分子等物质微粒的内部，存在着一种环形电流——分子电流，使每个微粒成为微小的磁体，分子的两侧相当于两个磁极.通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同，分子间相邻的电流作用抵消，而表面部分未抵消，它们的效果显示出宏观磁性。

分子电流

安培观察到通电螺旋管的磁场和条形磁铁的磁场很相似，提出了分子电流假说。

分子电流，物理学定义。根据物质电结构学说，任何物质（实物）都是由分子、原子组成的，而分子或原子中任何一个电子都不停的同时参与两种运动，即环绕原子核的运动和电子本身的自旋。这两种运动都等效于一个电流分布，因而能产生磁效应。把分子或原子看成一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，统称为分子电流。这种分子电流具有一定的磁矩，称为分子磁矩。

假说内容

磁铁和电流都能产生磁场，磁铁的磁场和电流的磁场是否有相同的起源呢？电流是电荷的运动产生的，所以电流的磁场应该是由于电荷的运动产生的．那么，磁铁的磁场是否也是由电荷的运动产生的呢？我们知道，通电螺线管外部的磁场与条形磁铁的磁场很相似．法国学者安培由此受到启发，提出了著名的分子电流的假说．他认为，在原子、分子等物质微粒内部，存在着一种环形电流——分子电流，分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极.

解释现象

安培的假说能够解释一些磁现象．一根铁棒，在未被磁化的时候，内部各分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外界不显磁性．当铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁化，两端对外界显示出较强的磁作用，形成磁极．磁体受到高温或猛烈的敲击会失去磁性．这是因为在激烈的热运动或机械振动的影响下，分子电流的取向又变得杂乱了.

在安培所处的时代，人们对物质内部为什么会有分子电流还不清楚．直到20世纪初，才知道分子电流是由原子内部电子的运动形成的．安培分子电流的假说，揭示了磁铁磁性的起源，它使我们认识到：磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的．

磁性材料

实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同．根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可粗略地分为三类：顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质．

根据分子电流假说，物质在磁场中应该表现出大体相似的特性，但此表告诉我们物质在外磁场中的特性差别很大．这反映了分子电流假说的局限性．实际上，各种物质的微观结构是有差异的，这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因．

我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质，把铁磁性物质称为强磁性物质．通常所说的磁性材料是指强磁性物质．

磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料．磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去磁的物质叫硬磁性材料．一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大．磁性材料按化学成分分，常见的有两大类：金属磁性材料和铁氧体．铁氧体是以氧化铁为主要成分的磁性氧化物．

软磁性材料的剩磁弱，而且容易去磁．适用于需要反复磁化的场合．可以用来制造半导体收音机的天线磁棒、录音机的磁头、电子计算机中的记忆元件，以及变压器、交流发电机、电磁铁和各种高频元件的铁芯等．常见的金属软磁性材料有软铁、硅钢、镍铁合金等，常见的软磁铁氧体有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等．硬磁性材料的剩磁强，而且不易退磁，适合制成永磁铁，应用在磁电式仪表、扬声器、话筒、永磁电机等电器设备中．常见的金属硬磁性材料有碳钢、钨钢、铝镍钴合金等，常见的硬磁铁氧体为钡铁氧体和锶铁氧体．

随着社会的进步，磁性材料和我们日常生活的关系也越来越紧密．录音机上用的磁带，录像机上用的录像带，电子计算机上用的磁盘，储蓄用的信用卡等，都含有磁性材料．这些磁性材料称为磁记录材料．靠着磁记录材料，我们可以在磁带、录像带、磁盘上保存大量的信息，并在需要的时候“读”出这些信息．磁记录材料在20世纪70年代以前采用磁性氧化物，1978年合金磁粉研制成功之后，开始采用金属磁性材料，从而大大提高了磁记录的性能．现在人们又在使用金属薄膜作磁记录磁性材料．磁记录技术又得到了进一步的提高．

在电磁理论建立的过程中，安培（Amdre MarieAmpere，1755～1836）作出了杰出的贡献，“分子电流假说”的提出就是其中之一．

三部曲

纵观物理学史书籍和有关论文，对“分子电流”思想和形成过程，虽然或多或少有所论述，但尚缺乏一条明晰的线索．笔者认为，安培“分子电流”思想的形成经历了三次认识飞跃，尽管每次相距时间都不长，但可谓一步一个台阶，或曰“三部曲”．

和其他科学家相比，安培具有一个显著特点，那就是在科学上极其敏感，最能接受他人的成果．这一可贵的素质决定了是安培而不是别人提出“分子电流假说”．

1820年9月初，法国物理学家阿拉果（Framcois4rago，1786～1853）从瑞士带回了丹麦物理学家奥斯特（Hans Christian Oersted，1777～1851）发现电流磁效应的消息，立即在法国科学界引起了巨大的反响．安培对此作出了异乎寻常的反应，他于第二天就重复了奥斯特电流对磁针作用的实验．在实验过程中，安培逐步认识到，磁并不是与电分开的孤立现象，而是电的许多特性的一个方面，他试图从电的角度为已发现的电磁现象作出解释．在一周以后即9月18日他向法国科学院提交了第一篇论文，报告了他重复奥斯特实验的结果，迈出了他形成分子电流思想的第一步，提出：圆形电流有起到磁铁作用的可能性．

接着，安培创造性地发展了实验的内容，研究电流与电流之间的相互作用，这比奥斯特的实验又大大前进了一步9月25日他向法国科学院提交了第二篇论文，阐述了他用实验证明了两个平行直导线，当电流方向相同时相互吸引，当电流方向相反对相互排斥的报告．以后他又用各种曲线形状的载流导线，研究它们之间的相互作用，并于10月9日提交了第三篇论文，迈出了形成分子电流思想的第二步，提出：磁体中存在一种绕磁轴旋转的宏观电流．

安培在他的论文中说：“现在来考虑一个电流和一个磁体的相互作用，及两个磁体的相互作用，我们将会发现，这两种情况将受同样的定律支配．只要设在磁体表面上从一极到另一极画出的直线上的一点都建立了一种在垂直于磁轴的平面内（旋转）的电流．经过对所有事实的思考，我们简直不能再怀疑这种围绕磁轴的电流的存在．”

“这样，不期而遇的结果产生了，即磁现象唯一地由电来决定，而且一个磁体的两个极除了它们相对于构成这个磁体的电流外，没有任何差别，磁南极在这些电流的右边，而磁北极在它们的左边”．

安培是个分子论者，他对他的磁体中存在宏观电流的假设是根据伏打（Alessandro Volta，1745～1827）电堆的原理简单地解释的．他认为伏打电池之所以能产生电流，是因为不同金属接触的结果．类似地，磁体中的铁分子的接触也会产生电流．即把磁体看作是一连串的伏打电堆，它们的电流都环绕磁体的轴作同心圆运动．

菲涅耳（Angustin Jean Fresnel，1788～1827）是安培的好朋友，他了解了安培的论文以后，指出安培的这个假设不能成立，即磁体不可能存在安培所设想的宏观电流，否则，由于宏观电流的存在将使磁体生热，但实际上磁体不可能自行地比周围的环境更热一些．菲涅耳在给安培的一封信中建议，为什么不把假定的宏观电流改为环绕着每一个分子的呢？这样，如果这些分子可以排成行，这些微观的电流将会合成所需要的同心电流．

收到了菲涅耳的信后，安培立即放弃了原来的假定而采取了菲涅耳的建议，于1821年1月前后，迈出了分子电流思想的第三步：提出了著名的“分子电流假说”，从而在经典物理的范畴内深刻地反映了物体磁性的本质．

安培对他的“分子电流假说”的解释是，物体内部每个分子中的以太和两种电流质的分解，会产生环绕分子的圆电流，形成一个个小磁体；当它们在外磁场的作用下呈规则排列时，就使物体呈现了宏观磁性．

由此可见，“分子电流”思想的形成经历了“可能性”、“宏观电流”和“分子电流”三个阶段，这符合人们由浅入深、由表及里、由现象到本质的认知过程．“分子电流假说”由安培提出，也是和他所特有的科学素质分不开的．回顾安培所生活的年代，特别是在奥斯特发现电流的磁效应以后，许多科学家都在从事电与磁的联系方面的研究，如：英国的法拉第（MichaelFaraday，1791～1867）法国的毕奥（Jean BaptisteBiot，1774～1862）和德国的塞贝克（Thomas JohannSeebeck，1770～1831）等等．他们都绝非等闲之辈，倘若安培不是及时地重复和发展奥斯特的实验，倘若安培不是立即接受菲涅耳的建议，即倘若安培不具备在科学上极其敏感，最能接受他人成果的独特素质，也许“分子电流假说”的提出者就要易人了．

假说提出初期

按照前面安培对“分子电流假说”的解释，是难以令人接受的．在这个问题上，安培走在了时代的前头．因为在当时，人们还不了解原子的结构，因此不能解释物质内部的分子电流是怎样形成的．直到1911年，卢瑟福（Enrst Rutherford，1871～1937）通过α粒子散射实验的分析和计算，提出一切原子都有一个核，电子象行星一样绕核旋转”的模型以后，才有了轨道磁矩的概念．1922年斯特恩（OttO Steen1888～1969）和盖拉赫（W.Grelach）用银原子成功地做了后来以他们的名子命名的实验，发现原子中还存在一种不能用轨道磁矩来说明的磁矩．为了解释这一问题，乌伦贝克（George Eugene Uhlenbeck，1900～）和高德斯米特（Samnel Abraham Gondsmit，1902～1978）于1925年提出了关于电子具有自旋的假设，成功地解释了斯特恩──盖拉赫实验的结果．今天我们知道，正是原子、分子等微观粒子内电子的这些运动形成了“分子电流”．但是我们不能用同几十年后的物理发展水平来要求安培，否则就过于苛刻了，

“分子电流假说”提出以后，安培虽没有作进一步的说明，但他对他的这个信念是非常坚定的．他曾启发和建议阿拉果用通电螺线管作使其中的钢针磁化的实验．在1820年9月25日，阿拉果向法国科学院报告了该实验的结果．实验的成功又使安培磁的本质就是电的思想得到加强．1821年，他在回答荷兰物理学家万·贝克（Van Beck）的一封信中坚持认为这个假说不仅能够用于磁现象的解释，而且可以用于化学化合和化学亲和力的解释．后者却成了他的学说不能被立即和普遍接受的一个重要原因，因为接受这一学说就意味着接受关于物质结构的一个新的理论．加之当时分子电流模型好象罩着一层薄雾，使人们无法看清楚它．所以“分子电流假说”虽然深刻反映了物体磁性的本质，却遭到了当时多数物理学家的拒绝．

在对“分子电流假说”提出异议的物理学家中，最典型的恐怕要数法拉第了．1822年，他设计了一个实验：在一根玻璃管上缠以绝缘导线，做成螺线管，水平地半浸于水中．然后在水面漂浮一只长磁针．按照安培的观点，螺线管的一端相当于磁南极，另一端相当于磁北极，磁针如果是南极指着螺线管的北极，应当会吸向螺线管的北极并停在北极的一端．法拉第指出，这与实验结果不符．他的实验是磁针的南极继续穿过螺线管，直至接近螺线管的南极．法拉第论证说，如果针是单极的，它就会沿磁感线无休止地运动下去．法拉第认为，和载流螺线管对应的不是实心磁体，而应是圆筒形磁体．

安培反驳说，圆筒形磁体和螺线管并不一样．按照它的分子电流假说，圆筒形磁体中的电流是一小圈一小圈孤，而螺线管中的电流是沿着大圈的．为了证明筒形磁体中的电流是相互抵消的，他当众作了一个演示：

把绝缘导线绕成许多圈，做成线圈．在线圈内部放一个用薄铜片做成的圆环，取一磁体置于圆环近旁，如果铜环里有宏观电流，磁棒就会驱使铜环偏转．否则，只可能有分子电流．安培的实验表明铜环里只有分子电流．

安培后来用马蹄形强磁体重复了上述实验，发现了铜环的偏转．但是他把实验中所感应出来的宏观电流试图也解释为分子电流作用的结果．安培的这种思想直到1825年给赫谢尔（John Herschel，1793～1871）的信中仍在坚持，他在信中说：“这些现象是由电流或磁体对小电流所产生的．”安培虽然没有说这些小电流就是分子电流，但是这些电流具有分子电流同样大小的数量级．这表明，安培对分子电流的思想是非常坚定的．遗憾的是他把感应电流归于他的分子电流，不单独接受感应电流．他以为如果承认了感应电流，则他的分子电流假说理论就无立锥之地了．否则的话，电磁感应现象就有可能提前七、八年被安培而不是法拉第发现了．

在安培“分子电流假说”建立的过程中，还发生了安培与毕奥之间的学术论争．对于这场论争，物理史学家们各有各的看法，但有一点是一致的，即这场论争使安培更清楚地看到了把磁简化为电流的必要性，也使他的“分子电流假说”显得越发明朗起来．

德国物理学家塞贝克也曾反对安培的分子电流假说，他认为磁是更为本质的东西，电流则是磁的作用的结果．

直到后来，安培的观点在19世纪40年代被纽曼（F.E.Neumann，1798～1895）和韦伯（Wilhelm EduardWeber，1804～1891）接受和推广，并发展成为他们的电动力学．

“分子电流假说”提出以后，经历了“不太清楚”、“遭到拒绝”到“逐渐明朗”以致成为发展电动力学的基础几个阶段，这也告诉我们，科学的发现，科学理论的提出以及人们对科学成果的接受，不会都是一帆风顺的，但有益的学术论争可以促进科学的发展．

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