第2章 电流计

2.1 电流的磁效应

在古希腊和中国古代，人们都是把静电现象和磁现象并列表述的，有时甚至混为一谈。后来直到1600年，吉尔伯特（William Gilbert，1540—1603）才明确指出，电和磁是两种截然不同的现象。1785年后，库仑（Charles Augustin Coulomb，1736—1806）再次指出“电与磁是完全不同的实体”。安培也说过：“电和磁是相互独立的两种不同的流体。”

托马斯·杨（Thomax Young，1773—1829）在他的《自然哲学讲义》中说：“没有任何理由去设想电与磁之间存在任何直接的联系。”

伏特在1800年发明了电堆以后，激发了许多科学家去探索电和磁两者之间关系的热情。丹麦哥本哈根大学（University of Copenhagen）教授汉斯·克利斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Oersted，1777—1851）于1820年4月第一次发现了电流引起的磁针偏转（见图2-1）。

图2-1 奥斯特的实验——电流的磁效应。

奥斯特的发现引起了科学界的巨大轰动，受到了极高的评价，奥斯特的发现使人类由静电时代跨入了流电时代。很快，在法国科学院，阿拉果（Dominique Francois Jean Arago，1786—1853）发现了磁化现象，他又和约瑟夫·路易·盖-吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac，1778—1850）制成了第一个电磁铁。毕奥（Jean-Baptiste Biot，1774—1862）、萨伐尔（Felix Savart，1791—1841）、拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749—1827）得出了毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律（简称毕-萨-拉定律）。

安德烈·玛丽·安培（André-Marie Ampère，1775—1836，见图2-2）也在这一时期，创立了早期的电动力学。判断磁针在通电导体的影响下发生偏转方向的安培定则、通电螺旋管的特性、平行导体间作用力、安培定律、安培环路定理等概念和理论都是在这一时期完成的。后来，麦克斯韦高度评价安培的功绩，他称安培是“电学中的牛顿”。

图2-2 安德烈·玛丽·安培，法国物理学家。

特别是，安培及时地、奠基性地引入了“电流”一词。就像富兰克林把charge一词引用到静电学中，把它赋予“电荷”的物理学专门概念一样，安培把拉丁语单词courant一词引入了当时被称为流电学的研究中，并把它赋予“电流”的物理学专门概念。courant一词的原意是“水流或气流”，其法语单词与拉丁语同为courant，在英语中则是current。在安培引入这个词的初期，有时为了说明是电流而不是水流或气流，前面还要加上一个“电的”（electric），使用electric current。后来，只用current作为电流，也不会产生歧义了。

安培的确就是把电的流动类比为水的流动，今天看来，这种类比是合理的，它们之间存在数学上的形似性。他认为导体中电荷的流动就像水管中水的流动。

安培在他的著作里专门澄清了当时还比较容易混淆的一些与电有关的概念。他首先区分静电学和动电学。他认为静电可以用静电计进行测量（实际上是测量电位），对于电流的测量，安培认为最好的方法是利用电流的磁效应（实际上是测量电流强度），但即使是动电，在电路接通之前和接通之后，也都可以用静电计进行测量（实际上是测量电位）。

在安培时代，还没有电位（电压）和电流的明确定义，一些基本的概念还比较模糊，电位和电流的概念和测量单位更是在后来才定义的。

当时人们习惯说：“电的流动”，但是那时存在着正电荷与负电荷的双流质说，因此在对电荷到底怎么流的看法上产生了混乱。安培建议对整个过程统称为“电流”，暂不追究物体内部发生的细节。他的这个观点，分开宏观现象与微观机理的研究，使工作更容易展开。安培对电流的方向约定为所设正电荷的流动方向，这使电流有了确定的含义，使人们在描述电磁现象时避免了混乱。安培将正电荷流动的方向定为电流的方向，这在今天人们认识到金属的物质结构以后，知道他确实搞反了，但这个定义仍然始终保持了下来。

把静电学中的电荷的电量和动电学中的电流明确联系起来，并且确定其数量关系的工作是后来的德国物理学家费希纳（Gustav Theodor Fechner，1801—1887）在1845年才完成的。