七電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)主要內(nèi)容一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的背景二、法拉第的研究過程三、其他科學(xué)家的研究四、學(xué)習(xí)法拉第的精神一、電磁現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的背景

1820年,丹麥著名物理學(xué)家奧斯特通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng),揭開了磁現(xiàn)象的本質(zhì).電流的磁效應(yīng)為研究電和磁的關(guān)系翻開了嶄新的一頁．奧斯特實(shí)驗(yàn)很快傳遍歐洲,并被許多物理學(xué)家所證實(shí),因此人們確信電流能產(chǎn)生磁場.很多科學(xué)家提出相反的問題磁能否產(chǎn)生電?并對(duì)此進(jìn)行艱苦的探索.其中,最有成效的是英國物理學(xué)家法拉第.偉大的英國物理學(xué)家、化學(xué)家法拉第出身貧寒，自學(xué)成才，工作勤奮，熱心科普工作，是實(shí)驗(yàn)大師．他發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象、法拉第電解定律和磁致旋光效，提出了力線和場的概念，主張自然界的各種力相互有關(guān)，反對(duì)超距作用的觀點(diǎn)．J.C.麥克斯韋電磁場理論是在法拉第工作的根底上建立的．1791年9月22日．法拉第出生在薩里郡紐因頓一個(gè)貧苦的鐵匠家庭里．5歲時(shí)隨父母到倫敦．在一所普通的日校讀書．13歲時(shí)法拉第在書店中當(dāng)學(xué)徒，起初送報(bào)，后學(xué)裝訂，工余時(shí)間自學(xué)化學(xué)和電學(xué)，并動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證書上的內(nèi)容．他在裝訂不列顛百科全書時(shí)，偶然看到了《電學(xué)》這個(gè)條目，更加激發(fā)了他對(duì)科學(xué)的熱情．1810年2月至第二年9月，聽了J.塔特姆所作的十幾次自然哲學(xué)講演，并開始參加市哲學(xué)學(xué)會(huì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，受到了自然科學(xué)的根底教育．

1812年2月至4月,又在皇家研究所聽了H.戴維的4次化學(xué)講座,每次他都細(xì)心筆錄，清理成稿，而且熱忱地抓住戴維的每個(gè)科學(xué)觀點(diǎn)，轉(zhuǎn)述給市哲學(xué)學(xué)會(huì)的同伴．這年10月法拉第學(xué)徒滿師，寫信給戴維，表示獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè)的決心，并隨信附上自己記錄、裝訂的《H.戴維爵士講演錄》．

1813年3月，經(jīng)戴維介紹進(jìn)皇家研究所任實(shí)驗(yàn)室助手．同年10月，隨戴維去歐洲大陸作科學(xué)考察旅行．1815年5月回皇家研究所，在戴維指導(dǎo)下從事化學(xué)研究．戴維的廣博和深邃的知識(shí)，給法拉第以最重要的影響．1821年，《英國哲學(xué)年鑒》的編輯邀請(qǐng)法拉第撰寫一篇文章，綜合評(píng)述奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)一年來電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論的開展?fàn)顩r．他以極大的熱情投入這項(xiàng)工作，力圖給這一科學(xué)新領(lǐng)域的開展?fàn)顩r以精確的說明．他收集了各種雜志中許多物理學(xué)家的論文，并重復(fù)作了這些論文中所描述的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)．同年10月1日，這篇論文以《電磁學(xué)開展歷史概況》為題發(fā)表在《哲學(xué)年鑒》上．這是法拉第發(fā)表的第一篇電磁學(xué)論文，是他轉(zhuǎn)向電磁學(xué)研究的開始．

1822年阿拉果(D．F．Arago，1786—1853)和洪堡(A．V．Humboldt，1769—1859)在測(cè)定格林威治山的磁強(qiáng)度時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)金屬可以阻尼磁針的振蕩．阿拉果想，既然一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的磁針可以被金屬片所吸引，那末，一個(gè)靜止的磁針也一定可以被一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的金屬片帶走．1825年，他作了一個(gè)圓盤實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)可以繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的銅盤正上方懸掛一根磁針，當(dāng)銅盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁針跟著旋轉(zhuǎn)，但有所滯后．這本來是由于銅盤中產(chǎn)生了感應(yīng)電流的緣故．而他們當(dāng)時(shí)卻作了機(jī)械論的解釋，認(rèn)為是由于金屬盤的旋轉(zhuǎn)離心力使盤中兩種電流體別離而形成電流，這種電流作用于磁針中的分子電流，便擾動(dòng)了磁針．阿拉果的實(shí)驗(yàn)給法拉第留下了深刻的印象，引起了他不斷的思索，他力圖揭開這一令人不解之謎．二、法拉第的研究過程1823年，法拉第繼續(xù)作一系列電磁旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)使他想到既然電對(duì)磁有作用，一定有磁對(duì)電的反響用；既然電流能產(chǎn)生磁，那么磁也一定能產(chǎn)生電流．1825年，他在《科學(xué)季刊》上發(fā)表了一篇文章《在磁影響下的電流》，他寫道：“當(dāng)磁極繞著載流導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能有一種反作用施加在電流上，會(huì)產(chǎn)生明顯的效應(yīng)．據(jù)各種理由預(yù)測(cè)，一個(gè)強(qiáng)磁鐵的磁極接近導(dǎo)線時(shí)會(huì)減少導(dǎo)線中的電流．”1831年10月24日，在法拉第向皇家學(xué)會(huì)提交的論文中談到了探索電磁感應(yīng)的動(dòng)機(jī)．“……一方面，各種電流都伴隨有相應(yīng)強(qiáng)度的磁作用，它的方向與電流的方向呈直角；而另一方面，假設(shè)將電的良導(dǎo)體放入有磁作用的環(huán)境中，在導(dǎo)體內(nèi)竟然完全不會(huì)引起感應(yīng)電流，也不產(chǎn)生任何可覺察到的等效于這種電流的作用，這是很不平常的．”“對(duì)這些問題及其后果的考慮，再加上想從普通磁中獲得電的希望，時(shí)時(shí)鼓勵(lì)著我從實(shí)驗(yàn)上去探求電流的感應(yīng)效應(yīng).”為了實(shí)現(xiàn)磁產(chǎn)生電，法拉第從1824年起作了一系列實(shí)驗(yàn)．1824年12月28日，他在日記上寫道：“期望一個(gè)強(qiáng)磁極接近導(dǎo)線時(shí)通過導(dǎo)線的電流會(huì)受到影響，以便顯示在導(dǎo)線其它局部中的某些反作用效應(yīng)，但是未覺察到任何這類效應(yīng)．”他把不同長短不同粗細(xì)的銅線或銀線作成螺旋線與電流計(jì)和電池相聯(lián)接構(gòu)成一個(gè)回路，把磁極放入螺旋線，并未發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)．

1825年1月28日，他用載流導(dǎo)線進(jìn)行感應(yīng)實(shí)驗(yàn)．

實(shí)驗(yàn)1：用一根直導(dǎo)線與伏打電池的兩極聯(lián)接，使另一根導(dǎo)線與之平行且相距兩張紙的厚度，后者兩端與電流計(jì)相連，未顯示出任何作用．

實(shí)驗(yàn)2：把一根螺旋線與電池兩極聯(lián)接，直導(dǎo)線穿過它，后者兩端連接電流計(jì)，沒有影響．

實(shí)驗(yàn)3：用一根直導(dǎo)線與電池聯(lián)接，在直導(dǎo)線上放一根螺旋線，后者兩端聯(lián)接電流計(jì)，沒有影響．由此他得出結(jié)論：“不能以任何方式從這種聯(lián)線中提供任何明顯的效應(yīng)．”

1828年4月22日，法拉第用一根線把一個(gè)銅線環(huán)固定在導(dǎo)線上并把它懸掛起來，象一個(gè)扭秤一樣．把強(qiáng)磁棒的極穿入環(huán)內(nèi)，假定銅線環(huán)內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，但是把其它磁鐵靠近導(dǎo)線，無論放在什么位置，都沒有任何效應(yīng)產(chǎn)生.年復(fù)一年的實(shí)驗(yàn)，失敗一個(gè)接著一個(gè)，給他帶來了不少的苦惱，但是他并不灰心，他堅(jiān)信電與磁是相互聯(lián)系的，磁一定可以轉(zhuǎn)化為電．正在此時(shí)，英國物理學(xué)家斯特金創(chuàng)造了電磁鐵．他在一塊原來沒有磁性的軟鐵上繞以導(dǎo)線，通電以后，軟鐵就變成具有了強(qiáng)磁性的磁鐵．后來，美國物理學(xué)家亨利改進(jìn)了斯特金的電磁鐵，用彼此絕緣的絲包銅線代替裸銅線，制成能吸引三百公斤鐵的電磁鐵．這些對(duì)法拉第的進(jìn)一步研究有一定的啟發(fā)和幫助．

1831年，法拉第終于取得突破性進(jìn)展．這次他是用一個(gè)軟鐵圓環(huán)，環(huán)上繞兩個(gè)互相絕緣的線圈，用一根銅導(dǎo)線將一個(gè)線圈的兩個(gè)端點(diǎn)聯(lián)接，讓銅線恰好經(jīng)過一根小磁針的上方．然后把電池連接在另一線圈的兩端，這時(shí)立即觀察到小磁針振蕩起來，最后又停在原先的位置上，一旦斷開電池的連接，磁針再次被擾動(dòng)．法拉第又把兩個(gè)線圈繞在一個(gè)鐵環(huán)上，讓一個(gè)線圈通過電鍵接直流電源，另一線圈接電流表，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電鍵接通或斷開的瞬間，另一線圈中產(chǎn)生瞬時(shí)電流．許多年來，那么多有才華的科學(xué)家孜孜以求的問題，答案原來如此簡單．1831年10月24日，法拉第在提交給皇家學(xué)會(huì)的一篇論文中，把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況概括成五類：變化著的電流；變化著的磁場；運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流；運(yùn)動(dòng)的磁；在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體．在《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》19節(jié)中，他還講到感應(yīng)電流的方向：“當(dāng)一條載流導(dǎo)線與另一條與之平行的導(dǎo)線相互接近時(shí)，感應(yīng)電流的方向與施感電流的方向相反．”“它們彼此排斥，反對(duì)相互接近．”“當(dāng)兩線離開時(shí)，感應(yīng)電流的方向與施感電流的方向相同．”“它們彼此吸引，反對(duì)相互別離．”但這只是確定感應(yīng)電流方向的一個(gè)特例，還沒有提出確定感應(yīng)電流方向的普遍法那么．

法拉第在《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》119節(jié)中指出：當(dāng)一塊金屬通過磁極前面或兩極之間時(shí)，所產(chǎn)生的電流與運(yùn)動(dòng)方向成直角．據(jù)此理由他解釋了阿拉果實(shí)驗(yàn)，當(dāng)圓盤在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，感應(yīng)電流的方向近似沿半徑方向，在盤內(nèi)形成閉合的感應(yīng)電流，即渦電流，這個(gè)電流趨向于阻止磁針和圓盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此磁針就隨著圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)起來．

1832年，法拉第發(fā)現(xiàn)在相同條件下不同金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與導(dǎo)體的導(dǎo)電能力成正比(歐姆定律已在1827年得出)，他由此意識(shí)到在電磁感應(yīng)中產(chǎn)生了感應(yīng)“電動(dòng)力”(Electrometiveforce，用現(xiàn)在的術(shù)語應(yīng)為電動(dòng)勢(shì))．這個(gè)“電動(dòng)力”與導(dǎo)體的性質(zhì)無關(guān)，只取決于導(dǎo)線和磁力的相互作用．在閉合回路中感應(yīng)“電動(dòng)力”產(chǎn)生了感應(yīng)電流，在開路中沒有感應(yīng)電流，但感應(yīng)“電動(dòng)力”還存在．法拉第用一根長為220英尺的銅絲繞在一個(gè)圓筒上，線圈的兩端連著一個(gè)電流計(jì)．當(dāng)他用一根磁鐵插入或抽出線圈時(shí)，電流計(jì)就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)；如果磁鐵在線圈中不動(dòng)時(shí)，電流計(jì)就不動(dòng)．于是他得出結(jié)論：只有磁鐵在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)才能產(chǎn)生電流，他把這個(gè)發(fā)現(xiàn)稱作電磁感應(yīng)現(xiàn)象，這種電流叫做感應(yīng)電流．后來，法拉第又改變了實(shí)驗(yàn)方法，他把線圈放在磁鐵的兩極之間，當(dāng)線圈不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈中就能產(chǎn)生持續(xù)不斷的電流．這一重大發(fā)現(xiàn)，為制造發(fā)電機(jī)奠定了根底．磁鐵〔或通電線圈〕與線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)線圈中產(chǎn)生電流，圖〔a〕和圖〔b〕.電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且運(yùn)動(dòng)方向不同，偏轉(zhuǎn)方向也不同．總結(jié):不管什么原因使穿過閉合導(dǎo)體回路所包圍面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化〔增加或減少〕，回路中都會(huì)出現(xiàn)電流，這種電流稱為感應(yīng)電流．在磁通量增加和減少的兩種情況下，回路中感應(yīng)電流的流向相反．感應(yīng)電流的大小那么取決于穿過回路中的磁通量變化快慢．變化越快，感應(yīng)電流越大；反之，就越小．當(dāng)穿過閉合回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，不管這種變化是什么原因引起的，回路中都會(huì)建立起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于磁通量對(duì)時(shí)間變化率的負(fù)值．因此，電磁感應(yīng)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：當(dāng)采用國際單位制時(shí)，比例系數(shù)為1．

注意：“—”號(hào)反映感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與磁通量變化之間的關(guān)系：即選定回路L的繞行方向，規(guī)定：與繞行方向成右手螺旋關(guān)系的磁通量為正，反之為負(fù)．三、其他科學(xué)家的研究

當(dāng)時(shí)在磁產(chǎn)生電方面進(jìn)行探索的并不只是法拉第一個(gè)人，在瑞士、美國和俄國都有人在進(jìn)行這方面的研究．瑞士物理學(xué)家科拉頓曾企圖用磁鐵在線圈中獲得電流，他用一個(gè)線圈與一檢流計(jì)連成一閉合回路，為了使磁鐵不致于影響檢流計(jì)中的小磁針，特意將檢流計(jì)放在隔壁的房間里．科拉頓在一邊用磁鐵棒在線圈中不斷地插入與拔出，然后又跑到另一房間里去觀察檢流計(jì)，但每次都得到零結(jié)果，最終沒有能發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象．

遠(yuǎn)在美國的物理學(xué)家亨利(J．Henry，1797－1878)于1827年也進(jìn)行了電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)．他用紗包銅線在一鐵芯上繞了兩層，然后在銅線中通電，發(fā)現(xiàn)鐵芯上僅僅三公斤的鐵片居然吸起了三百公斤重的物體．亨利以此為開端，終于發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象，他把這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)總結(jié)在《螺旋狀長導(dǎo)線內(nèi)的電氣自感》一文中，因此，從時(shí)間上說亨利先于法拉第獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但他沒有公開發(fā)表這一結(jié)果，為此他十分后侮與沮喪．1832年，俄國物理學(xué)家楞次(，1804－1865)受到法拉第的啟發(fā)，也開始了一系列的電磁實(shí)驗(yàn)，并取得了成果．18