七電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

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

1820年,丹麥著名物理學家奧斯特通過實驗發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應,揭開了磁現(xiàn)象的本質.電流的磁效應為研究電和磁的關系翻開了嶄新的一頁．奧斯特實驗很快傳遍歐洲,并被許多物理學家所證實,因此人們確信電流能產(chǎn)生磁場.很多科學家提出相反的問題磁能否產(chǎn)生電?并對此進行艱苦的探索.其中,最有成效的是英國物理學家法拉第.偉大的英國物理學家、化學家法拉第出身貧寒，自學成才，工作勤奮，熱心科普工作，是實驗大師．他發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(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，反對超距作用的觀點．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貧苦的鐵匠家庭里．5歲時隨父母到倫敦．在一所普通的日校讀書．13歲時法拉第在書店中當學徒，起初送報，后學裝訂，工余時間自學化學和電學，并動手做實驗，驗證書上的內(nèi)容．他在裝訂不列顛百科全書時，偶然看到了《電學》這個條目，更加激發(fā)了他對科學的熱情．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講演，并開始參加市哲學學會的學習活動，受到了自然科學的根底教育．

1812年2月至4月,又在皇家研究所聽了H.戴維的4次化學講座,每次他都細心筆錄，清理成稿，而且熱忱地抓住戴維的每個科學觀點，轉述給市哲學學會的同伴．這年10月法拉第學徒滿師，寫信給戴維，表示獻身科學事業(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)戴維介紹進皇家研究所任實驗室助手．同年10月，隨戴維去歐洲大陸作科學考察旅行．1815年5月回皇家研究所，在戴維指導下從事化學研究．戴維的廣博和深邃的知識，給法拉第以最重要的影響．1821年，《英國哲學年鑒》的編輯邀請法拉第撰寫一篇文章，綜合評述奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應一年來電磁學實驗和理論的開展狀況．他以極大的熱情投入這項工作，力圖給這一科學新領域的開展狀況以精確的說明．他收集了各種雜志中許多物理學家的論文，并重復作了這些論文中所描述的大多數(shù)實驗．同年10月1日，這篇論文以《電磁學開展歷史概況》為題發(fā)表在《哲學年鑒》上．這是法拉第發(fā)表的第一篇電磁學論文，是他轉向電磁學研究的開始．

1822年阿拉果(D．F．Arago，1786—1853)和洪堡(A．V．Humboldt，1769—1859)在測定格林威治山的磁強度時，偶然發(fā)現(xiàn)金屬可以阻尼磁針的振蕩．阿拉果想，既然一個運動著的磁針可以被金屬片所吸引，那末，一個靜止的磁針也一定可以被一個運動著的金屬片帶走．1825年，他作了一個圓盤實驗，在一個可以繞垂直軸旋轉的銅盤正上方懸掛一根磁針，當銅盤旋轉時，磁針跟著旋轉，但有所滯后．這本來是由于銅盤中產(chǎn)生了感應電流的緣故．而他們當時卻作了機械論的解釋，認為是由于金屬盤的旋轉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，便擾動了磁針．阿拉果的實驗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)作一系列電磁旋轉的實驗，通過實驗使他想到既然電對磁有作用，一定有磁對電的反響用；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《科學季刊》上發(fā)表了一篇文章《在磁影響下的電流》，他寫道：“當磁極繞著載流導線運動時，可能有一種反作用施加在電流上，會產(chǎn)生明顯的效應．據(jù)各種理由預測，一個強磁鐵的磁極接近導線時會減少導線中的電流．”1831年10月24日，在法拉第向皇家學會提交的論文中談到了探索電磁感應的動機．“……一方面，各種電流都伴隨有相應強度的磁作用，它的方向與電流的方向呈直角；而另一方面，假設將電的良導體放入有磁作用的環(huán)境中，在導體內(nèi)竟然完全不會引起感應電流，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，時時鼓勵著我從實驗上去探求電流的感應效應.”為了實現(xiàn)磁產(chǎn)生電，法拉第從1824年起作了一系列實驗．1824年12月28日，他在日記上寫道：“期望一個強磁極接近導線時通過導線的電流會受到影響，以便顯示在導線其它局部中的某些反作用效應，但是未覺察到任何這類效應．”他把不同長短不同粗細的銅線或銀線作成螺旋線與電流計和電池相聯(lián)接構成一個回路，把磁極放入螺旋線，并未發(fā)現(xiàn)電流計指針的偏轉．

1825年1月28日，他用載流導線進行感應實驗．

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

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

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

1828年4月22日，法拉第用一根線把一個銅線環(huán)固定在導線上并把它懸掛起來，象一個扭秤一樣．把強磁棒的極穿入環(huán)內(nèi)，假定銅線環(huán)內(nèi)產(chǎn)生了感應電流，但是把其它磁鐵靠近導線，無論放在什么位置，都沒有任何效應產(chǎn)生.年復一年的實驗，失敗一個接著一個，給他帶來了不少的苦惱，但是他并不灰心，他堅信電與磁是相互聯(lián)系的，磁一定可以轉化為電．正在此時，英國物理學家斯特金創(chuàng)造了電磁鐵．他在一塊原來沒有磁性的軟鐵上繞以導線，通電以后，軟鐵就變成具有了強磁性的磁鐵．后來，美國物理學家亨利改進了斯特金的電磁鐵，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．這些對法拉第的進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展．這次他是用一個軟鐵圓環(huán)，環(huán)上繞兩個互相絕緣的線圈，用一根銅導線將一個線圈的兩個端點聯(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．法拉第又把兩個線圈繞在一個鐵環(huán)上，讓一個線圈通過電鍵接直流電源，另一線圈接電流表，結果發(fā)現(xiàn)，當電鍵接通或斷開的瞬間，另一線圈中產(chǎn)生瞬時電流．許多年來，那么多有才華的科學家孜孜以求的問題，答案原來如此簡單．1831年10月24日，法拉第在提交給皇家學會的一篇論文中，把產(chǎn)生感應電流的情況概括成五類：變化著的電流；變化著的磁場；運動的穩(wěn)恒電流；運動的磁；在磁場中運動的導體．在《電學實驗研究》19節(jié)中，他還講到感應電流的方向：“當一條載流導線與另一條與之平行的導線相互接近時，感應電流的方向與施感電流的方向相反．”“它們彼此排斥，反對相互接近．”“當兩線離開時，感應電流的方向與施感電流的方向相同．”“它們彼此吸引，反對相互別離．”但這只是確定感應電流方向的一個特例，還沒有提出確定感應電流方向的普遍法那么．

法拉第在《電學實驗研究》119節(jié)中指出：當一塊金屬通過磁極前面或兩極之間時，所產(chǎn)生的電流與運動方向成直角．據(jù)此理由他解釋了阿拉果實驗，當圓盤在磁場中旋轉時，感應電流的方向近似沿半徑方向，在盤內(nèi)形成閉合的感應電流，即渦電流，這個電流趨向于阻止磁針和圓盤的相對運動，因此磁針就隨著圓盤轉動起來．

1832年，法拉第發(fā)現(xiàn)在相同條件下不同金屬導體中產(chǎn)生的感應電流與導體的導電能力成正比(歐姆定律已在1827年得出)，他由此意識到在電磁感應中產(chǎn)生了感應“電動力”(Electrometiveforce，用現(xiàn)在的術語應為電動勢)．這個“電動力”與導體的性質無關，只取決于導線和磁力的相互作用．在閉合回路中感應“電動力”產(chǎn)生了感應電流，在開路中沒有感應電流，但感應“電動力”還存在．法拉第用一根長為220英尺的銅絲繞在一個圓筒上，線圈的兩端連著一個電流計．當他用一根磁鐵插入或抽出線圈時，電流計就會發(fā)生偏轉；如果磁鐵在線圈中不動時，電流計就不動．于是他得出結論：只有磁鐵在線圈中運動時才能產(chǎn)生電流，他把這個發(fā)現(xiàn)稱作電磁感應現(xiàn)象，這種電流叫做感應電流．后來，法拉第又改變了實驗方法，他把線圈放在磁鐵的兩極之間，當線圈不斷旋轉時，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)電機奠定了根底．磁鐵〔或通電線圈〕與線圈相對運動時線圈中產(chǎn)生電流，圖〔a〕和圖〔b〕.電流計的指針發(fā)生偏轉，且運動方向不同，偏轉方向也不同．總結:不管什么原因使穿過閉合導體回路所包圍面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化〔增加或減少〕，回路中都會出現(xiàn)電流，這種電流稱為感應電流．在磁通量增加和減少的兩種情況下，回路中感應電流的流向相反．感應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，感應電流越大；反之，就越?。敶┻^閉合回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時，不管這種變化是什么原因引起的，回路中都會建立起感應電動勢，且此感應電動勢正比于磁通量對時間變化率的負值．因此，電磁感應定律的數(shù)學表達式：當采用國際單位制時，比例系數(shù)為1．

注意：“—”號反映感應電動勢的方向與磁通量變化之間的關系：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系的磁通量為正，反之為負．三、其他科學家的研究

當時在磁產(chǎn)生電方面進行探索的并不只是法拉第一個人，在瑞士、美國和俄國都有人在進行這方面的研究．瑞士物理學家科拉頓曾企圖用磁鐵在線圈中獲得電流，他用一個線圈與一檢流計連成一閉合回路，為了使磁鐵不致于影響檢流計中的小磁針，特意將檢流計放在隔壁的房間里．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，但每次都得到零結果，最終沒有能發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象．

遠在美國的物理學家亨利(J．Henry，1797－1878)于1827年也進行了電磁感應的實驗．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，他把這個實驗發(fā)現(xiàn)總結在《螺旋狀長導線內(nèi)的電氣自感》一文中，因此，從時間上說亨利先于法拉第獨立地發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，但他沒有公開發(fā)表這一結果，為此他十分后侮與沮喪．1832年，俄國物理學家楞次(，1804－1865)受到法拉第的啟發(fā)，也開始了一系列的電磁實驗，并取得了成果．18