法拉第電磁感應定律

論文題目：法拉第與電磁感應定律論文摘要：電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是電磁學發(fā)展史上的一個重要的成就，它進一步揭示了自然界中電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象間的聯(lián)系。本文簡要地介紹了電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程和法拉第電磁感應定律的確立，重點闡述了電磁感應現(xiàn)象的探索研究及其發(fā)現(xiàn)歷程。關(guān)鍵詞電磁感應現(xiàn)象；電現(xiàn)象；磁現(xiàn)象；電磁感應定律Faraday'slawofelectromagneticinductionPaperAbstract:Thediscoveryofthephenomenonofelectromagneticinductionisthehistoryofthedevelopmentofelectromagnetismanimportantachievement,itfurtherrevealsthenatureofthephenomenonofelectricandmagneticphenomenalinkages.ThispaperdescribesthephenomenonofelectromagneticinductionandFaraday'sdiscoveryoftheestablishedlawofelectromagneticinduction,focusesonthephenomenonofelectromagneticinductionandfoundthatthecourseofexplorationandresearch.Keywords：Thephenomenonofelectromagneticinduction;Electricalphenomenon;Magneticphenomena;Lawofelectromagneticinduction.法拉第電磁感應定律引言電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是電磁學發(fā)展史上的一個重要的成就，它進一步揭示了自然界中電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的內(nèi)在本質(zhì)聯(lián)系。促進了電磁理論的發(fā)展，證實了自然科學中統(tǒng)一的哲學觀點。同時由于電磁感應定律的確立，使得電能得以廣泛的應用，引發(fā)了第二次科技革命。使得現(xiàn)代的電力工業(yè)和電工以及電子技術(shù)得以建立和發(fā)展。1科學家對電磁感應現(xiàn)象的探索1.1電流的磁效應（奧斯特）在物理學的發(fā)展史上有很長一段時期內(nèi)未找到電與磁的聯(lián)系，那個時候電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象是被分別進行研究的尤其是物理學家吉爾伯特與庫侖都認為電與磁是兩種截然不同的現(xiàn)象。它們之間沒有任何聯(lián)系和一致性，也正是這樣的思想一直充斥著人們的大腦，使電磁的研究一直不能有更好的進展。電與磁之間究竟有沒有聯(lián)系呢？電真的不能生成磁嗎？雖然有庫侖那樣的物理巨匠否認電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象間的關(guān)聯(lián)，可是丹麥物理學家奧斯特一直相信著電與磁之間一定有著某種聯(lián)系，并且開始了電磁統(tǒng)一性的試驗研究。1820年4月的一天晚上奧斯特做完了他的有關(guān)電和磁的演講后，做了一個對以后電磁學發(fā)展有著重要意義的試驗，正是這個試驗從此打開了電磁研究的大門，讓一個個震驚世界的理論問世。整個試驗的過程是這樣的：他在一個小伽伐尼電池的兩極間接上一根很細的鉑絲，在鉑絲的正下方放一枚小磁針，然后接通電源，小磁針微微的晃動，轉(zhuǎn)到了與鉑絲垂直的方向。就這一下小小的擺動，動搖了整個物理界的傳統(tǒng)的觀點，尤其是庫侖等人的觀點：電與磁是兩種截然不同的現(xiàn)象。當時的奧斯特看到了小磁針的擺動這一情況，他震驚了。隨后他又改變了電流的方向，發(fā)現(xiàn)小磁針向相反的方向偏轉(zhuǎn)。這說明了電與磁之間是有著某種內(nèi)在的本質(zhì)的聯(lián)系。而且電流的方向與磁針的轉(zhuǎn)動之間也有著一定的聯(lián)系。為了進一步揭示電流與小磁針間的內(nèi)在的聯(lián)系，弄清楚它們之間的關(guān)系。奧斯特隨后又費了三個月的時間做了六十多個試驗，他把小磁針分別放置在通有電流的導線的上方和下方，考察電流對小磁針作用的方向；把小磁針放置在距導線不同的距離，考察電流的強弱對小磁針的作用；還把一些介質(zhì)放置在電流導線與小磁針之間，考察電流對小磁針的影響。經(jīng)過奧斯特的不懈努力反復試驗，最后終于查明了電流的磁效應沿著導線的螺旋方向。1820年7月21日，奧斯特發(fā)表了自己的論文，“8月26日終于獲得成功。這次實驗因為是用伏打電池在給一組線圈通電的瞬間，在另一組線圈獲得的感生電流，他稱之為“伏打電感應”。同年10月作為19世紀偉大實驗物理學家的法拉第。他并不滿足于現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，還力求探索現(xiàn)象后面隱藏著的本質(zhì)；他既十分重視實驗研究，又格外重視理論思維的作用。1837年他發(fā)現(xiàn)電介質(zhì)對靜電過程的影響，提出了以近距“鄰接”作用為基礎(chǔ)的靜電感應理論。不久以后，他又發(fā)現(xiàn)了抗磁性。在這些研究工作的基礎(chǔ)上，他形成了“電和磁作用通過中間介質(zhì)、從一個物體傳到另一個物體的思想?！庇谑?，介質(zhì)成了“場”的場所，場這個概念正是來源于法拉第。正如愛因斯坦所說，引入場的概念，是法拉第的最富有獨創(chuàng)性的思想，是牛頓以來最重要的發(fā)現(xiàn)。牛頓及其他學者的空間，被視作物體與電荷的容器；而法拉第的空間，是現(xiàn)象的容器，它參與了現(xiàn)象。所以說法拉第是電磁場學說的創(chuàng)始人。他的深邃的物理思想，強烈地吸引了年輕的麥克斯韋。麥克斯韋認為，法拉第的電磁場理論比當時流行的超距作用電動力學更為合理，他正是抱著用嚴格的數(shù)學語言來表述法拉第理論的決心闖入電磁學領(lǐng)域的。法拉第一生熱愛真理，熱愛人民，真誠質(zhì)樸，作風嚴謹，這樣的感人事跡很多。他說：“一件事實，除非親眼目睹，我決不能認為自己已經(jīng)掌握?！薄拔冶仨毷刮业难芯烤哂姓嬲膶嶒炐?。”在1855年給化學家申拜因的信中說：“我總是首先對自己采取嚴厲的批判態(tài)度，然后才給別人以這樣的機會?！痹谝淮问姓軐W會的講演中他指出：“自然哲學家應當是這樣一些人：他愿意傾聽每一種意見，卻下定決心要自己作判斷；他應當不被表面現(xiàn)象所迷惑，不對某一種假設(shè)有偏愛，不屬于任何學派，在學術(shù)上不盲從大師；他應當重事不重人，真理應當是他的首要目標。如果有了這些品質(zhì)，再加上勤勉，那么他確實可以有希望走進自然的圣殿?！彼沁@樣說的，也確實是這樣做的。1857年，皇家學會學術(shù)委員會一致決議聘請他擔任皇家學會會長。對這一榮譽職務(wù)他再三拒絕。他說：“我是一個普通人。如果我接受皇家學會希望加在我身上的榮譽，那么我就不能保證自己的誠實和正直，連一年也保證不了?！蓖瑯拥睦碛?，他謝絕了皇家學院的院長職務(wù)。當英王室準備授予他爵士稱號時，他多次婉言謝絕說：“法拉第出身平民，不想變成貴族”。1867年后世的人們，選擇了法拉作為電容的國際單位，以紀念這位物理學大師。在電學方面，法拉第研究負載直流電的導體與附近磁場之間的關(guān)系，在物理學中建立起磁場這個概念。他發(fā)現(xiàn)了電磁感應、抗磁性及電解。另外，他也發(fā)現(xiàn)磁場能對光線產(chǎn)生影響，進而發(fā)現(xiàn)兩者間的基本關(guān)系。另外，法拉第還發(fā)明了一種依電磁轉(zhuǎn)動的裝置，為電動機的前身。雖然法拉第只受過很少的正式教育，這使得他的數(shù)學程度相對有限，但不可否認，法拉第仍是歷史上最偉大的科學家之一。法拉第電磁感應定律陳述——隨時間改變的磁場會創(chuàng)造與磁場強度成正比的電動勢。2.2法拉第電磁感應定律的發(fā)現(xiàn)過程法拉第在1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象不是偶然的，同他的堅持不懈是分不開的。從實驗的一次次失敗到失敗，最終發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象。1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應后，磁與電之間的關(guān)系就被人們的廣泛的關(guān)注著。我們再追溯到1821年，當時的法拉第正在英國皇家研究院做化學助理實驗員。而就在這個時候英國《哲學年鑒》的主編約請戴維撰寫一篇關(guān)于奧斯特的發(fā)現(xiàn)以來電磁學的實驗理論發(fā)展概況的文章，而戴維就把這項工作交給了當時的法拉第。法拉第在準備文章的過程中收集整理了大量的電磁學文獻資料。正是這個過程使法拉第對電磁現(xiàn)象產(chǎn)生了極大地熱情，并且開始了他的電磁學的研究。法拉第在仔細的分析了電流的磁效應等現(xiàn)象后，認為既然電能夠產(chǎn)生磁，反過來根據(jù)自然界的對稱性，磁也同樣是能夠產(chǎn)生電的。正是由于法拉第堅信這一理念，使他最終發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，這一想法也為日后人類利用電能奠定了基礎(chǔ)。在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象之前，他也有著許多的錯誤的指導思想。法拉第就曾經(jīng)這樣認為：既然磁鐵可以使鄰居的鐵礦感應上磁，靜電荷也可以使臨近的導體中感應出電荷，那么電流也可以使臨近的線圈中感應出電流。雖然這種指導思想的錯誤，但是他本著磁能生電的信念，在他發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的六年前的日記中就寫下了他偉大光輝的思想：“磁能轉(zhuǎn)化電”。并且開始使用了“感應”這個詞。實驗的開始階段，由于法拉第錯誤的認為用磁鐵靠近導線，導線就會產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，或者在一根導線里通以強大的電流，那么在它臨近的導線中也會產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。所以實驗沒有什么進展。此時我們發(fā)現(xiàn)法拉第他只是關(guān)注了穩(wěn)態(tài)的條件，沒能想到感生電流產(chǎn)生的暫態(tài)條件。進過多次的努力的結(jié)果是失敗了。沒能向他想象的那么產(chǎn)生了感生電流。在1825年1月由于法拉第的錯誤的指導，致使他的三個實驗全都以失敗告終。實驗一：法拉第將兩根直導線扭在一起，其中一根接在電池兩極上，另外一根接在電流計上。本著法拉第自己的想法，在一根直導線中通以電流，那么在它臨近的線圈中也會有感生電流產(chǎn)生，這樣在另外的一根導線中就應該能有電流產(chǎn)生，電流計指針就要偏轉(zhuǎn)。也就是他自己認為的“電流感生電流”的推理，另外一根導線中有電流產(chǎn)生，電流計指針就要偏轉(zhuǎn)。而實驗的結(jié)果是電流計指針紋絲不動。實驗二：把一空心的螺線管的兩端接在電池的兩極上，再把一根直導線引進螺線管中，直導線的兩端聯(lián)結(jié)在電流計上。觀察導線中的電流的有無，令法拉第失望的是他還是沒看到自己預想的結(jié)果，沒有看到電流計指針的偏轉(zhuǎn)。直導線中沒有感生電流的產(chǎn)生。實驗三：這個實驗類似于實驗二，同樣是把一空心螺線管的兩端接在了電池的兩極，不同的是這次法拉第把直導線放在了螺線管的外面，直導線的兩端也同樣兩著電流計，還是很遺憾法拉第還是沒看到自己的預想的結(jié)果。電流計的指針沒有偏轉(zhuǎn)，直導線中還是沒有感生電流。經(jīng)過十年的實驗，失敗，再實驗，再失敗的不斷的努力。于1831年，法拉第終于發(fā)現(xiàn)，一個通電線圈的磁力雖然不能在另外一個線圈中引起電流。但是當通電線圈的電流剛接通或者剛中斷的時候，另一個線圈中的電流計指針有微小偏轉(zhuǎn)，但是又立刻回到了原來的位置。法拉第眼前一亮，沒有放過這個異常的偏轉(zhuǎn)，緊緊的抓住了它。之后法拉第又經(jīng)過多次的反復實驗都證實了當磁作用力發(fā)生瞬間的改變時，另外的一個線圈就會有感生電流產(chǎn)生。在1831年8月29日，法拉第在他的實驗日記中第一次記載了有關(guān)的電磁感應現(xiàn)象：“已經(jīng)定做一個鐵環(huán)（軟鐵），鐵環(huán)直徑為八分之七英寸，鐵環(huán)外徑為六英寸，在環(huán)的半邊用銅線繞城許多線圈。線圈之間用麻線或者白布所隔（繞線圈的）的三條長銅線各長二十四英尺，他們既可以成一條長的，也可以分開使用，用一電池來做實驗。每個線圈與其他線圈絕緣。假設(shè)環(huán)的一邊為，在另外一邊，要空開一個間隔。纏上兩根導線，他們的總長大約六十英尺，其方向同前面的線圈一樣，稱為。使一個有十對極板，每板有四平方英寸的電池充電。用銅導線將一個線圈，，或者更確切的說把邊的一個線圈的兩個端點聯(lián)結(jié)，讓銅導線通過一段距離，恰好經(jīng)過一根磁針的上方（距離鐵環(huán)三英尺遠），然后把電池聯(lián)結(jié)到A邊的一個線圈的兩端。這個時候立即可以觀察到磁針上的效應——它振蕩起來了。最后又停在了原來的位置上。一旦斷開端與電池的聯(lián)系，磁針再次被擾動。”法拉第把這個實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象稱為“伏打感應”，意指由伏打電池激發(fā)的電流感應。電磁感應現(xiàn)象終于第一次被詳細描述。法拉第電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)有著他不懈的努力，一次次的試驗，一次次的失敗。但是也有著他幸運的一面。假若當時他先把A便線圈兩端接上電池兩極，使A線圈中先通有電流，那么就沒有小磁針的擺動。這也是他能發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的關(guān)鍵一步。也正是法拉第的觀察細微才能有了電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。同瑞士科學家拉頓相比法拉第也算是個幸運兒。同年，也就是1831年9月同年10月1日，他把兩組間繞的線圈纏在同一個圓柱形木芯上，也同樣觀察到了“10月17日法拉第在一個直徑為四分之三英寸，長八英寸的空芯紙筒上繞了八個線圈，把們并聯(lián)起來，再與一電流計聯(lián)結(jié)，然后他把磁棒插入紙筒時發(fā)現(xiàn)，電流計的指針突然發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，然后又很快的回到了平衡位置。當法拉第把磁棒抽出紙筒時，電流計的指針又偏向了另外的一邊，接著又回到了平衡位置。這個現(xiàn)象表明不僅伏打電池在閉合或者斷開的瞬間可以激發(fā)電流，磁體相對與線圈的運動也能激發(fā)電流，法拉第稱這個現(xiàn)象為“磁感應”10月根據(jù)自己實驗的結(jié)果以及實驗中觀察到的現(xiàn)象，法拉第總結(jié)了電磁感應的發(fā)現(xiàn)，把可以產(chǎn)生感生電流的情況概括為五點：第一種情況是變化的電流可以感生出電流;第二種情況是變化的磁場可以感生出電流；第三種情況是運動的穩(wěn)恒電流可以感生出電流；第四種情況是運動的磁鐵可以感生出電流；第五種情況是在磁場中運動的導體也同樣可以感生出電流。在1831年他正確的指出了感應電流與原電流的變化有關(guān)，而與原電流本身無關(guān)。并把述現(xiàn)象定名為“電磁感應現(xiàn)象”至此法拉第劃時代的發(fā)現(xiàn)——電磁感應現(xiàn)象被揭示了，但是電磁感應定律的確立，卻是一直到1851年才被建立的。3電磁感應定律3.1電磁感應定律的數(shù)學表達式法拉第雖然發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，并且最終確立了電磁感應定律。但是由于他數(shù)學知識的貧乏法拉第沒能提出電磁感應定律的數(shù)學表達式，電磁感應定律的數(shù)學表達式最后是由與法拉第同一時代的德國科學家諾曼（）與另一位科學家韋伯共同提出的。若閉合電路為一個匝的線圈，則又可表示為：式中為線圈匝數(shù)，Δ為磁通量變化量，單位為發(fā)生變化所用時間，單位為.為產(chǎn)生的感應電動勢，單位為V。當穿過回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中的感生電動勢的大小和穿過回路的磁通量變化率等成正比，即=這就是法拉第電磁感應定律。

當磁通量增加時，，這時為負值，即感生電流產(chǎn)生的磁場和原磁場方向相向；當磁通量減少時，，這時為正值，即感生電流產(chǎn)生的磁場和原磁場方向相同。中學階段，物理量的大小和方向常常是分開討論的。如=僅反映了它的大小，其方向由楞次定律或右手定則來確定。感生電動勢和磁通量的變化率成正比，不是和磁通量的多少成正比。例如，有一個線圈在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動，當線圈平面轉(zhuǎn)到和磁場垂直，即線圈內(nèi)磁通量達到最大時，它的變化率卻最小，這時感生電動勢為零。而當線圈轉(zhuǎn)到和磁場平行，即穿過線圈的磁通量為零時，磁通量的變化率卻達到最大，這時產(chǎn)生的感生電動勢達到最大值。3.1.1.（普適公式）（法拉第電磁感應定律，感應電動勢(V)，感應線圈匝數(shù)，:磁通量的變化率）。(切割磁感線運動)中的和不可以和磁感線平行，但可以不和磁感線垂直，其中為或與磁感線的夾角。（:有效長度()。（交流發(fā)電機最大的感應電動勢）(:感應電動勢峰值)。（導體一端固定以旋轉(zhuǎn)切割）（:角速度()）。3.1.2.感應電動勢的正負極的判斷感應電動勢的正負極可利用感應電流方向判定（電源內(nèi)部的電流方向：由負極流向正極）。3.2感應電流產(chǎn)生條件感生電流的產(chǎn)生條件主要有兩點：其一電路是閉合且通的；其二穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。3.3法拉第電磁感應定律的重要意義法拉第的實驗表明，不論用什么方法，只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有電