第十三章 3 电磁感应现象及应用

问题

我们知道，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生感应电流。那么，切割磁感线是产生感应电流的唯一方法吗？还有其他方法吗？这些方法有什么内在联系？

划时代的发现

奥斯特发现的电流的磁效应，震动了整个科学界，它证实电现象与磁现象是有联系的。有关电与磁关系的崭新研究领域洞开在人们面前，激发了科学家们的探索热情。人们从电流磁效应的对称性角度，开始思考如下的问题：既然电流能够引起磁针的运动，那么，为什么不能用磁体使导线中产生电流呢？

人们早就认识了磁化现象，知道磁体能使附近的铁棒产生磁性，带电体能在导体上感应出电荷。联系到电流的磁效应，法拉第敏锐地觉察到，磁与电之间也应该有这种“感应”。他在 1822 年的日记中写下了“由磁产生电”的设想，并为此进行了长达 10 年的探索。最初，法拉第认为，很强的磁体或很强的电流可能会在邻近的闭合导线中感应出电流。他进行了很多次尝试，经历了一次次失败，都没有得到预想的结果。1831 年，法拉第把两个线圈绕在一个铁环上（图 13.3–1），一个线圈接电源，另一个线圈接“电流表”。当给一个线圈通电或断电的瞬间，在另一个线圈上出现了电流。他在 1831 年 8 月 29 日的日记中写下了首次成功的记录。

法拉第对科学的热爱以及对科学研究持之以恒、坚韧不拔的态度是他获得巨大成就的重要原因之一。

法拉第从中领悟到，“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。于是，他又设计并动手做了几十个实验，使深藏不露的各种“磁生电”的现象显现而出。他把这些现象定名为电磁感应（electromagnetic induction），产生的电流叫作感应电流（induction current）。

电磁感应的发现使人们对电与磁内在联系的认识更加深入，宣告了电磁学作为一门统一学科的诞生。当初奥斯特发现电流的磁效应时，法拉第曾赞扬道：“它突然打开了科学中一个黑暗领域的大门，使其充满光明。”公正地说，法拉第与奥斯特应该共享这样的荣誉。

产生感应电流的条件

思考与讨论

探究感应电流产生的条件

为了便于分析产生感应电流的条件，我们把“问题”栏目中的实验装置图画成如图 13.3–2 所示的示意图。

金属棒 AB 静止时，电路中没有感应电流产生；AB 沿着磁感线运动时，电路中也没有感应电流；只有 AB 切割磁感线时才产生感应电流。AB 切割磁感线时，磁场没有变化，变化的只有电路 ABCD 的面积。那么，与磁场相关的哪个物理量发生了变化呢？

闭合电路 ABCD 的面积发生了变化，也就是说，穿过电路 ABCD 的磁通量发生了变化。感应电流的产生是否与磁通量的变化有关呢？下面我们通过实验来研究这个问题。

实验

探究感应电流产生的条件

如图 13.3–3，线圈 A 通过变阻器和开关连接到电源上，线圈 B 的两端连接到电流表上，把线圈 A 装在线圈 B 的里面。观察下面几种情况下线圈 B 中是否有电流产生。

开关和变阻器的状态	线圈 B 中是否有电流
开关闭合瞬间
开关断开瞬间
开关闭合时，滑动变阻器不动
开关闭合时，迅速移动滑动变阻器的滑片

请你根据实验现象总结，什么情况下闭合导体回路中产生感应电流。

在上面的实验中，由于迅速移动滑动变阻器的滑片（或由于开关的闭合、断开），线圈A中的电流迅速变化，产生的磁场的强弱也在迅速变化（图 13.3–4），又由于两个线圈套在一起，所以线圈 B 内的磁场强弱也在迅速变化。这种情况下，穿过线圈 B 的磁通量也发生了变化，线圈 B 中有感应电流。

以上实验及其他事实表明：当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中就产生感应电流。这就是产生感应电流的条件。

电磁感应现象的应用

1831 年圣诞节前夕，一次科学报告会上，法拉第当众表演了一个实验。一个铜盘的轴和铜盘的边缘分别连在“电流表”的两端。法拉第摇动手柄使铜盘在磁极之间旋转，“电流表”的指针随之摆动。这是最早的发电机（图 13.3–5）。当时在场的一位贵妇人取笑地问：“先生，您发明的这个东西有什么用呢？”法拉第平静地反问：“夫人，新生的婴儿又有什么用呢？”

后来，根据电磁感应现象制造的最早的发电机这个新生的“婴儿”，果然成长为电厂里巨大的发电机这一改变世界面貌的“巨人”（图 13.3–6），它开辟了人类社会的电气化时代。

生产、生活中广泛使用的变压器、电磁炉等也是根据电磁感应制造的。

STSE

法拉第与电气化时代

法拉第出生于英国的一个铁匠家庭，曾经在一家书店当过学徒。他利用这个条件，读了很多科学书籍，从中获得了丰富的知识。他喜欢做实验，还积极参加科学报告会。1813 年，22 岁的法拉第毛遂自荐，成了著名化学家戴维的助理实验员。

法拉第生活的时代，正值第一次产业革命完成。蒸汽机的普遍应用催生了资本主义大工业，人类进入了工业文明时期，而电力应用的前景已初见端倪。这是一个需要巨人并产生巨人的时代，法拉第生逢其时。当时的英国走在科学技术和工业发展的前列。法拉第看到，伏打电池昂贵、产生的电流小，而自然界中有不少天然磁石。如果可以由磁产生电流，就能获得廉价的电力。他说：“我因为对当时产生电的方法感到不满意，因此急于发现磁与感应电流的关系，觉得电学在这条路上一定可以充分发展。”

在 10 年的探索中，法拉第遭遇了多次失败。在他当年的日记中 “未显示作用”“毫无反应”“不行”等词语，记录着艰苦的探索历程。法拉第在晚年曾感叹：“世人何尝知道，在那些流过科学家头脑的思想和理论中，有多少被他们自己严格的批判和无情的质疑消灭了。就是最有成就的科学家，得以实现的建议、猜想、愿望和初步判断，也不到十分之一。”

法拉第发现电磁感应现象，是与他坚信各种自然现象是相互关联的，各种自然力是统一的、可以互相转化的思想相关的。他还认为电磁相互作用是通过介质来传递的，并把这种介质叫作“场”，他还以惊人的想象力创造性地用“力线”（即现代物理学中的“磁感线”）形象地描述“场”的物理图景。

法拉第鄙视金钱、地位和权势。他谦虚、朴实、安于清贫，谢绝了皇家学会会长、皇家研究院院长、伦敦大学教授等职位和头衔，也不肯接受贵族爵位。

1867 年 8 月 25 日，法拉第坐在书房的椅子上平静地离开了人世。法拉第把一生献给了科学事业。生活在电气化时代的我们，应该永远缅怀法拉第。