3.8 电磁感应的发现

电流的磁效应得到发现之后，人们自然会想到，既然电能生磁，为什么磁不能生电？这件事成了很多科学家共同关心的问题。

1820 年，就在奥斯特发现电流磁效应之后不久，就有人宣布“成功地”实现了磁生电。这一消息虽然轰动一时，却很快就被别人否定了。人们设计了各种实验，试图找到磁生电的踪迹，但无不以失败告终。例如，瑞士物理学家科拉顿（J.D.Colladon）在 1825 年做过这样的实验，他把磁铁插入闭合线圈，试图观察线圈是否会产生感应电流。然而，他为了避免磁铁对电流计的影响，特意把电流计放在隔壁房间里，他一个人做实验，只能来回奔跑。他先在一个房间里把磁铁插入线圈，再跑到另一房间里去观察电流计的偏转。每次得到的都是零结果，他已经接近发现的边缘，但实验的安排有问题，失去了观察到瞬时变化的良机。

也有人遭遇到了涉及电磁感应的现象，却无力抓住现象的本质，上面提到过的塞贝克 1825 年所做的磁摆衰减实验实际上就是一种电磁阻尼现象。这一现象实际上三年前阿拉果就已经发现了。他在 1822 年到格林威治附近的山上用磁针测量地磁时，偶然发现放在磁针下面的金属块对磁针的振荡会产生阻碍作用。1824 年阿拉果把磁针当作单摆，让它在铜盘上方摆动，发现磁针的摆动会很快衰减；如果让磁针停下不动，转动下面的铜盘，就会发现磁针也跟着转动。这些实验实际上都是电磁感应的具体例证，因为正是导体在运动中切割了磁力线从而在导体内部产生了感应电流。但在当时，阿拉果无力对自己的实验作出解释，而是如实地向公众宣布了实验结果，并于第二年因此获得了科普勒奖，这足以说明阿拉果的铜盘实验在当时受到何等的关注。毕奥认为铜盘在运动中产生了磁性，而安培提出铜盘在运动中产生了电流，都没有找到问题的实质。

上述这些实验经过法拉第一一重复，作了研究，尽管当时法拉第也无法作出明确的说明，但是所有这些实验事实都成了他的佐证，坚定了他磁生电的信念，并最终导致他在 1831 年发现了电磁感应现象。

法拉第和奥斯特一样，笃信自然力的统一，很早就开始寻找“磁生电”的迹象。从 1824 年到 1828 年，法拉第多次进行电磁学实验。他仔细分析了电流的磁效应，认为电流与磁的相互作用除了电流对磁、磁对磁、电流对电流，还应有磁对电流的作用。他想，既然电荷可以感应周围的导体使之带电，磁铁可以感应铁质物体使之磁化，为什么电流不可以在周围导体中感应出电流来呢？于是他做了一系列实验，想寻找导体中的感应电流。

例如，1824 年 11 月，法拉第第一次试图观察磁生电的现象，这次实验没有成功。1825 年 7 月，法拉第又做了一次实验来寻找磁生电现象，再次得到否定的结果。同年 11 月，法拉第做了第三次实验，这次差一点获得成功。他把一根 4 英尺长的导线接在电池的两极上，把另一根导线接在电流计上，两根导线平行放置，中间只隔两张薄纸。当前一根导线中通入电流时，他没有观察到另一根导线上的电流计指针有任何动静。然后，他又把前一根导线弯曲成螺线管，把另一根导线放入线圈中。当前一根导线接通电源时，仍未能发现第二根导线上的电流计指针的偏转。

如果电流计足够灵敏，如果电源足够强，在接通电源或者切断电源的瞬间，法拉第应该能够看到电流计发生偏转。尽管如此，法拉第对磁生电的信念并没有动摇，他逐步领悟到，必须加大电源的强度，并且注意瞬间的变化。

上述失败的尝试，法拉第都在他的实验日记里留下了记录，也多次表达了自己的信念。就在 1831 年 8 月 29 日这一天，法拉第终于取得了突破性的进展。这次他是用一个软铁圆环（如图 3 – 41 中的插图），环上绕两个互相绝缘的线圈 A 和 B。线圈 A 和电池连接，线圈 B 用一导线连通，导线下面平行放置一只小磁针，充当检验电流通过的指示器。

法拉第在日记中写道（部分原文见图 3 – 41）：

“1．关于磁生电的实验等等，等等。

“2．用软铁做一个圆铁环，它的厚度（圆铁条直径）是 7/8 英寸，它的外直径（圆环直径）是 6 英寸。在圆铁环的一个半边绕了许多匝铜线，每匝之间用麻线和白布隔开，其中共绕有 3 个线圈，每个线圈都用 24 英尺长左右的铜线绕成。它们可以连在一起使用，也可以分别使用。这 3 个线圈彼此之间是绝缘的，我们把铁环的这半边称为 A。中间隔开一段距离，再在圆铁环的另一半边用两根铜线绕成两个线圈，铜线的总长度大约是 60 英尺，缠绕方向与前面的线圈相同，我们把这半边称为 B。

“3．把 10 个电池连在一起，每个电池电极板的面积是 4 平方英寸。把 B 边的线圈连成一个线圈并将它的两个端点用一根铜线连接起来，铜线经过一段距离（离圆铁环 3 英尺），刚好越过一个磁针的上面一点。然后把 A 边的一个线圈的两端同电池接通，立即就对磁针产生了可以观察到的影响。磁针摆动着，最后又回复到原来的位置上。当切断 A 边线圈与电池的连线时，磁针又一次受到了扰动。

“4．把 A 边 3 个线圈连成一个线圈，使电池的电流流过所有的线圈，对磁针的影响比以前强得多。”[1]

这是法拉第第一个成功的电磁感应实验，但是他并没有完全明白其中的道理。因为他尚未明确指出这一现象的瞬时性。

法拉第分析这个实验成功的关键。如果没有铁质，还会不会有这类现象？于是他用木料做 A，B 线圈的芯子，线圈 A 改接强大的电池组，结果依然有感应，说明电磁感应只和电流的变化有关。如果电流不变，即使电流大到使导线灼热，也不会产生感应。

接着，法拉第又做了一个实验。他取来一根铁棒，在铁棒上绕以线圈，再和电流计相接，铁棒两端各放一根条形磁铁，如图 3 – 43：当铁棒拉进拉出时，电流计的指针会不断摆动。

法拉第继续做实验，他于 1831 年 10 月 17 日以条形磁铁插入线圈，如图 3 – 44，发现在条形磁铁插入和拔出的瞬间，线圈会产生感应电流。

他把铁棒运动和磁铁运动引起的感应称为“磁电感应”，而把先前发现的两个线圈间的感应称为“伏打电感应”，因为两个线圈中有一个是接到伏打电池上的。

同年 10 月 28 日，法拉第把铜盘置于马蹄形磁极之间，如图 3 – 45。从铜盘的轴心和边沿引两根导线接于电流计旋转铜盘，就从这两根导线引出了持续的电流。

这样一来，法拉第创造了第一台最原始的直流发电机（图 3 – 46）。

到此为止，法拉第不仅实现了磁生电的理想，而且完全搞清了这一过程的基本规律，明确了电磁感应现象的瞬时性。同时，也给阿拉果和塞贝克的铜盘实验作出了满意的解释。

同年 11 月 24 日，法拉第对各种试验做了总结，向英国皇家学会报告说：他可以把产生感应电流的情况分为五类：①变化中的电流；②变化中的磁场；③运动的稳恒电流；④运动中的磁铁；⑤运动中的导线。

法拉第宣布发现电磁感应之后不久，又有两项有关电磁感应现象的重大发现问世。一是美国的亨利（J.Henry，1797—1878）发现了自感现象。他实际上是在 1829 年 8 月在用电磁铁的装置进行电报机实验时，发现通电线圈在断开时会产生强烈的电火花。这就是所谓的自感现象。但他无法作出解释，就没有公开发表自己的结果，直到得知法拉第发现电磁感应后，才明白了其中的道理，于是在 1832 年 7 月发表第一篇有关电磁感应的论文，其中包括自感现象的发现。二是 1833 年楞茨（H.F.E.Lenz，1804—1865）进一步研究了法拉第对电磁感应现象的说明，他把法拉第的说明与安培的电动力理论结合在一起，提出了确定感生电流方向的基本判据，这就是所谓的楞茨定则。用楞茨自己的话说，就是：

“设一金属导体在一电流或一磁体附近运动，则在金属导体内部将会产生电流，电流的方向是这样的：如果导体原来是静止的，它会使导体产生一运动，正好与该导体现在的运动方向相反，如果该导体在静止时有向该方向或其反方向运动的可能的话。”[2]

法拉第、亨利和楞茨都是用文字定性地表述电磁感应现象的。1845 年才由纽曼（F.E.Neumann，1798—1895）以定律的形式提出电磁感应的定量规律，即感应电动势为

\[\varepsilon  =  - \int {\frac{{\partial A}}{{\partial t}} \cdot dl} \]

其中，A 为纽曼引入的电流的位置函数。

法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应，他还发现了光磁效应（也叫法拉第效应）、电解定律和物质的抗磁性。他在大量实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。

[1] Faraday’s Diary.Bell，1932，Vol.1，279

[2] Magie W F.A Source Book in Physics.MeGraw-Hill，1935.513

发布时间：2024/2/5 下午5:14:58  阅读次数：2403