2.1电磁感应——划时代发现.docx

附： 课外阅读扩展资料 法拉第发现磁生电的过程英国的法拉第（ M.Faraday 公元 1791 1867 ）是十九世纪电磁研究领域中最伟大的实验家。 法拉第是一个铁匠的儿子。按他自己的话说：“我所受的教育是最平常的，比在普通的学校中基本的读、写、算多不了多少，我课外的时间还消耗在家里和街道上。”他 13 岁开始，在离家不远的书店和装订厂当童工，成为一名装订学徒工。法拉第十分喜爱阅读经他手的科学书籍。工余之后，法拉第还做些简单的化学实验，每周花上几个便士买些简单用品。 19 岁时，他在晚上还常抽空夫听关于自然哲学的讲座，法拉第的哥哥对他很支持，为他支付入场费用。 21 岁时，法拉第幸运地听了化学大师戴维（ H.Davy ，公元 1778 1829 ）在皇家研究院的四次演讲。这时。法拉第已经成为工厂的正式装订工，但法拉第渴望到科学研究部门里工作。在他想象中，科学部门里的学者一定是和蔼可亲心胸宽广的人。这个想法促使法拉第迈出了人生道路上关键的一步。他大胆地给戴维写了封信，表示了自己想到戴维门下工作的意愿，并将听戴维的演讲所作的工整的笔记也寄了去。戴维收到法拉第的信和笔记本后，受到感动，给法拉第复信，接受了他的请求。 1813 年，法拉第 22 岁，在英国皇家研究院当了戴维的助手。那年秋天，戴维外出旅行，法拉第作为戴维夫妇的秘书随同前往。他们游历了法国、意大利、瑞士等国， 1815 年法拉第回到皇家研究皖。这次长达两年的旅游经历，使法拉第长了不少见识。回国后，法拉第开始了自己的独创性的研究工作。 1821 年， 30 岁的法拉第才结婚。这期间，法拉第已经在化学、光学和声学诸方面取得了很多研究成果，大多数科学家决定推举他为皇家学会会员，而妒忌心却使学会主席戴维反对他的学生当选，然而主席职位的权威未能压住法拉第， 1824 年法拉第被选为皇家学会会员。法拉第并不计较恩师的忌妒心，他总是怀着敬慕的心情称颂戴维的天才，讲到在他早期的科学生涯中，恩师对他的启迪和教诲。 1825 年，法拉第任皇家研究院院长。 19 世纪二十年代，欧洲的科学杂志已有不少，奥斯特的发现及其它有关电的磁方面的实验及理论研究成果传播到了欧洲各国。面对他国的科学成就，英国著名杂志哲学年鉴的主编不甘落后，于 1821 年特意邀请化学家戴维撰写文章，综述奥斯特发现以来一年中电磁学实验与理论的进展概况。戴维把此事交给了法拉第。在收集资料的过程中，激起法拉第对电磁现象要进行研究的极大热情，这样，法拉第就从其它研究课题逐渐转向电磁学方面。 1821 年 9 月 3 日，法拉第重复了奥斯特的实验，他将小磁针放在栽流导线周围的不同地方，发现小磁针的磁极受到电流作用后，有沿着环绕导线圆周旋转的倾向，这比奥斯特的实验前进了一步。据此法拉第还做出了一种磁旋转器。 法拉第仔细分析了电流产生磁效应的许多现象，他认为电流与磁的作用应有几个方面，那就是电流对磁，电流对电流，磁对电流等。在他之前，已经发现了电流产生磁的作用，电流对电流的作用。那么反过来，磁对电流有什么作用呢 ? 法拉第认为既然磁铁可以使近旁的铁块带磁，静电荷可使近旁的导体感应出电荷，那么电流也应当可以在近旁线圈中感应出电流。 1822 年法拉第在日记中写下了他的光辉思想：“磁能转化成电。”从这一年起，法拉第对此进行了系统的探索。开始，他简单地认为用强磁铁靠近导线，导线中就会产生稳定的电流，或者在一根导线里通上电流，在附近的导线中也会产生稳定的电流。按照这条思路，他进行了下述实验。 1825 年，法拉第将一根导线放在另一根导线附近，前一根导线用一个电流计连接起来成为一个闭合回路，后面一个导线中通电流，观测闭合回路，结果没有任何电流显示。 1828 年，法拉第做了另一个实验。用悬丝将绝缘棒中部拴住，使绝缘棒水平无扭转地悬挂着，棒的一端固定了一个铜质闭合线圈，另一端固定一个小的重物配重，用一块条形强磁铁的一极放入线圈内。法拉第认为，如果磁铁对线圈有作用，产生感应电流，这时若再将第二块磁铁靠近线圈，则线圈便会在水平面内转动。但任何转动也未观察到。法拉第又用铜质开环（铜环开个小口），又换铂、银材料做的闭环和开环重复做这一实验，仍然没有观察到感生电流的任何迹象。 法拉第做了近十年的“磁生电”实验。在工作日记中写下了大量的毫无结果的失败记录，厚厚的日记册正是法拉第百折不回、坚持奋斗的见证。他的日记，也记载了科学预见的光辉思想。法拉第坚持写工作日记几十年，直到生命的终结，这在科学史上，也是少见的。 1831 年 8 月，法拉第再一次回到“磁生电”这一重大课题上来。他以往的失败，都在于只研究稳定状态效应，思想上还没有暂态（持续时间很短）效应的概念，更没有去创造条件展现暂态效应。这次法拉第在一只软铁环上绕以两组线圈 A 、 B ，线圈 B 与一电流计连接，当线圈 A 与电池组（由 10 只电池组成）相连的瞬间，电流计的指针偏转了一下，然后又回到原来位置。当线圈 A 与电池组断开时，指针又偏转了一下再回到原来指零位置。法拉第并没有立刻领悟到达一现象的重要意义，只是开始意识到这是一种暂态效应。 同年 9 月 24 日，法拉第将两根条形磁铁支成三角形，即一端的 N 极和 S 极拼在一起成三角形顶用，下端 S 极和 N 极分开，其间安放绕在铁质因往体上的螺旋线圈，线圈与电流计相连。他观察到，每当线圈跟下端的 N 极或 S 极接触一下，或脱离一下，电流计指针就偏转一下。这时法拉第觉察到，这效应和他 8 月份做的实验所显示的效应相似，他立即想到这就是寻找了将近十年的“磁生电”现象。 10 月 1 日，法拉第满怀信心地再次实验。为使效应更加明显，他加大电流，加多绕组线圈。法拉策把长约 186 米用纱布包起来的铜导线绕在很宽的木线筒上，再于绕组线圈上绝缘地绕上同样长度的纱包铜线，将一个绕组和电流计连接，另一个绕组和 100 对金属极组成的电池组连接。他发现，当电键 K 接通和断开与电池的连接时，和另一绕组相连的电流计的指针明显摆动。法拉第还观察到，接通和断开电键 K ，电流计指针是作相反的摆动，但最后都回到原来指零位置。至此，法拉第对磁产生电流的现象已确信无疑。 10 月 7 日，法拉第采用另一种方式进行实验：直接让磁棒运动看能不能产生电流。仍然将一线圈与电流计相连，手持一永久磁棒迅速插入或抽出线圈，他发现电流计指针在插入或抽出的瞬间发生偏转，然后回到原来指零位置。接着，法拉第做了几十个类似的实验，他最终认识了感生电流的暂态性质。 1831 年 11 月 24 日，法拉第向英国皇家学会报告了电磁感应的第一篇具有划时代意义的论文。论文中明确地阐述了他解决电磁感应问题的关键，概括了均能产生感应电流的几种情况：正在变化的电流；正在变化的磁场；稳恒电流的运动；导体在磁场中运动。他将上述现象命名为“电磁感应”至此，法拉第作出了科学史上的伟大贡献揭示电磁感应规律。 电磁感应规律的揭示，也说明英国在电磁学研究领域里赶上和超过了法国。自牛顿以来，英国对自然科学的基本规律和基础理论的研究一直是很重视的，有成就的科学家受到社会的普遍尊敬并享有较高的社会地位。因此，并末在学校受过系统教育的法拉第能在英国取得如此卓著的成就，还是符合情理的事情。 当然，在“磁生电”方面进行探索的，并不是只有法拉第一个人。在俄国、法国、瑞士、美国都有人做过这方面的工作。 上一部分提到，对奥斯特实验反应最快的是法国的安培。他在十九世纪二十年代做了许多实验，也曾朦胧地意识到磁会产生电的效应，但对此安培的信心并不是十分坚定的。他的精力集中在磁性起源的分子电流说，以及他多年从事的试图建立一个全面的电动力学理论上。尽管安培对电磁学做出了许多贡献，但在“磁生电”方面，他一直因于稳态现象，没有考虑暂态效应。和法拉第的早期工作一样，这些实验均未成功。 安培探索“磁生电”的一个有代表性的实验是： 1821 年，他用末扭转的悬丝，把一个闭合铜质圆线圈挂起来，并使它位于另一个稍大的钢质多匝绝缘圆线圈的内部梢大的圆线圈固定在一个绝缘支架上。安培让两线圈处于同一竖直平面内。固定线圈通以大电流，安培认为悬挂的线圈自然就会产生某种较弱的电流。这样，悬挂线圈就相当于一块磁铁（奥斯特的电流产生磁的效应），只要用另外一块强磁铁靠近它，悬挂线圈就会产生转动，但是安培得到的是否定结果，他把实验的失败归之于实验装置的灵敏度不高，却没有从暂态效应方面去考虑。前面说到的 1828 年法拉第的实验工作，实际上就是重复了安培作的这个代表性实验。 仅在奥斯特宣布他的实验发现之后的三个月，法国物理学家菲涅耳就向法国科学院报告过，他将磁铁放入螺旋线圈内，使线圈中产生的电流把水分解了，他宣称已成功地将磁转化为电，但经别人重复实验后，菲涅耳的结果并不真实。但菲涅耳的实验思想，曾使安培、科拉顿等人受到很大启发。 1822 年初，年轻的瑞士物理学家德拉里夫（ A.dela R ive ，公元 1801 1873 ）也曾利用日内瓦的强大得多的磁铁，帮助特地从法国去日内瓦的安培，重复进行了 1821 年安培在法国做的“磁生电”实验。 关于这次合作进行的实验，安培在 1822 年下半年曾写过一份报告给法国科学院。安培在报告中宣称，似乎观察到“磁生电”：当固定线圈中有电流通过时，悬挂线圈中就有感应电流，大磁铁对悬挂线圈的作用力使悬挂线圈偏转，最后这作用力被悬丝的扭力所平衡。当固定线圈中的电流断开后，达一扭力使悬挂线圈回到它的原始位置。 按照这种解释，“磁生电”是在稳定状态下产生并一直存在着的，这显然是不可能的，即便安培在日内瓦的实验中观察到悬挂线圈曾有过偏转产生，但他并没有抓住“暂态”这一关健，真理从他手中溜走了。有趣的是，德拉里夫的助手科拉顿（ J.D.Colladon ，公元 1802 1893 ）几乎就要得到真理，遗憾的是差了一点而未能得到。科拉顿对早先菲涅耳的实验很感兴趣，企图把一块磁铁放入螺旋线圈中，在运动中使线圈产生感生电流。科拉顿和菲涅耳不同，不是用分解水的方法观测电流（这是观测不到的），而是正确的用了一只灵敏电流计。为了排除移动磁铁时操作动作对电流计产生不相干的影响，科拉顿将这只电流计放到了另一间实验室里，用长导线将电流计和螺旋线圈连接起来。可惜的是，没有别人帮助，科拉顿独自一个人从这间房跑到那间房去观察电流计偏转，当然他得不到任何结果。因为移动磁铁时电流计指针摆动他没有看到，等到他走近电流计时，暂态效应已经消失，指针早已回到了指零位置。 美国物理学家亨利（ J.Henry ，公元 1797 1878 ），在不知道安培和法拉第等人的工作的情况下，对电磁感应现象做出了独自的贡献。 1827 年他用纱包铜线在一铁芯上绕了两层，然后在铜线中通电，发现仅重 3 公斤的铁芯竟然吸起了 300 公斤重的物体，亨利以此为开端终于发现了自感现象。亨利把实验结果总结在螺旋状长导线内的电气自感一文中。后人为了纪念亨利，以他的名字定义了自感单位。据说，亨利甚至在法拉第前发现了电磁感应规律，但他并没有公开发表这个结果。 1832 年，在俄国工作的物理学家楞茨（ H.F.E.Lenz ，公元 1804 1865 ），知道了法拉第研究“磁生电”取得了成功，很受鼓舞，也开始进行一系列电磁实验。 1833 年楞茨把他的工作总结在论动电感应引起的电流的方向一文中。文中指出感应电流的方向是这样确定的：它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化方向相反。这是充实、完善电磁感应所做的一大贡献。这就是后人称为的楞茨定律。 楞茨还和焦耳各自独立地对确定电流热效应的规律作出了贡献，这就是有名的焦耳楞茨定律；流过稳定电流的导体所放出的热量，与电流强度的平方、导体的电阻、通电时间这三项乘积成正比。 以上事实说明，揭示重大物理现象的规律，不能看作是个别天才的“灵感”所获，而是人类认识发展的历史产物，是人类社会生产力和科学研究水平发展到一定阶段的必然结果。当然，杰出的科学家所起的带头和关键的作用，也是不能忽视的。拿电磁感应规律来说，在法拉第工作的前后或同时，都有不少科学工作者作了大量的研究，也取得了不少成果。但就其规模、持续时间、对现象本质的认识及听取得的成果而言，部不及法拉第。从法拉第同代人安培的态度变化，也能说明这个问题。 1831 年底，当安培获悉法拉第的成果但尚未详细了解成果的细节内容时，他就急切地、不慎重地发表了一篇论文，企图用他的所谓“电磁感应”来解释他在 1821 年 1822 年的实验。安培的言下之意，在法拉第之前，他已经早就认识了电磁感应。其实，他的这篇急切之作并不比 1822 年写给法国科学院的报告有丝毫进步，照旧没有把握住感生电流是“瞬态效应”这个现象的本质。一时间，在两人长期友好的交往中产生了指责和误会。当激动平静下来，安培从头至尾认真研究了法拉第成果的细节内容，这才恍然大倍。他随即写信给法拉第，承认自己并没有发现电磁感应，以及失败的本质原因；电磁感应是瞬态效应。 由于电磁感应规律的发现，后来人们就制造出发电机。电动机、变压器等电机电器设备，使交流电的利用变为现实，逐渐开创了人类社会的电气化时代。 不论是当时还是后人，把发现电磁感应定律的主要功绩归功于法拉第，这是完全符合历史事实的。更为重要的是，法拉第比别人具有更深邃的物理直觉洞察力。他提出了“场”的概念，从本质上把电磁学的研究推进了一大步，为建立系统、完整的电磁场理论打开了大门。万有引力、静电作用力都遵从距离的反比平方关系，从牛顿开始就认为引力作用是瞬时作用，不需要什么媒介来传递，达就是超距作用的观点。这种观点在电学和磁学的研究中又得到了进一步的强化，象富兰克林、库仑、安培这样有名的科学家对此都深信不疑。奥斯特关于电流的磁效应具有横向性质的发现，是对力的旧概念力在沿着两个相互作用物体的连线上的一次强有力的冲击，更有甚者，法拉第具有不同寻常的想象力，为了对电、磁现象作出正确的物理解释，他提出了一种全新的概念和物理图象，这就是“场”的概念和力线图象。 “场”概念的提出，是物理观念上的一次划时代的飞跃，极大丰富了人类对客观世界运动规律以及物质形态多样性的认识。 法拉第反对超距作用的概念，认为物质之间的电力、磁力是需要有媒介传递的近距作用力。法拉第在大量的相互作用的实验中发现：电作用力与带电体之间或电流之间的电介质有关；磁作用也一样，磁作用与作用体之间的磁介质有关。磁介质不同，磁作用力也不同。于是法拉第设想，带电体、磁体或电流周围空间存在一种由电或磁产生的物质、它无所不在，是象以太那样的连续介质，起到传递电力、磁力的媒介作用。法拉第把它们称为电场、磁场。电作用或磁作用正是通过电场或磁场来传递的。法拉第类比于流体力学，提出场是力的线或力的管子所组成的，正是这些力线、力管“把不同的电荷、磁体或电流连接在一起。他用一张撒上了铁粉的纸，下面用磁棒轻轻颤动，这些铁粉就清楚地呈现出磁场的力线。法拉第认为这些力线、力管具有实在的物理意义。于是他用电力线和磁力线的几何图形条形象的表示电场和磁场的状态。力线上任一点的切线方向就是场强的方向，力线密的地方，场强就强；力线疏的地方，场强就弱。场源不变时，力线图不变；场源运动或变化时，力线图也发生变化。法拉第用力线的概念成功地描述了电磁感应定律。 1851 年他在论磁力线一文中，对此作了全面的总结。针对当时传统的质点概念以及质点的超距瞬时作用观念，法拉第的“场”概念和力线模型是一个重大突破，对物理学的发展产生了深远影响。如今人类已经认识到“场”是一种重要的物质形态，追根溯源，这应当首先归功于法拉第。 还是一件历史事实说明法拉第具有深邃的科学洞察力。 1832 年他写了一封信，密封好后交给英国皇家学会。信封上写着：“现在应当收藏在皇家学会的档案馆里的一些新观点。”这封信在皇家学会的档案馆躺了一百多年真可谓是长期保存，直到 1938 年才为后人重新发现，启了封。法拉第在这封信里写道：“磁作用的传播需要时间，即当一个磁铁作用于另一个远处的磁铁或者一块铁时，产生作用的原因（我以为可以称之为磁）是逐渐地从磁体传播开去的，这种传播需要一定的时间，而这个时间显然是非常短的。” “我还认为；电感应也是这样传播的。我以为，磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动。也就是说我打算把振动理论应用于磁现象，就象对声作的那样，而且这也是光现象最可能的解释。类比之下，我认为也可以把振动理论运用于电感应。 . 迈法拉第 1832 年 3 月 12 日于伦敦皇家学会。显然，法拉第在这封信中第一次预言了磁和电的感应传播，暗示了电磁波存在的可能性，预言了光可能是一种电磁振动的传播。 法拉第的光辉的科学思想，还表现在他坚持物理力的统一性方面，这和奥斯特的思想是有共同点的。法拉第认为“由不同的来源产生的各种形式的电之间存在统一性。”法拉第从伽伐尼电、普通的电、磁生电、温差电以及动物电都具有许多共同的物理效应（使磁针偏转、导体发热、化合物分解等）的事实中得出了一个重要结论：“各种形式的电，不管其来源如何，本质上的联系、这正是后来爱因斯坦后半生努力探索的重大课题，现代物理学家提出是相同的。”法拉第直到晚年，甚至还考虑过万有引力和电力之间是否可能存在着某种方式的大统一理论，就是朝着统一引力和电磁力的目标向前迈进的一步。 1825 年，法拉第将一根导线放在另一根导线附近，前一根导线用一个电流计连接起来成为一个闭合回路，后面一个导线中通电流，观测闭合回路，结果没有任何电流显示。 1828 年，法拉第做了另一个实验。用悬丝将绝缘棒中部拴住，使绝缘棒水平无扭转地悬挂着，棒的一端固定了一个铜质闭合线圈，另一端固定一个小的重物配重，用一块条形强磁铁的一极放入线圈内。法拉第认为，如果磁铁对线圈有作用，产生感应电流，这时若再将第二块磁铁靠近线圈，则线圈便会在水平面内转动。但任何转动也未观察到。法拉第又用铜质开环（铜环开个小口），又换铂、银材料做的闭环和开环重复做这一实验，仍然没有观察到感生电流的任何迹象。 法拉第做了近十年的“磁生电”实验。在工作日记中写下了大量的毫无结果的失败记录，厚厚的日记册正是法拉第百折不回、坚持奋斗的见证。他的日记，也记载了科学预见的光辉思想。法拉第坚持写工作日记几十年，直到生命的终结，这在科学史上，也是少见的。 1831 年 8 月，法拉第再一次回到“磁生电”这一重大课题上来。他以往的失败，都在于只研究稳定状态效应，思想上还没有暂态（持续时间很短）效应的概念，更没有去创造条件展现暂态效应。这次法拉第在一只软铁环上绕以两组线圈 A 、 B ，线圈 B 与一电流计连接，当线圈 A 与电池组（由 10 只电池组成）相连的瞬间，电流计的指针偏转了一下，然后又回到原来位置。当线圈 A 与电池组断开时，指针又偏转了一下再回到原来指零位置。法拉第并没有立刻领悟到达一现象的重要意义，只是开始意识到这是一种暂态效应。 同年 9 月 24 日，法拉第将两根条形磁铁支成三角形，即一端的 N 极和 S 极拼在一起成三角形顶用，下端 S 极和 N 极分开，其间安放绕在铁质因往体上的螺旋线圈，线圈与电流计相连。他观察到，每当线圈跟下端的 N 极或 S 极接触一下，或脱离一下，电流计指针就偏转一下。这时法拉第觉察到，这效应和他 8 月份做的实验所显示的效应相似，他立即想到这就是寻找了将近十年的“磁生电”现象。 10 月 1 日，法拉第满怀信心地再次实验。为使效应更加明显，他加大电流，加多绕组线圈。法拉策把长约 186 米用纱布包起来的铜导线绕在很宽的木线筒上，再于绕组线圈上绝缘地绕上同样长度的纱包铜线，将一个绕组和电流计连接，另一个绕组和 100 对金属极组成的电池组连接。他发现，当电键 K 接通和断开与电池的连接时，和另一绕组相连的电流计的指针明显摆动。法拉第还观察到，接通和断开电键 K ，电流计指针是作相反的摆动，但最后都回到原来指零位置。至此，法拉第对磁产生电流的现象已确信无疑。 10 月 7 日，法拉第采用另一种方式进行实验：直接让磁棒运动看能不能产生电流。仍然将一线圈与电流计相连，手持一永久磁棒迅速插入或抽出线圈，他发现电流计指针在插入或抽出的瞬间发生偏转，然后回到原来指零位置。接着，法拉第做了几十个类似的实验，他最终认识了感生电流的暂态性质。 1831 年 11 月 24 日，法拉第向英国皇家学会报告了电磁感应的第一篇具有划时代意义的论文。论文中明确地阐述了他解决电磁感应问题的关键，概括了均能产生感应电流的几种情况：正在变化的电流；正在变化的磁场；稳恒电流的运动；导体在磁场中运动。他将上述现象命名为“电磁感应”至此，法拉第作出了科学史上的伟大贡献揭示电磁感应规律。 电磁感应规律的揭示，也说明英国在电磁学研究领域里赶上和超过了法国。自牛顿以来，英国对自然科学的基本规律和基础理论的研究一直是很重视的，有成就的科学家受到社会的普遍尊敬并享有较高的社会地位。因此，并末在学校受过系统教育的法拉第能在英国取得如此卓著的成就，还是符合情理的事情。 当然，在“磁生电”方面进行探索的，并不是只有法拉第一个人。在俄国、法国、瑞士、美国都有人做过这方面的工作。 上一部分提到，对奥斯特实验反应最快的是法国的安培。他在十九世纪二十年代做了许多实验，也曾朦胧地意识到磁会产生电的效应，但对此安培的信心并不是十分坚定的。他的精力集中在磁性起源的分子电流说，以及他多年从事的试图建立一个全面的电动力学理论上。尽管安培对电磁学做出了许多贡献，但在“磁生电”方面，他一直因于稳态现象，没有考虑暂态效应。和法拉第的早期工作一样，这些实验均未成功。 安培探索“磁生电”的一个有代表性的实验是： 1821 年，他用末扭转的悬丝，把一个闭合铜质圆线圈挂起来，并使它位于另一个稍大的钢质多匝绝缘圆线圈的内部梢大的圆线圈固定在一个绝缘支架上。安培让两线圈处于同一竖直平面内。固定线圈通以大电流，安培认为悬挂的线圈自然就会产生某种较弱的电流。这样，悬挂线圈就相当于一块磁铁（奥斯特的电流产生磁的效应），只要用另外一块强磁铁靠近它，悬挂线圈就会产生转动，但是安培得到的是否定结果，他把实验的失败归之于实验装置的灵敏度不高，却没有从暂态效应方面去考虑。前面说到的 1828 年法拉第的实验工作，实际上就是重复了安培作的这个代表性实验。 仅在奥斯特宣布他的实验发现之后的三个月，法国物理学家菲涅耳就向法国科学院报告过，他将磁铁放入螺旋线圈内，使线圈中产生的电流把水分解了，他宣称已成功地将磁转化为电，但经别人重复实验后，菲涅耳的结果并不真实。但菲涅耳的实验思想，曾使安培、科拉顿等人受到很大启发。 1822 年初，年轻的瑞士物理学家德拉里夫（ A.dela R ive ，公元 1801 1873 ）也曾利用日内瓦的强大得多的磁铁，帮助特地从法国去日内瓦的安培，重复进行了 1821 年安培在法国做的“磁生电”实验。 关于这次合作进行的实验，安培在 1822 年下半年曾写过一份报告给法国科学院。安培在报告中宣称，似乎观察到“磁生电”：当固定线圈中有电流通过时，悬挂线圈中就有感应电流，大磁铁对悬挂线圈的作用力使悬挂线圈偏转，最后这作用力被悬丝的扭力所平衡。当固定线圈中的电流断开后，达一扭力使悬挂线圈回到它的原始位置。 按照这种解释，“磁生电”是在稳定状态下产生并一直存在着的，这显然是不可能的，即便安培在日内瓦的实验中观察到悬挂线圈曾有过偏转产生，但他并没有抓住“暂态”这一关健，真理从他手中溜走了。有趣的是，德拉里夫的助手科拉顿（ J.D.Colladon ，公元 1802 1893 ）几乎就要得到真理，遗憾的是差了一点而未能得到。科拉顿对早先菲涅耳的实验很感兴趣，企图把一块磁铁放入螺旋线圈中，在运动中使线圈产生感生电流。科拉顿和菲涅耳不同，不是用分解水的方法观测电流（这是观测不到的），而是正确的用了一只灵敏电流计。为了排除移动磁铁时操作动作对电流计产生不相干的影响，科拉顿将这只电流计放到了另一间实验室里，用长导线将电流计和螺旋线圈连接起来。可惜的是，没有别人帮助，科拉顿独自一个人从这间房跑到那间房去观察电流计偏转，当然他得不到任何结果。因为移动磁铁时电流计指针摆动他没有看到，等到他走近电流计时，暂态效应已经消失，指针早已回到了指零位置。 美国物理学家亨利（ J.Henry ，公元 1797 1878 ），在不知道安培和法拉第等人的工作的情况下，对电磁感应现象做出了独自的贡献。 1827 年他用纱包铜线在一铁芯上绕了两层，然后在铜线中通电，发现仅重 3 公斤的铁芯竟然吸起了 300 公斤重的物体，亨利以此为开端终于发现了自感现象。亨利把实验结果总结在螺旋状长导线内的电气自感一文中。后人为了纪念亨利，以他的名字定义了自感单位。据说，亨利甚至在法拉第前发现了电磁感应规律，但他并没有公开发表这个结果。 1832 年，在俄国工作的物理学家楞茨（ H.F.E.Lenz ，公元 1804 1865 ），知道了法拉第研究“磁生电”取得了成功，很受鼓舞，也开始进行一系列电磁实验。 1833 年楞茨把他的工作总结在论动电感应引起的电流的方向一文中。文中指出感应电流的方向是这样确定的：它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化方向相反。这是充实、完善电磁感应所做的一大贡献。这就是后人称为的楞茨定律。 楞茨还和焦耳各自独立地对确定电流热效应的规律作出了贡献，这就是有名的焦耳楞茨定律；流过稳定电流的导体所放出的热量，与电流强度的平方、导体的电阻、通电时间这三项乘积成正比。 以上事实说明，揭示重大物理现象的规律，不能看作是个别天才的“灵感”所获，而是人类认识发展的历史产物，是人类社会生产力和科学研究水平发展到一定阶段的必然结果。当然，杰出的科学家所起的带头和关键的作用，也是不能忽视的。拿电磁感应规律来说，在法拉第工作的前后或同时，都有不少科学工作者作了大量的研究，也取得了不少成果。但就其规模、持续时间、对现象本质的认识及听取得的成果而言，部不及法拉第。从法拉第同代人安培的态度变化，也能说明这个问题。 1831 年底，当安培获悉法拉第的成果但尚未详细了解成果的细节内容时，他就急切地、不慎重地发表了一篇论文，企图用他的所谓“电磁感应”来解释他在 1821 年 1822 年的实验。安培的言下之意，在法拉第之前，他已经早就认识了电磁感应。其实，他的这篇急切之作并不比 1822 年写给法国科学院的报告有丝毫进步，照旧没有把握住感生电流是“瞬态效应”这个现象的本质。一时间，在两人长期友好的交往中产生了指责和误会。当激动平静下来，安培从头至尾认真研究了法拉第成果的细节内容，这才恍然大倍。他随即写信给法拉第，承认自己并没有发现电磁感应，以及失败的本质原因；电磁感应是瞬态效应。 由于电磁感应规律的发现，后来人们就制造出发电机。电动机、变压器等电机电器设备，使交流电的利用变为现实，逐渐开创了人类社会的电气化时代。 不论是当时还是后人，把发现电磁感应定律的主要功绩归功于法拉第，这是完全符合历史事实的。更为重要的是，法拉第比别人具有更深邃的物理直觉洞察力。他提出了“场”的概念，从本质上把电磁学的研究推进了一大步，为建立系统、完整的电磁场理论打开了大门。万有引力、静电作用力都遵从距离的反比平方关系，从牛顿开始就认为引力作用是瞬时作用，不需要什么媒介来传递，达就是超距作用的观点。这种观点在电学和磁学的研究中又得到了进一步的强化，象富兰克林、库仑、安培这样有名的科学家对此都深信不疑。奥斯特关于电流的磁效应具有横向性质的发现，是对力的旧概念力在沿着两个相互作用物体的连线上的一次强有力的冲击，更有甚者，法拉第具有不同寻常的想象力，为了对电、磁现象作出正确的物理解释，他提出了一种全新的概念和物理图象，这就是“场”的概念和力线图象。 “场”概念的提出，是物理观念上的一次划时代的飞跃，极大丰富了人类对客观世界运动规律以及物质形态多样性的认识。 法拉第反对超距作用的概念，认为物质之间的电力、磁力是需要有媒介传递的近距作用力。法拉第在大量的相互作用的实验中发现：电作用力与带电体之间或电流之间的电介质有关；磁作用也一样，磁作用与作用体之间的磁介质有关。磁介质不同，磁作用力也不同。于是法拉第设想，带电体、磁体或电流周围空间存在一种由电或磁产生的物质、它无所不在，是象以太那样的连续介质，起到传递电力、磁力的媒介作用。法拉第把它们称为电场、磁场。电作用或磁作用正是通过电场或磁场来传递的。法拉第类比于流体力学，提出场是力的线或力的管子所组成的，正是这些力线、力管“把不同的电荷、磁体或电流连接在一起。他用一张撒上了铁粉的纸，下面用磁棒轻轻颤动，这些铁粉就清楚地呈现出磁场的力线。法拉第认为这些力线、力管具有实在的物理意义。于是他用电力线和磁力线的几何图形条形象的表示电场和磁场的状态。力线上任一点的切线方向就是场强的方向，力线密的地方，场强就强；力线疏的地方，场强就弱。场源不变时，力线图不变；场源运动或变化时，力线图也发生变化。法拉第用力线的概念成功地描述了电磁感应定律。 1851 年他在论磁力线一文中，对此作了全面的总结。针对当时传统的质点概念以及质点的超距瞬时作用观念，法拉第的“场”概念和力线模型是一个重大突破，对物理学的发展产生了深远影响。如今人类已经认识到“场”是一种重要的物质形态，追根溯源，这应当首先归功于法拉第。 还是一件历史事实说明法拉第具有深邃的科学洞察力。 1832 年他写了一封信，密封好后交给英国皇家学会。信封上写着：“现在应当收藏在皇家学会的档案馆里的一些新观点。”这封信在皇家学会的档案馆躺了一百多年真可谓是长期保存，直到 1938 年才为后人重新发现，启了封。法拉第在这封信里写道：“磁作用的传播需要时间，即当一个磁铁作用于另一个远处的磁铁或者一块铁时，产生作用的原因（我以为可以称之为磁）是逐渐地从磁体传播开去的，这种传播需要一定的时间，而这个时间显然是非常短的。” “我还认为；电感应也是这样传播的。我以为，磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动。也就是说我打算把振动理论应用于磁现象，就象对声作的那样，而且这也是光现象最可能的解释。类比之下，我认为也可以把振动理论运用于电感应。 . 迈法拉第 1832 年 3 月 12 日于伦敦皇家学会。显然，法拉第在这封信中第一次预言了磁和电的感应传播，暗示了电磁波存在的可能性，预言了光可能是一种电磁振动的传播。 法拉第的光辉的科学思想，还表现在他坚持物理力的统一性方面，这和奥斯特的思想是有共同点的。法拉第认为“由不同的来源产生的各种形式的电之间存在统一性。”法拉第从伽伐尼电、普通的电、磁生电、温差电以及动物电都具有许多共同的物理效应（使磁针偏转、导体发热、化合物分解等）的事实中得出了一个重要结论： “各种形式的电，不管其来源如何，本质上是相同的。”法拉第直到晚年，甚至还考虑过万有引力和电力之间是否可能存在着某种方式的联系、这正是后来爱因斯坦后半生努力探索的重大课题，现代物理学家提出的大统一理论，就是朝着统一引力和电磁力的目标向前迈进的一步。法拉第电磁感应实验法拉第所做的由于磁场的变化在导体中感生出电流的实验。1831年，法拉第用如图所示的装置实验发现，当a线圈接通或切断电源的瞬间，在b线圈附近的小磁针突然跳动，说明在接通或切断电源的瞬间，b线圈中有电流感生出来。在物理学的发展史上，曾有相当长的时期一直未找到电与磁的联系，把电与磁现象作为两个并行的课题分别进行研究。直至1820年7月奥斯特发现了电流的磁效应后，才不再把电与磁的研究看作相互孤立的，而是作为一个整体看待。奥斯特的论文发表后，在欧洲科学中引起了强烈的反响，投入了大量的人力、物力对电磁现象进行研究。既然电与磁有密切关系，电能产生磁，那么很自然地会想到它的逆效应；“磁能产生电”吗？为此科学家们开始进行了长期的实验探索。自1820年至1831年的十多年间中，当时许多著名的科学家，如安培、菲涅耳、阿拉果、德拉里夫等一大批科学家都投身于探索磁与电的关系之中，他们用很强的各种磁场试图产生电流，但均无结果，究其原因是抱住稳态条件不放，而没有考虑暂态效应，因此十余年中研究进展不大。在这其间，法拉第(M.Faraday，英，17911867)受命于他的老师戴维(HDavy)也开始转向电磁学方面的研究。他仔细分析了电流的磁效应等现象，认为电流与磁的作用应分几个方面：那就是电流对磁、电流对电流，磁对电流等。现在已经发现了电流产生磁的作用，电流对电流的作用，那么反过来，磁也应该能产生电。法拉第认为既然磁铁可以使近旁的铁块感应带磁，静电荷可以使近旁的导体感应出电荷，那么电流也应当可以在近旁的线圈中感应出电流。他本着这种信念，在发现电磁感应现象之前六年的日记中就写下了他的光辉思想：“磁能转化为电”。并使用了“感应”(Induction)这个词，可见他对于电磁感应的存在是坚信不疑的。但如何从实验中去发现这种感应现象，却非易事。起初，法拉第也简单地认为用强磁铁靠近导线，导线中就会产生稳定的电流，或者在一根导线里通以强大的电流，那在邻近的导线中也会产生稳定的电流，他作了大量的试验，但均以“毫无结果”而告终。法拉第经过十年的试验、失败、再试验、再失败，于1831年夏又重新回到磁产生电流这一课题上来，终于取得了突破性的进展。1831年8月29日法拉第发现了电磁感应的第一个效应，即以一个电流产生另一个电流。关于这一实验，法拉第的日记中作了详细记载，现摘录如下：1)磁产生电的若干实验，等等，等等。2)用软铁作材料制备一7/8英寸粗的圆铁棒，将它弯成一个外径为6英寸的圆环。在圆环的半边，用三股纱包铜线缠绕，每股24英寸长，每绕一股后用白布包裹隔开。使用时，既可以将三股铜线连成一股，也可分成三股单独使用。然后检查各股铜线相互间是否绝缘。我们称铁环的这半边为A，(见图)，与这一边隔开一段空隙的另一边用铜线绕了两股线圈，总长为60英寸，绕向与A边线圈相同我们称之为B。3)用由10对4英寸见方的金属片组成电池供电。用一根较长的铜导线将B边线圈的两端连接起来，铜线的一段置于离铁环3英尺远处的一个小磁针的上方，将电池与A边线圈中的一股接通；接通时，小磁针立即产生一明显的效应。小磁针来回摆动，最终稳定在原来的位置上。当切断A边与电池的连按时，小磁针又出现来回摆动。4)若将A边上三股铜线接成一单股线圈，然后让来自电池的电流通过总的线圈，这时小磁针产生的效应比上述情况强很多。5)不过，小磁针上的效应只是导线直接接通电池时可能产生的效应的一个非常小的部分。6)将简单的B边线圈改装一下，作成一个扁平的线框，线框沿磁子午线平面放在小磁针S极的西边，当有电流通过时，便显示出最好的效应。实验时，线框与小磁针距铁环约三英尺，铁环与电池相距一英尺。7)当上述准备都就绪后，将电池与A边线圈的两边接通，在接通的瞬间，线框强烈地吸引小磁针，在几次振动之后便又回到它原来的自然位置，而处于静止状态，接着当切断电池的连线时，小磁针被强烈地排斥，几次振动后，又回到与前相同的位置，处于静止状态。8)在此，效应是明显的，但是瞬时的，然而，在切断与电池的连接时，效应的再现说明有一个平衡位置，它必须是能明显地回到那个位置。9)开始接通电池时，小磁针极的方向指向线框好象B边线圈是A边线圈的一部分，即两者中的电流具有相同的方向；而当切断电池的连接时，由小磁针的运动方向判断此瞬间A、B两者中的电流方向相反。10)用一根7/8英寸粗、4英寸长的短铁柱，用4段14英尺长的导线缠绕，将四股导线接成一股，以代替上述扁平线框。小磁针象以前一样受到作用，然而看起来铁芯并不有助于磁力的产生，因为现在的作用不比刚才不用铁芯的线框时的作用来得更大。现在的作用与以前一样，也是瞬时的，可逆转的。这就是法拉第第一次成功地观察到电磁感应现象的生动记录。从法拉第日记中可以看到，电磁感应(由磁产生电)的发现是他意料之中的事，使他感到意外的是电磁感应竟是一种短暂效应，而奥斯待发现的电流磁效应却是一种稳定效应，在他的思想中，电磁感应似乎也应当是一种稳定效应，所以在发现电磁感应是短暂效应后，他在日记中就突出地记录了这一点。法拉第在圆环实验的基础上，进一步提出了两个极有见地的问题：第一，圆铁环能不能不要，没有它能否仍有感应效应？第二，不用A边线圈，而用磁铁相对于B边线圈运动，B边线圈内是否仍有感应效应产生？法拉第带着这些问题在以后的十天中又连续地做了许多实验。其中有一个是这样的：法拉第“把长为203码(约为186米)的用纱布包起来的铜导线绕在很宽的木线筒上，再在原绕组线圈上绝缘地绕上同样长度的纱包铜线，将一个绕组与电流计连接，另一个绕组与100对金属板组成的电池组连接。发现当电健接通和断开的曝间，电流计指针摆动；电镀合上后，发现导线灼热，但电流计指针不偏转”。9月24日，法拉第在两条磁棒的N、S极中间放上一绕有线圈的圆铁棒，线圈与一电流计连接，他发现当圆铁棒脱离或接近两极的瞬间，电流计的指针就会偏转。10月17日法拉第又发现另一种形式的电磁感应现象。他用一线圈与电流计相连接，然后将一永久磁铁迅速插入与拔出线圈发现电流计指针也会偏转。l0月28日法拉第还进行了最早的发电机实验。他把直径为12英寸，厚为1/5英寸的铜盘装在水平的黄铜轴上，又将两条长为67英寸，宽约1英寸，厚约1/2英寸的小磁铁相对放置在铜盘边缘，见图所示，他用另一电流计的两个接线柱上引出两个碳刷(图中未画出)。实验时让铜盘飞快旋转，同时把两个电刷分别接触于铜盘的不同位置，以确定产生感应电流的最佳位置，经过反复试验，他发现由盘心O到磁极所对的铜盘边缘可以产生最大的感应电流，这台实验装置实际上是一台直流发电机人类历史上第一台发电机。法拉第前后一共做了类似的几十个实验，最终认识到感应现象的暂态性，提出只有在变化时，静止导线中电流才能在另一根静止导线中感应出电流；而导线中的稳恒电统不可能在另一根静止导线中感应出电流的。1831年11月24日，法拉第写了一篇论文，向英国皇家学会报告了整个实验情况，他把可以产生感应电流的情形概括为五类：(1)变化着的电流；(2)变化着的磁场；(3)运动的稳恒电流；(4)运动的磁铁；(5)在磁场中运动的导体。他正确地指出感应电流与原电流的变化有关，而与原电流本身无关。法拉第把上述现象正式定名为“电磁感应”。至此，法拉第作出了划时代的发现电磁感应现象。但电磁感应的规律，一直到1851年才最后建立。当时在磁产生电方面进行探索的并不只是法拉第一个人，在瑞士、美国和俄国都有人在进行这方面的研究。瑞士物理学家科拉顿曾企图用磁铁在线圈中获得电流，他用一个线圈与一检流计连成一闭合回路，为了使磁铁不致于影响检流计中的小磁针，特意将检流计放在隔壁的房间里。科拉顿在一边用磁铁棒在线圈中不断地插入与拔出，然后又跑到另一房间里去现察检流计，但每次都得到零结果，最终没有能发现电磁感应现象。远在美国的物理学家亨利(JHenry，17971878)于1827年也进行了电磁感应的实验。他用纱包铜线在一铁芯上绕了两层，然后在铜线中通电，发现铁芯上仅仅三公斤的铁片居然吸起了三百公斤重的物体。亨利以此为开端，终于发现了自感现象，他把这个实验发现总结在螺旋状长导线内的电气自感一文中，因此，从时间上说亨利先于法拉第独立地发现了电磁感应现象，但他没有公开发表这一结果，为此他十分后侮与沮丧。1832年，俄国物理学家楞次(H，FELenz，18041865)受到法拉第的启发；也开始了一系列的电磁实验，并取得了成果。1833年楞次发表了论动电感应引起的电流的方向，宣布了关于电磁感应现象的基本规律，指出感应电流的方向是使它所产生的磁场与引起感应的原磁场的变化方向相反，这就是楞次定律。由此可见，在法拉第同时代，有不少物理学家对电磁感应现象作了多方面的研究，也取得了不少成功，但就其规模、时间与深入的程度、取得的成果而言，都不及法拉第，因此人们把发现电磁感应定律的主要功绩归功于法拉第是恰当的，把电磁感应定律称为法拉第电磁感应定律的道理也在于此。电磁感应规律的发现，对人类社会有着划时代的贡献。由于电磁感应规律的发现，使人类得到了打开电能宝库的金钥匙，使后来发明发电机、电动机、变压器，以及交流电的利用等等成为可能。由于电磁感应现象的发现，把机械能变为电能，使现代社会能得到廉价的电能。今天，人类社会进入电气时代，与电感感应的发现是分不开的。法拉第发现电磁感应 1820年起，电磁热席卷欧洲，研究结果大量发表，众说纷纭，真伪难辨。1821年英国哲学学报（Annal of Philosophy）杂志编辑约法拉第写一篇关于电磁问题的述评，这件事导致法拉第开始了电磁学的研究。法拉第当时正在英国皇家研究所做化学研究工作。他原来是文具店学徒工，从小热爱科学，奋发自学。由于化学家戴维的帮助，进到皇家研究所的实验室当了戴维的助手，1821年受任为皇家研究所实验室主任。法拉第在整理电磁学文献时，为了判断各种学说的真伪，亲自做了许多实验，其中包括奥斯特和安培的实验。在实验过程中他发现了一个新现象：如果在载流导线附近只有磁铁的一个极，磁铁就会围绕导线旋转：反之，如果在磁极周围有载流导线，这导线也会绕磁极旋转，如图1。这就是电磁旋转现象。与此同时，法拉第对安培的“分子电流”理论提出不同看法。他设计了一个表演。取一支玻璃管，在上面缠以绝缘导线，做成螺线管，水平地半浸于水中。然后在水面上漂浮一只长磁针。按照安培的观点，载流螺线管对应于长条磁铁，螺线管的一端相当于南极，另一端相当北极。磁针如果是南极指着螺线管的北极，应该会吸向螺线管的北极并停于北极的一端。法拉第指出，这与实验结果不符。他做的实验是磁针的南极继续穿过螺线管，直至磁针的南极接近螺线管的南极。法拉第论证说，如果磁针是单极的，它就会沿磁感线无休止地运动下去，就象电磁旋转器那样。法拉第认为，和载流螺线管对应的不是实心磁体，而应是圆筒形磁铁。安培则反驳说，圆筒形磁铁和螺线管并不一样。按照他的分子电流假设，圆筒形磁铁中的电流是一小圈一小圈，而线圈中的电流是沿着大圈的（如图2）。为了证明圆筒形磁铁中的电流是互相抵消的，他当众作了一个表演：把绝缘导线绕许多圈，做成线圈，在线圈内部放一个用薄铜片做成的圆环，取一磁棒置于圆环近