法拉第电磁感应定律

论文题目：法拉第与电磁感应定律论文摘要：电磁感应现象的发现是电磁学发展史上的一个重要的成就，它进一步揭示了自然界中电现象和磁现象间的联系。本文简要地介绍了电磁感应现象的发现过程和法拉第电磁感应定律的确立，重点阐述了电磁感应现象的探索研究及其发现历程。关键词 电磁感应现象； 电现象； 磁现象； 电磁感应定律Faradays law of electromagnetic induction Paper Abstract: The discovery of the phenomenon of electromagnetic induction is the history of the development of electromagnetism an important achievement, it further reveals the nature of the phenomenon of electric and magnetic phenomena linkages. This paper describes the phenomenon of electromagnetic induction and Faradays discovery of the established law of electromagnetic induction, focuses on the phenomenon of electromagnetic induction and found that the course of exploration and research. Key words：The phenomenon of electromagnetic induction ; Electrical phenomenon; Magnetic phenomena; Law of electromagnetic induction.法拉第电磁感应定律引言电磁感应现象的发现是电磁学发展史上的一个重要的成就，它进一步揭示了自然界中电现象和磁现象之间的内在本质联系。促进了电磁理论的发展，证实了自然科学中统一的哲学观点。同时由于电磁感应定律的确立，使得电能得以广泛的应用，引发了第二次科技革命。使得现代的电力工业和电工以及电子技术得以建立和发展。1科学家对电磁感应现象的探索1.1电流的磁效应（奥斯特） 在物理学的发展史上有很长一段时期内未找到电与磁的联系，那个时候电现象与磁现象是被分别进行研究的尤其是物理学家吉尔伯特与库仑都认为电与磁是两种截然不同的现象。它们之间没有任何联系和一致性，也正是这样的思想一直充斥着人们的大脑，使电磁的研究一直不能有更好的进展。电与磁之间究竟有没有联系呢？电真的不能生成磁吗？虽然有库仑那样的物理巨匠否认电现象与磁现象间的关联，可是丹麦物理学家奥斯特一直相信着电与磁之间一定有着某种联系，并且开始了电磁统一性的试验研究。1820年4月的一天晚上奥斯特做完了他的有关电和磁的演讲后，做了一个对以后电磁学发展有着重要意义的试验，正是这个试验从此打开了电磁研究的大门，让一个个震惊世界的理论问世。整个试验的过程是这样的：他在一个小伽伐尼电池的两极间接上一根很细的铂丝，在铂丝的正下方放一枚小磁针，然后接通电源，小磁针微微的晃动，转到了与铂丝垂直的方向。就这一下小小的摆动，动摇了整个物理界的传统的观点，尤其是库仑等人的观点：电与磁是两种截然不同的现象。当时的奥斯特看到了小磁针的摆动这一情况，他震惊了。随后他又改变了电流的方向，发现小磁针向相反的方向偏转。这说明了电与磁之间是有着某种内在的本质的联系。而且电流的方向与磁针的转动之间也有着一定的联系。为了进一步揭示电流与小磁针间的内在的联系，弄清楚它们之间的关系。奥斯特随后又费了三个月的时间做了六十多个试验，他把小磁针分别放置在通有电流的导线的上方和下方，考察电流对小磁针作用的方向；把小磁针放置在距导线不同的距离，考察电流的强弱对小磁针的作用；还把一些介质放置在电流导线与小磁针之间，考察电流对小磁针的影响。经过奥斯特的不懈努力反复试验，最后终于查明了电流的磁效应沿着导线的螺旋方向。1820年7月21日，奥斯特发表了自己的论文，“关于磁针上电流碰撞的实验”。向科学界宣布了电流的磁效应。使人们认识到了磁现象与电现象之间的联系。奥斯特论文的发表引起了欧洲整个科学界的强烈的反响。他们把研究的课题转移到了电与磁上来，要进一步研究两者之间的内在的本质的联系。既然电与磁有着密切的联系，电能产生磁，那么磁能否也会生成电呢？这样就让人们想到了它的逆效应“磁能生成电吗？”所以科学家们自1820年至1831年的十多年中都投身致力于电磁之间的联系的研究。如安培和阿拉果等人他们都曾经试图从很强的磁场中获得电流，但是都没有结果。究其原因是他们都是在稳态的条件下进行的实验，没有考虑暂态的效应，不可能有结果的。1.2阿拉果与安培在1822年阿拉果和德国物理学家洪堡在英国格林威治的一座小山上测量地磁强度的时候偶然发现了金属阻尼磁针的振荡。于是在1824年阿拉果做了著名的“阿拉果圆盘实验”：他把一个铜质圆盘装在一个垂直轴上，让其可以自由旋转，在通盘上方自由悬挂一根小磁针，悬丝柔软且扭力很小。当通盘转动时小磁针一起转动，但是稍微滞后；反之，小磁针转动时通盘也跟随转动。 同一年，安培也做了同样类似的实验，他用通电螺线管代替阿拉果圆盘实验中的小磁针，自然他也发现了同样的结果。这个时候离发现电磁感应定律只有一步之遥了。但是很遗憾的是安培认为运动中的圆盘分离出来的是电流体而不是磁流体，它和螺线管中的电流（或者小磁针中的分子电流）相互作用使螺线管（或者小磁针）跟随旋转。由于安培坚持“二元电流”的观点。认为电流是由两种电流体沿相反方向运动构成的，把原来不属于电动力学范畴的东西归入到了该理论内。结果失去了发现电磁感应定律的机会。也是在1822年，安培从静电感应现象受到启发，认为电流（运动的电荷）也会感应出电流（运动的电荷）。因为他忽视磁场的作用，只是着眼于稳态，致使好几个实验都没有成功，其中有一个实验他是这样设计的：把一铜质多匝线圈固定在绝缘支架上，把另一个单匝线圈用细线悬挂起来，两者在同一平面内，线圈中通过强电流。安培认为，当中有持续电流通过时，线圈中也会有感应电流，这个时候相当于一个磁铁。如果此时拿另外一个磁铁接近，则应该旋转，实验的结果是纹丝不动。但是在实验的过程中有一个重要的异常现象：线圈接通电流的瞬间，转动了一下。可惜安培忽视了线圈这一瞬间的转动，只注意到在实验过程中长时间的不动，没有思考发生线圈发生偏转的条件，也就没能认识到感生电流的瞬时性。就这样安培失去了发现电磁感应定律的机会，这个定律的浮出又让人们苦苦等了十年的时间。1.3瑞士科学家拉顿从1820年奥斯特发现电流的磁效应到1831年法拉第发现电磁感应现象的十多年中，科学界在电磁方面的研究出现了很多的遗憾。其中最著名的也是在电磁领域研究中最最令人遗憾的要数瑞士科学家拉顿了。和其他科学家一样在奥斯特发现电流的磁效应以后，拉顿就投入到了电磁的领域研究中来了。在1825年拉顿在自己的实验室里做着实验,实验的过程是这样的：他把一个螺线管和一电流计联结，为了避免强磁场的影响，他把电流计用长导线联结到了另一个房间里。在螺线管的位置看不到电流计，由于当时拉顿没有助手，整个实验的过程都是在他自己的操作下完成的。他把磁铁插入螺线管后，立刻跑到了放置电流计的房间里，观察电流计指针的变化。2法拉第电磁感应现象的发现2.1法拉第简介英国著名物理学家、化学家。在化学、电化学、电磁学等领域都做出过杰出贡献。他家境贫寒，未受过系统的正规教育，但却在众多领域中作出惊人成就，堪称刻苦勤奋、探索真理、不计个人名利的典范。 1791年9月22日生于萨里郡纽因顿的一个铁匠家庭。13岁就在一家书店当送报和装订书籍的学徒。他有强烈的求知欲，挤出一切休息时间“贪婪”地力图把他装订的一切书籍内容都从头读一遍。读后还临摹插图，工工整整地作读书笔记；用一些简单器皿照着书上进行实验，仔细观察和分析实验结果，把自己的阁楼变成了小实验室。在这家书店呆了八年，他废寝忘食、如饥似渴地学习。1810年2月至1811年9月听了十几次自然哲学的通俗讲演，每次听后都重新誊抄笔记，并画下仪器设备图。1812年2月至4月又连续听了戴维4次讲座，从此燃起了进行科学研究的愿望。他曾致信皇家学院院长求助。失败后，他写信给戴维：“不管干什么都行，只要是为科学服务”。经过戴维的推荐。1813年3月，24岁的法拉第担任了皇家学院助理实验员。后来戴维曾把他发现法拉第作为自己最重要的功绩而引以为荣。法拉第1813年随同戴维赴欧洲大陆作科学考察旅行，1815年回国后继续在皇家学院工作，长达50余年。1816年发表第一篇科学论文。他最初从事化学研究工作，也涉足合金钢、重玻璃的研制。在电磁学领域，倾注了大量心血，取得出色成绩。1824年被选为皇家学会会员，1825年接替戴维任皇家学院实验室主任，1833年任皇家学院化学教授。他最出色的工作是电磁感应的发现和场的概念的提出。1821年在读过奥斯特关于电流磁效应的论文后，为这一新的学科领域深深吸引。他刚刚迈人这个领域，就取得重大成果发现通电流的导线能绕磁铁旋转，从而跻身著名电学家的行列。因受苏格兰传统科学研究方法影响，通过奥斯特实验，他认为电与磁是一对和谐的对称现象。既然电能生磁，他坚信磁亦能生电。经过10年探索，历经多次失败后，1831年8月26日终于获得成功。这次实验因为是用伏打电池在给一组线圈通电的瞬间，在另一组线圈获得的感生电流，他称之为“伏打电感应”。同年10月17日完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验，他称之为“磁电感应”。经过大量实验后，他终于实现了“磁生电”的夙愿，宣告了电气时代的到来。作为19世纪伟大实验物理学家的法拉第。他并不满足于现象的发现，还力求探索现象后面隐藏着的本质；他既十分重视实验研究，又格外重视理论思维的作用。1837年他发现电介质对静电过程的影响，提出了以近距“邻接”作用为基础的静电感应理论。不久以后，他又发现了抗磁性。在这些研究工作的基础上，他形成了“电和磁作用通过中间介质、从一个物体传到另一个物体的思想。”于是，介质成了“场”的场所，场这个概念正是来源于法拉第。正如爱因斯坦所说，引入场的概念，是法拉第的最富有独创性的思想，是牛顿以来最重要的发现。牛顿及其他学者的空间，被视作物体与电荷的容器；而法拉第的空间，是现象的容器，它参与了现象。所以说法拉第是电磁场学说的创始人。他的深邃的物理思想，强烈地吸引了年轻的麦克斯韦。麦克斯韦认为，法拉第的电磁场理论比当时流行的超距作用电动力学更为合理，他正是抱着用严格的数学语言来表述法拉第理论的决心闯入电磁学领域的。 法拉第一生热爱真理，热爱人民，真诚质朴，作风严谨，这样的感人事迹很多。他说：“一件事实，除非亲眼目睹，我决不能认为自己已经掌握。”“我必须使我的研究具有真正的实验性。”在1855年给化学家申拜因的信中说：“我总是首先对自己采取严厉的批判态度，然后才给别人以这样的机会。”在一次市哲学会的讲演中他指出：“自然哲学家应当是这样一些人：他愿意倾听每一种意见，却下定决心要自己作判断；他应当不被表面现象所迷惑，不对某一种假设有偏爱，不属于任何学派，在学术上不盲从大师；他应当重事不重人，真理应当是他的首要目标。如果有了这些品质，再加上勤勉，那么他确实可以有希望走进自然的圣殿。”他是这样说的，也确实是这样做的。1857年，皇家学会学术委员会一致决议聘请他担任皇家学会会长。对这一荣誉职务他再三拒绝。他说：“我是一个普通人。如果我接受皇家学会希望加在我身上的荣誉，那么我就不能保证自己的诚实和正直，连一年也保证不了。”同样的理由，他谢绝了皇家学院的院长职务。当英王室准备授予他爵士称号时，他多次婉言谢绝说：“法拉第出身平民，不想变成贵族”。1867年8月25日逝世，墓碑上照他的遗愿只刻有他的名字和出生年月。后世的人们，选择了法拉作为电容的国际单位，以纪念这位物理学大师。在电学方面，法拉第研究负载直流电的导体与附近磁场之间的关系，在物理学中建立起磁场这个概念。他发现了电磁感应、抗磁性及电解。另外，他也发现磁场能对光线产生影响，进而发现两者间的基本关系。另外，法拉第还发明了一种依电磁转动的装置，为电动机的前身。虽然法拉第只受过很少的正式教育，这使得他的数学程度相对有限，但不可否认，法拉第仍是历史上最伟大的科学家之一。法拉第电磁感应定律陈述随时间改变的磁场会创造与磁场强度成正比的电动势。2.2法拉第电磁感应定律的发现过程法拉第在1831年发现电磁感应现象不是偶然的，同他的坚持不懈是分不开的。从实验的一次次失败到失败，最终发现了电磁感应现象。 1820年奥斯特发现电流的磁效应后，磁与电之间的关系就被人们的广泛的关注着。我们再追溯到1821年，当时的法拉第正在英国皇家研究院做化学助理实验员。而就在这个时候英国哲学年鉴的主编约请戴维撰写一篇关于奥斯特的发现以来电磁学的实验理论发展概况的文章，而戴维就把这项工作交给了当时的法拉第。法拉第在准备文章的过程中收集整理了大量的电磁学文献资料。正是这个过程使法拉第对电磁现象产生了极大地热情，并且开始了他的电磁学的研究。法拉第在仔细的分析了电流的磁效应等现象后，认为既然电能够产生磁，反过来根据自然界的对称性，磁也同样是能够产生电的。正是由于法拉第坚信这一理念，使他最终发现了电磁感应现象，这一想法也为日后人类利用电能奠定了基础。在法拉第发现电磁感应现象之前，他也有着许多的错误的指导思想。法拉第就曾经这样认为：既然磁铁可以使邻居的铁矿感应上磁，静电荷也可以使临近的导体中感应出电荷，那么电流也可以使临近的线圈中感应出电流。虽然这种指导思想的错误，但是他本着磁能生电的信念，在他发现电磁感应现象的六年前的日记中就写下了他伟大光辉的思想：“磁能转化电”。并且开始使用了“感应”这个词。实验的开始阶段，由于法拉第错误的认为用磁铁靠近导线，导线就会产生稳定的电流，或者在一根导线里通以强大的电流，那么在它临近的导线中也会产生稳定的电流。所以实验没有什么进展。此时我们发现法拉第他只是关注了稳态的条件，没能想到感生电流产生的暂态条件。进过多次的努力的结果是失败了。没能向他想象的那么产生了感生电流。在1825年1月由于法拉第的错误的指导，致使他的三个实验全都以失败告终。实验一：法拉第将两根直导线扭在一起，其中一根接在电池两极上，另外一根接在电流计上。本着法拉第自己的想法，在一根直导线中通以电流，那么在它临近的线圈中也会有感生电流产生，这样在另外的一根导线中就应该能有电流产生，电流计指针就要偏转。也就是他自己认为的“电流感生电流”的推理，另外一根导线中有电流产生，电流计指针就要偏转。而实验的结果是电流计指针纹丝不动。实验二：把一空心的螺线管的两端接在电池的两极上，再把一根直导线引进螺线管中，直导线的两端联结在电流计上。观察导线中的电流的有无，令法拉第失望的是他还是没看到自己预想的结果，没有看到电流计指针的偏转。直导线中没有感生电流的产生。实验三：这个实验类似于实验二，同样是把一空心螺线管的两端接在了电池的两极，不同的是这次法拉第把直导线放在了螺线管的外面，直导线的两端也同样两着电流计，还是很遗憾法拉第还是没看到自己的预想的结果。电流计的指针没有偏转，直导线中还是没有感生电流。经过十年的实验，失败，再实验，再失败的不断的努力。于1831年，法拉第终于发现，一个通电线圈的磁力虽然不能在另外一个线圈中引起电流。但是当通电线圈的电流刚接通或者刚中断的时候，另一个线圈中的电流计指针有微小偏转，但是又立刻回到了原来的位置。法拉第眼前一亮，没有放过这个异常的偏转，紧紧的抓住了它。之后法拉第又经过多次的反复实验都证实了当磁作用力发生瞬间的改变时，另外的一个线圈就会有感生电流产生。在1831年8月29日，法拉第在他的实验日记中第一次记载了有关的电磁感应现象：“已经定做一个铁环（软铁），铁环直径为八分之七英寸，铁环外径为六英寸，在环的半边用铜线绕城许多线圈。线圈之间用麻线或者白布所隔（绕线圈的）的三条长铜线各长二十四英尺，他们既可以成一条长的，也可以分开使用，用一电池来做实验。每个线圈与其他线圈绝缘。假设环的一边为，在另外一边，要空开一个间隔。缠上两根导线，他们的总长大约六十英尺，其方向同前面的线圈一样，称为。使一个有十对极板，每板有四平方英寸的电池充电。用铜导线将一个线圈，或者更确切的说把边的一个线圈的两个端点联结，让铜导线通过一段距离，恰好经过一根磁针的上方（距离铁环三英尺远），然后把电池联结到A边的一个线圈的两端。这个时候立即可以观察到磁针上的效应它振荡起来了。最后又停在了原来的位置上。一旦断开端与电池的联系，磁针再次被扰动。”法拉第把这个实验中产生的现象称为“伏打感应”，意指由伏打电池激发的电流感应。电磁感应现象终于第一次被详细描述。法拉第电磁感应现象的发现有着他不懈的努力，一次次的试验，一次次的失败。但是也有着他幸运的一面。假若当时他先把A便线圈两端接上电池两极，使A线圈中先通有电流，那么就没有小磁针的摆动。这也是他能发现电磁感应现象的关键一步。也正是法拉第的观察细微才能有了电磁感应现象的发现。同瑞士科学家拉顿相比法拉第也算是个幸运儿。同年，也就是1831年9月24日，法拉第在两条磁棒极中间放上一个绕有线圈的圆铁棒，线圈与电流计联结，当圆铁棒脱离或者接触两级的瞬间，电流计的指针会偏转。同年10月1日，他把两组间绕的线圈缠在同一个圆柱形木芯上，也同样观察到了“伏打效应”小磁针的扰动。由此法拉第认识到铁芯的存在不是产生电流感应的本质。10月17日法拉第在一个直径为四分之三英寸，长八英寸的空芯纸筒上绕了八个线圈，把们并联起来，再与一电流计联结，然后他把磁棒插入纸筒时发现，电流计的指针突然发生了偏转，然后又很快的回到了平衡位置。当法拉第把磁棒抽出纸筒时，电流计的指针又偏向了另外的一边，接着又回到了平衡位置。这个现象表明不仅伏打电池在闭合或者断开的瞬间可以激发电流，磁体相对与线圈的运动也能激发电流，法拉第称这个现象为“磁感应” 。10月28日，法拉第又做了旋转圆盘的实验，在实验的过程中，拉第发现只有铜盘稳定的旋转，产生的电流就是稳定的。这个就是我们今天所用的直流发电机的原理。根据自己实验的结果以及实验中观察到的现象，法拉第总结了电磁感应的发现，把可以产生感生电流的情况概括为五点：第一种情况是变化的电流可以感生出电流;第二种情况是变化的磁场可以感生出电流；第三种情况是运动的稳恒电流可以感生出电流；第四种情况是运动的磁铁可以感生出电流；第五种情况是在磁场中运动的导体也同样可以感生出电流。在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。他在论文中把自己总结的五点感应电流的情况做了描述：变化着点电流；变化着的磁场；运动的稳恒电流；运动的磁铁和在磁场中运动的导体。他正确的指出了感应电流与原电流的变化有关，而与原电流本身无关。并把述现象定名为“电磁感应现象”至此法拉第划时代的发现电磁感应现象被揭示了，但是电磁感应定律的确立，却是一直到1851年才被建立的。3电磁感应定律3.1电磁感应定律的数学表达式法拉第虽然发现了电磁感应现象，并且最终确立了电磁感应定律。但是由于他数学知识的贫乏法拉第没能提出电磁感应定律的数学表达式，电磁感应定律的数学表达式最后是由与法拉第同一时代的德国科学家诺曼（）与另一位科学家韦伯共同提出的。若闭合电路为一个匝的线圈，则又可表示为：式中为线圈匝数，为磁通量变化量，单位为发生变化所用时间，单位为.为产生的感应电动势，单位为V。当穿过回路的磁通量发生变化时，回路中的感生电动势的大小和穿过回路的磁通量变化率等成正比，即=这就是法拉第电磁感应定律。 当磁通量增加时， ，这时为负值，即感生电流产生的磁场和原磁场方向相向；当磁通量减少时，这时为正值，即感生电流产生的磁场和原磁场方向相同。中学阶段，物理量的大小和方向常常是分开讨论的。如=仅反映了它的大小，其方向由楞次定律或右手定则来确定。感生电动势和磁通量的变化率成正比，不是和磁通量的多少成正比。例如，有一个线圈在匀强磁场中匀速转动，当线圈平面转到和磁场垂直，即线圈内磁通量达到最大时，它的变化率却最小，这时感生电动势为零。而当线圈转到和磁场平行，即穿过线圈的磁通量为零时，磁通量的变化率却达到最大，这时产生的感生电动势达到最大值。3.1.1.感应电动势的大小计算公式（普适公式）（法拉第电磁感应定律，感应电动势(V)，感应线圈匝数，:磁通量的变化