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第5章 电磁感应现象

从1820年起,由于奥斯特的工作,电磁热席卷欧洲。

学术刊物上涌现出形形色色的论文。1821年英国《哲学学报》编辑约法拉第(1791—1867)写了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。他原来是一名文具店学徒工,从小热爱科学,发愤自学,由于化学家戴维的帮助,他进到皇家研究所的实验室当了一名助手,开始显露才华。1821年他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。在实验过程中他发现了一种新现象,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,载流导线也会围绕单独的磁极旋转。这就是著名的电磁旋转实验。

与此同时,法拉第对安培理论提出了异议。他指出,安培把磁铁等同于载流螺线管的见解有问题。他设计了一个表演:取一支玻璃管,在上面缠上绝缘导线,做成螺线管,再水平地半浸入水中。然后在水面上漂浮一只长磁针。当通电后,线圈的一端是北极,另一端是南极。让磁针南极正对线圈北极,磁针就应吸向线圈北极,停在北极。可是实际不然。磁针会穿过玻璃管,直到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,它就会沿磁力线无休止地运动下去。法拉第说,和载流螺线管对应的不是实心磁体,而应该是圆筒形磁铁。

安培得知法拉第的批评后甚为不安。他立即发表演说,反驳法拉第,他认为法拉第的圆筒形磁铁和螺线铁管并不一样。按照他的分子电流理论,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。为了证明圆筒形磁铁中的电流是互相抵消的,他当众做了如下的实验:

将绝缘导线绕成许多圈,固定在支架上,两端A与E接电源。再拿薄铜片做成圆环,悬挂在支架上,正好置于线圈内部,线圈通电后,取一磁棒置于铜环近旁,如果铜环里有宏观电流,磁棒就会驱使铜环偏转。安培的结果是铜环不偏转。由此安培得出结论:既然实验证明铜环内不存在宏观电流,可见铜环内只存在分子电流。

任何一位学过电磁感应定律的读者都会判断,这是一个典型的电磁感应现象。只要细心做下去,总可以发现在线圈通电或断电的瞬间,铜环里有感应电流。可是由于安培一心要证明他的分子电流学说,满足于铜环不偏转,他走到了电磁感应的边缘,却没有深入研究这个问题,因而错过了发现电磁感应的机会。

法拉第不久就知道安培公开对他的质疑作了答辩,立即重复上述实验。可惜,他所依据的资料把安培的圆环误画为圆盘,所以法拉第重复了多次实验,都没有得到新的进展。

如果安培能够更客观地对待实验,如果法拉第能够准确地了解安培的设计,也许安培或法拉第早在1822年或1825年就发现了电磁感应。

当然,这只是一个插曲。法拉第发现电磁感应并不是偶然的机遇,而是他一贯追求的结果。

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,其中有如下三个:

(1)线圈接电池通电,一根导线置于线圈旁边,导线两端接电流计构成回路,结果在电流计中未发现感应电流;(2)令导线穿过载流线圈,再接上电流计,也未发现感应电流;(3)令导线绕成线圈置于载流线圈内,电流计仍未指示出电流。

尽管“磁转化为电”的迹象始终未找到,但他的信念并没有动摇。法拉第在实验日记里多次记录了失败的尝试,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,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。法拉第注意到,当接通电池的瞬间,小磁针突然跳动一下;切断电池时,也有同样现象;如果维持接通状态,则毫无反应。法拉第猛然省悟,原来这种感应是和瞬间过程联系在一起的。

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,铁棒两端各放一根磁棒。

当磁棒张合之际,电流计的指针(实际上也是一根磁针)也不断摆动。法拉第想,这两个实验成功的关键在哪里呢?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。

法拉第继续做实验,他于1831年10月17日以磁棒插入线圈,发现在磁棒插入和拔出的瞬间,线圈会产生感应电流。

他把磁棒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。

他不满足于瞬时效应,总想能直接实现磁生电。于是继续做实验,终于在1831年l0月28日用旋转铜盘做成功了。

他把铜盘置于马蹄形磁极之间。从铜盘的轴心和边沿引两根导线接于电流计,旋转铜盘,就可从这两根导线引出了持续了电流。

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。

就在法拉第宣布发现电磁感应现象的前后,也有一些科学家在作电产生磁的研究。例如:美国的亨利在研究电磁铁的过程中也发现有电磁感应现象。他不大放心,迟疑不决,没有公开发表自己的结果。还有一位瑞士物理学家,叫科拉顿。他已经接近发现的边缘,但实验的安排有问题。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,失去了观察到瞬时变化的良机。

法拉第的成功绝不是偶然的。他的执著追求是和他坚定的信念分不开的。对于法拉第来说,发现电磁感应现象并不是他的最终目标。他继续研究磁与电之间为什么会有感应现象。经过反复实验,他得到了更为重要的收获,就是认识到场的存在。他认为感应现象是因为电和磁的周围介质进入了一种“紧张状态”,通过介质的“紧张状态”把相互作用传递过去。就在思考这一传递过程时,法拉第萌发了一个非常稀奇的想法,他连忙把这一想法写成了备忘录交皇家学会,锁在保险箱里。

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