法拉第电磁感应实验

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，1791－1867)受命于他的老师戴维(H．Davy)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。1931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6－7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(J．Henry，1797－1878)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，F．E．Lenz，1804－1865)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。