电磁感应现象

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。