§3.7 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 3

—9。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，它就会沿磁力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。

■图 3−9 法拉第的电磁旋转器

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 3−10）。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旁，如果铜环里有宏观电流，磁棒就会驱使铜环偏转。否则，只可能有分子电流。安培的实验表明铜环里只有分子电流。

这是 1822 年的事。如果安培细心做下去，肯定会发现，在线圈通断电的瞬间，铜环里会出现宏观电流。遗憾的是安培一心只是想证明他的分子电流学说，竟错过了发现电磁感应的机会。

■空心磁体中的分子电流螺线管中的宏观电流图 3−10 安培的解释

据文献记载①，法拉第在知道安培的答辩后，也重复了这个实验。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没有得到结果。

如果安培能更客观地对待实验，如果法拉第能准确地了解安培的实验，也许他们中的一位会比 1831 年早好几年发现电磁感应。

当然，法拉第发现电磁感应并不是偶然的机遇，而是他一贯追求科学真理的结果。他和奥斯特一样，笃信自然力的统一，早就在寻找“磁生电”的迹象了。

从 1824 年到 1828 年，法拉第多次进行电磁学实验。他仔细分析电流的磁效应，认为电流与磁的相互作用除了电流对磁、磁对磁、电流对

① L.P.Williams,Am.J.Phys.54(1986),p.306.

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：

线圈接电池通电，一根导线置于线圈近旁，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。

令导线穿载流线圈而过，再接于电流计，也未发现感应电流。再将导线绕成线圈置于载流线圈内，仍未发现感应电流⋯⋯。

尽管“磁转化为电”的迹象还未找到，法拉第的信念始终没有动摇。他在实验日记里多次记录了不成功的尝试，顽强的意志跃于纸上。

1831 年 8 月 29 日，法拉第终于取得突破性进展。

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，如图3−11。法拉第在日记中写道①：

“使一个有 10 对极板，每板面积为 4 平方英寸的电池充电。用一根铜导线将一个线圈，或更确切地说把 B 边的线圈的两个端点联接，让铜线通过一个距离，恰好经过一根磁针的上方（距铁环 3 英尺远）。然后把电池联接在 A 边线圈的两端；这时立即观察到磁针的效应，它图 3−11 法拉第的电磁感应线振荡起来，最后又停在原先的位置圈上，一旦断开 A 边与电池的联结，磁针再次被扰动。”

■图 3−11 法拉第的电磁感应线圈

法拉第继续试验，注意到如果维持通电状态，磁针毫无反应。法拉第这才猛省，原来这类感应现象有特殊性，是和瞬间变化的过程联系在一起的。

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，如图 3−12。当磁棒张合之际，电流计的磁针也不断摆动。

■图 3−12 法拉第又一个电磁感应实验

一个月后，法拉第对各项试验作了总结，向英国皇家学会报告说：产生感应电流的情况可以分为五类：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。

法拉第只是定性地用文字表述了电磁感应现象。1833 年楞茨（Lenz）进一步发现楞茨定则，说明感应电流的方向。1845 年才由纽曼

（F.E.Neumann，1798—1895）以定律的形式提出电磁感应的定量规律，

即感应电动势为：

ε = − ∂A dl

∂t

① Faraday′sDiary,Bell,(1932)Vol.1,p.279.

其中A是纽曼最先提出的矢势函数：A = i dl。

法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应，他还发现了光磁效应（也叫法拉第效应）、电解定律和物质的抗磁性。他在大量实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。