法拉第与磁力线

法拉第新观念的产生，基于大量的科学实验。前面曾讲到法拉第发现了电磁感应现象，但如何解释这种现象呢？法拉第引进了“具有张力的电”这样一个新概念。他在《电学实验的研究》一书中写道：“具有张力的电使它的邻近处于相反带电状态，这种能力我们已经用普通术语感应一词来表示了。由于感应一词已经纳入科学术语之中，因此我们也就可以恰当地在同样普遍意义下用感应一词来表示电流所具有那种能力，即能使它邻近本来在平常状态的物质感应至某种特殊状态的能力。”“更进一步说：不管采用安培的漂亮理论或其它什么理论，也不管思想上作些什么保留，都会感到下述论点十分特别，即每一电流总伴有一个与它的方向成直角的磁作用力；然而电的良导体，当放在该作用范围内时，却应该没有任何感生电流流过它，也不产生在作用力方面与此相当的某些可觉察的效应。”“对这些问题及其后果的考虑，再加上想从普通的磁中获得电的希望，时时激励着我从实验上去探求电流的感应效应。最近，我得到了肯定的结果，这不仅满足了我的期望， 而且使我得到了全面解释阿拉果现象的关键，并且还发现了一种新情况，这在电流的某些最重要的效应中可能有巨大的影响。”

阿拉果是法国天文学家和物理学家，当他听到奥斯特的新发现后，大约做了两周左右的大量实验，除了验证奥斯特的实验结果无误外，还发现了新的现象，这就是铁的磁化现象。在他给科学院的报告《关于在伏打电流的作用下，铁与钢的磁化实验》中，作了如下描述。用一个螺旋线圈，在其中放置了铁（或钢）针，当线圈与伏打电池接通之后，使铁（钢）针具有了磁性， 后来，又发现通电线圈具有吸引铁屑的能力，并且还发现铁屑在线圈周围呈圆形排列。1824 年阿拉果发现了更加难于理解的实验现象：悬挂着的磁体（它可以自由转动）在它的下方平行放置一个可自由转动的铜圆盘。如果两者的距离足够近，当磁体转动时将引起铜盘的转动；而铜盘转动时，又会使磁体转动。对于刚刚发现电流的磁效应的科学界来说，是无法解释这些奇特现象的。

法拉第发现电磁感应现象之后，在试图对阿拉果的神秘实验予以科学的解释过程中，产生了磁力线的观念。《电学实验的研究》的 116 条目中，法拉第第一次绘制了表示磁力线的图形。其中有一个条形磁铁和一个银质小刀。并解释了小刀做切割磁力线运动时，小刀本身将产生什么样方向的感生电流，同时对磁力线的画法作了注解：“磁力线就是磁力的线，它的形状与磁铁放置的位置方式无关。它表示放在玻璃板上的铁屑或者小磁针所描绘的线。”他在后来的许多论文中，对磁力线作了详尽的论述。

首先，他认为磁力线并不是一些假想的几何线，而是代表着实实在在的物理实体。他指出铁屑所描绘出来的力线，只是力线存在的检验，没有铁屑空间也存在着这种力的作用线。他写道：“我不得不深信磁力线概念的真实性，因为它是以实验为基础建立起来的，而不是纯粹假设性的。”

其次，他认为每根磁力线都对应一对磁极或电荷。许多磁力线可组成力管，力管的横截面代表那个区域力的强弱。力管的收缩和扩张的趋势，是引起磁极或电荷相互吸引或排斥的原因，而且力线在几何上随距离平方稀疏起来，这说明电力或磁力遵从平方反比定律。

接着他又把布满力线的空间称之为“场”，力线疏密则是表示场的强弱。

这样就赋予空间以物理实在性质，而不是虚空。当然，力线概念本身并没有彻底摆脱力学的观念，这并不奇怪，这是科学发展的继承性遗留给新概念中的旧痕。1851 年他在《论磁力线》论文中指出：“无论导线是垂直地还是倾斜地切过磁力线，也无论它是沿着某一方向或沿着另一方向，这根导线都能把它所切割过的力线中的力汇集在一起”，因此“形成电流的力应该正比于切割磁力线的数量”。

1837 年法拉第又根据另一个实验结果，即由于力线在介质中的稠密程度与真空中不同而提出了近距作用的概念。当他在金属电容器中插入电介质后，电容器的电量与没有电介质时不同，并得出如下结论：两金属板上的电荷的相互作用不是超距的，而是通过介质逐点传递的，是一种近距作用。

法拉第还认为以太中的场和绝缘物质中的场并没有固有的差别，对于以太，其介电常数ε＝1，而对于其它绝缘物质的介电常数ε≠1。

约·汤姆逊曾对法拉第的力线观念有过这样的评价：在法拉第的许多贡献之中，最伟大的一个贡献就是力线概念。他认为借助于力线可以最简单地把电场和磁场的许多性质表示出来。确实如此，法拉第把电磁相互作用的空间“实体化”，对电磁场理论的建立，起了桥梁作用。