(二)电磁感应现象的发现

1822 年，安培和德莱里弗做了一个电流的感应效应的实验。如图 7—5 所示，他们将强磁体移向铜环，当线圈与电池接通时，发现铜环发生了偏转。这本来是由于铜环中产生了感应电流的缘

图 7—5 安培在 1821 年和 1822 年所做实验的装置

故。而当时他们两人却局限在安培的分子电流框架内作出解释，认为当线圈与电池接通时，铜环暂时地被磁化了，在铜环中有分子电流产生， 铜环的转动是由于强磁极对分子电流作用的结果。不久后，法拉第便得知这一重要实验的信息，但他在重复这一实验时，没有使用铜圆环，而是用了一个铜盘，由于铜盘的转动惯量太大，所以没有观察到安培所看到的效应。

1822 年阿拉果(D．F．Arago，1786—1853)和洪堡(A．V．Humboldt，

1769—1859)在测定格林威治山的磁强度时，偶然发现金属可以阻尼磁针的振荡。阿拉果想，既然一个运动着的磁针可以被金属片所吸引，那末，一个静止的磁针也一定可以被一个运动着的金属片带走。1825 年，他作了一个圆盘实验，在一个可以绕垂直轴旋转的铜盘正上方悬挂一根磁针，当铜盘旋转时，磁针跟着旋转，但有所滞后。这本来是由于铜盘中产生了感应电流的缘故。而他们当时却作了机械论的解释，认为是由于金属盘的旋转离心力使盘中两种电流体分离而形成电流，这种电流作用于磁针中的分子电流，便扰动了磁针。阿拉果的实验给法拉第留下了深刻的印象，引起了他不断的思索，他力图揭开这一令人不解之谜。

1823 年，法拉第继续作一系列电磁旋转的实验，通过实验使他想到既然电对磁有作用，一定有磁对电的反应用；既然电流能产生磁，则磁也一定能产生电流。1825 年，他在《科学季刊》上发表了一篇文章《在磁影响下的电流》，他写道：“当磁极绕着载流导线运动时，可能有一种反作用施加在电流上，会产生明显的效应。据各种理由预测，一个强磁铁的磁极接近导线时会减少导线中的电流。”[5]

1831 年 10 月 24 日，在法拉第向皇家学会提交的论文中谈到了探索电磁感应的动机。“⋯⋯一方面，各种电流都伴随有相应强度的磁作用，它的方向与电流的方向呈直角；而另一方面，若将电的良导体放入有磁作用的环境中，在导体内竟然完全不会引起感应电流，也不产生任何可觉察到的等效于这种电流的作用，这是很不平常的。”“对这些问题及其后果的考虑，再加上想从普通磁中获得电的希望，时时激励着我从实验上去探求电流的感应效应。”[6]

为了实现磁产生电，法拉第从 1824 年起作了一系列实验。1824 年 12

月 28 日，他在日记上写道：“期望一个强磁极接近导线时通过导线的电流会受到影响，以便显示在导线其它部分中的某些反作用效应，但是未觉察到任何这类效应。”他把不同长短不同粗细的铜线或银线作成螺旋线与电流计和电池相联接构成一个回路，把磁极放入螺旋线，并未发现电流计指针的偏转。[2]

1825 年 1 月 28 日，他用载流导线进行感应实验。实验 1：用一根直导线与伏打电池的两极联接，使另一根导线与之平行且相距两张纸的厚度， 后者两端与电流计相连，未显示出任何作用。实验 2：把一根螺旋线与电池两极联接，直导线穿过它，后者两端连接电流计，没有影响。实验 3： 用一根直导线与电池联接，在直导线上放一根螺旋线，后者两端联接电流计，没有影响。由此他得出结论：“不能以任何方式从这种联线中提供任何明显的效应。”[2]

图 7—6

1828 年 4 月 22 日，法拉第用一根线把一个铜线环固定在导线上并把它悬挂起来，象一个扭秤一样。把强磁棒的极穿入环内，假定铜线环内产生了感应电流，但是把其它磁铁靠近导线，无论放在什么位置，都没有任何效应产生。[2]

年复一年的实验，失败一个接着一个，给他带来了不少的苦脑，但是他并不灰心，他坚信电与磁是相互联系的，磁一定可以转化为电。正在此时，英国物理学家斯特金发明了电磁铁。他在一块原来没有磁性的软铁上绕以导线，通电以后，软铁就变成具有了强磁性的磁铁。后来，美国物理学家亨利改进了斯特金的电磁铁，用彼此绝缘的丝包铜线代替裸铜线，制成能吸引三百公斤铁的电磁铁。这些对法拉第的进一步研究有一定的启发和帮助。

图 7—7

1831 年 8 月 29 日，法拉第在日记中记述了他第一次成功的实验。他在软铁环的 A 边绕了三个线圈，可以串联起来使用，也可以分开使用。在B 边以同样的方向绕了二个线圈。他把 B 边的线圈接到检流计上，把 A 边的线圈接到电池组上。当电路接通时，法拉第看到检流计的指针立即发生明显的偏转、振荡，然后停止在原来的位置上。这表明线圈 B 中出了感应电流。当电路 A 断开时，他又看到指针向相反方向偏转。把 A 边的三个线圈串联成一个线圈重作以上实验，对磁针产生的效应比以前更加强烈。他看到 B 边的感应电流是明显的，又是瞬时的，只在 A 边断开和接上电源时的瞬间产生。[2]

在第一次发现之后，法拉第继续进行了大量的实验，探讨电磁感应产生的条件。他提出这样的问题：是否可以用其它方法产生同样的效应？铁环是必需的吗？线圈 A 是必需的吗？9 月 24 日，法拉第在两条磁棒的 N、S 极之间放上一条带有线圈的圆铁

图 7—81831 年 8 月 29 日法拉第记录的电磁感应的首次成功实验

图 7—9

棒，线圈与一检流计连接(图 7－9)。他发现当圆铁棒接触 N、S 极和脱离 N、S 极时，检流计的指针就会偏转，他指出这一效应不是永恒的而是瞬时的，“因此，在这里磁转化为电是清楚的”。[2]

10 月 1 日，他把两条长 203 的丝包铜线绕在木筒上。其中一个线圈和检流计相联接，另一个线圈和电池相联接。他发现当电池接通和断开的瞬间，“对电流计的指针有影响，但是如此之小，以致于很难感觉到。因此在没有铁芯的情形下也有感应效应。”[2]

10 月 17 日,法拉第用另一种方式得到了感应效应.他在直径为 3/4 ,

长为8 1 时的空心纸筒上绕了八层螺旋线，把八层线圈并联后再接到电流

2

计上，然后把磁铁棒迅速地插入螺线管时，电流计的指针就偏转了，然后又迅速地拉出来，指针在相反的方向上发生了偏转。“每次把磁棒插进或拉出时，这效应都会重复，因此电的波动只是从磁铁的接近而不是磁铁停止在那里产生的。”[2]

10 月 28 日，他把一个空心螺线管迅速送入一对大的磁极之间(图 7－

10)，检流计的磁针受到强烈的影响。然后又迅速取出，磁针同样受到强烈影响。这是在磁铁与线圈的相对运动中所产生的一种效应。[2]

图 7-10 图 7-11

从 10 月底到 11 月初，法拉第进行了著名的圆盘实验。他在一个铜轴上安装了扁平的铜盘，把它放在磁铁的两极间，用一根导线从铜轴上引出， 另一根导线与铜盘边缘接触，然后把这两根导线与电流计相联接。使铜盘转动时，指针就发生了偏转。当反方向转动时，指针的偏转方向相反。在铜盘继续转动时，指针持续地偏转。[2]这就是一台原始的发电机，通过铜盘的机械转动而产生了电流。这一年圣诞节前夕，法拉第在朋友面前表演了这一实验。当时在场的一位贵夫人取笑地问：“先生，你发明这个玩意儿有什么用呢？”法拉第风趣地回答：“夫人，新生的婴儿又有什么

EXPERIMENTAL RESEARCHES IN

ELECTRICITY.

By

MICHAEL FARADAY, D.C.L.,E.R.S.

FULLERIAN PROFESSOR OF CHEMISTRY INTHE ROYAL INSTITUTIOS. CORRESPONDING MEMBER,ETC.OF THE ROYAL AND IMPERIAL ACADEBLLES OF SCIENCE OF PARIS,PETERSBURGH,FLORENCE,COPENHAGEN,BERLIN, GOTTINGEN,MODENA,STOCKHOLM,PALERMO,ETC.ETC.

Reprinted from the PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS of 1838-1843.

With other Delectrical i’apers

From the QUABTERLY JOURNAL OF SCIENCE and PHILOSOPHICAl MAGAZINK.

VOL.H.

Facsimile-reprint.

LONDONn:

RICHARD AND JOHN EDQARD TAYLOR

PRINTERS AND PUBLISHERS TO THE UXIVERSITY OF LOSDOS.

RED LOS COURT<FLEET STREET.

1844

图 7－12 法拉第写自《电学实验研究》一书的封面用呢？”[7]

1831 年 10 月 24 日，法拉第在提交给皇家学会的一篇论文中，把产生感应电流的情况概括成五类：变化着的电流；变化着的磁场；运动的稳恒电流；运动的磁；在磁场中运动的导体。在《电学实验研究》19 节中，他还讲到感应电流的方向：“当一条载流导线与另一条与之平行的导线相互接近时，感应电流的方向与施感电流的方向相反。”“它们彼此排斥，反对相互接近。”“当两线离开时，感应电流的方向与施感电流的方向相同。” “它们彼此吸引，反对相互分离。”[6]但这只是确定感应电流方向的一个特例，还没有提出确定感应电流方向的普遍法则。他在《电学实验研究》119 节中指出：当一块金属通过磁极前面或两极之间时，所产生的电流与运动方向成直角。据此理由他解释了阿拉果实验，当圆盘在磁场中旋转时， 感应电流的方向近似沿半径方向，在盘内形成闭合的感应电流，即涡电流， 这个电流趋向于阻止磁针和圆盘的相对运动，因此磁针就随着圆盘转动起来。

1832 年，法拉第发现在相同条件下不同金属导体中产生的感应电流与

导体的导电能力成正比(欧姆定律已在 1827 年得出)，他由此意识到在电磁感应中产生了感应“电动力”(Electrometiveforce，用现在的术语应为电动势)。这个“电动力”与导体的性质无关，只取决于导线和磁力的相互作用。在闭合回路中感应“电动力”产生了感应电流，在开路中没有感应电流，但感应“电动力”还存在。

在法拉第工作的前后，还有不少物理学家从事电磁感应的研究。 1829 年美国物理学家亨利(Josoph Honry，1799—1878)在实验不同长度导线电磁铁的提举力时，意外地发现了通电线圈在断开时所产生的强烈的电火花。1832 年，他发表了题为“关于磁生电流与电火花”的论文，宣告了自感现象的发现。他把电池、铜线与水银杯连成一个回路，当铜线不到 1

时，断开电路觉察不出火花。如果用长达 30 或 40 的铜线，把铜线的一端从水银杯中抽出，火花立即产生。如果把导线扭成螺旋线，则断开时， 火花更为强烈。这种效应的强弱依据导线的长度、粗细、形状而定。[7]

1832 年，俄国物理学家楞次(H．F．E．Lenz，1804—1865)获悉法拉第发现电磁感应现象后作了许多电磁实验。11 月 29 日发表了题为“论电磁感应引起的电流方向的决定”一文，提出了确定感应电流方向的一般原则。他提出：“如果一个金属导体在一电流或一磁体附近运动，其所产生

的感应电流的方向是这样决定的，感应电流在磁场中受到的作用力与导线的运动方向相反。”[8]