物理电磁感应分析论文

物理电磁感应分析论文

　　【摘要】文章阐述了在英国19世纪初的社会背景下，法拉第的成长背景、科学背景以及他发现电磁感应定律的过程。

　　【关键词】法拉第；电磁感应；皇家研究院

　　一、19世纪初英国的科学、哲学与社会

　　19世纪初叶，不论是对于英国还是欧洲大陆的德国、法国都是可以称为是科学复兴和发展的时期。在欧洲大陆，各国科学思想交流广泛，科学探究方法也普遍得到认同，科学成为了国际性的事业。同时，科学与社会的联系也日益紧密。支配科学方法的那种数学精神也影响了贸易、商业和工业。“科学上的每个进步都增进我们对实际生活中某些可测量现象的驾驭；而实际生活中每个新发展都为科学探究准备了一块新的领域”。

　　英国虽然也受到德、法两国的影响，但是，同哲学上的德国和科学上的法国相比，英国在本世纪表现得明显的无所建树。这一时期科学在法国可以夸耀的那种组织和保护在英国却闻所未闻。英国科学没有一个中央组织机构，也没有形成什么学派，相反则是独立的个人风格。

　　在经济方面，英国的资产阶级正处于工业化过程中，他们越来越发现科学发展对技术革新产生的巨大影响。新的技术学院相继建立，企业为其提供资金支持，还设立各种奖金；私人性质的学会和民间组织也可以从个人、企业或国家支持，继而可以从事工业所需的相关科技研究。这样的联系一方面使科学不再是有闲、有钱的阶层的特权，而是作为一种职业存在；另一方面，科学也越来越成为实验室、工厂和市场的差使。自由研究的可能性越来越小，取而代之的是仅仅解决实际生产中技术层面的问题。

　　在哲学与科学思想方面，英国也受到德国自然哲学兴起的影响。自然哲学是用化学、数学，运用对立、互补、有机结合等概念来解释自然。对立和统一思想就是自然哲学的产物。正是由于这一思想的广泛传播才在科学上引起了一个重要的结果。科学家开始关注多年被视为毫无关系的电现象和磁现象，开始研究电学和磁学以及电、磁之间的相互联系。

　　二、法拉第及其早年的成长和工作的背景

　　法拉第出生于伦敦的一个贫民窟，父亲是铁匠。虽然家境贫苦，但幼年的法拉第还是读了几年小学。在那里他学习了基本的读写和算术。这样的基本教育使得法拉第从1804年开始在G.黎堡先生的书店作装订学徒的生活可以变得有意义。他可以阅读所要装订的大量书籍。正是在这长达7年学徒生活中，法拉第读到了I.瓦茨的《意识的改善》，“这本书成了指导法拉第学习的第一位老师”。在装订《大英百科全书》中J.梯特勒撰写的“电学”条目时，法拉第开始对科学产生了最初的兴趣。“他开始在书店的住处做实验，并记实验日记，一直坚持了数十年”。试想如果没有早年的基本读写和算术教育。这些书籍不可能对法拉第走上科学道路产生最初的影响。

　　法拉第曾在1810年参加了由J.塔特姆组织的“市哲学学会”。“这个学会的成员每星期三在塔特姆家聚会，讨论感兴趣的科学问题、交流将已，听塔特姆作自然哲学讲演”。正是在市哲学学会法拉第完成了他的“基本科学造就”。在获得了力学、电学、光学、化学等基础学科的启蒙之时，他的兴趣也与日俱增的集中于科学。

　　法拉第在1812年2月～4月听了戴维的四次讲演，他仔细作了笔记，将笔记仔细装订并在当年的12月送给了戴维，明确地表达了从事科学的愿望。1813年在戴维推荐下法拉第成为皇家研究院的实验室助理。至此，法拉第开始了他风云变化的科学历程。

　　三、电磁感应定律的发现

　　（一）19世纪20年代电磁学的发展。

　　1820年，奥斯特发现电流磁效应后，物理学界表现了极大的关注，但同时也认为这就是电磁关系的全部内容。1821年英国《哲学年鉴》的主编约请戴维撰写一篇文章，评述奥斯特发现以来电磁学实验的理论发展概况．戴维把这一工作交给了法拉第．法拉第在收集资料的过程中，对电磁现象的研究产生了极大的热情，并开始转向电磁学的研究。1821年，法拉第发现了电磁旋转现象，第一次实现了将电磁力转化为机械力。他仔细地分析了电流的磁效应等现象，1822年他在日记中写下了自己的思想：“磁能转化成电”。与此同时，毕奥与安培对于奥斯特的发现做出回应，他们二人在关于电磁作用力的性质的问题上展开了一场争论。毕奥认为电、磁都是不能变更的实体，在电磁相互作用中得到统一。而安培则认为电、磁是相同的实体，同一性在电流方面反映出来。法拉第也许从这场争论中隐约看到，处理电磁学方面的问题，力比物质、效应比实体是更为关键的东西。1822年，阿拉果和洪堡在进行地磁强度测定时发现金属可以阻止磁针的振荡。这其实是人类发现的第一个电磁感应现象。1824年阿拉果根据此现象又作了一个实验，将一个铜盘装在一个垂直轴上，让其可以自由旋转，但稍有滞后；反之，当磁针旋转时，铜盘亦然。这就是著名的“阿拉果圆盘实验”。阿拉果本人解释不了这个现象。安培在实验中用通电流的螺线管取代磁针，仍得到阿拉果实验相同的结果。但他没有发现阿拉果圆盘实验反映的是一种全新的事实，而简单的把本来不属于他的电动力学范畴的东西归并入他的理论，使一种已经暴露出来的新现象又重新掩盖起来。

　　（二）法拉第建立电磁感应定律的过程

　　早在1825年11月开始，法拉第就设计了三个实验试图找到磁转化为电的证据，但由于他还没有意识到电磁感应中最关键的东西，这三个实验都失败了。如果法拉第先接好电流计，再把电池接于到鲜活螺线管的两端，他就能看到电流计指针转动。

　　1824～1830年间，英国业余电学家斯特詹、美国的J.亨利和荷兰的G.莫尔等相继对电磁铁作了重大改进，他们都使用蹄形铁芯而获得了比以往更强的磁场。这一系列研究深深的吸引了法拉第。他匆匆忙忙的向皇家学会打报告，请求暂停光学玻璃的研究，以便重新进行放下了多年的电磁研究。

　　法拉第第一要解决的是寻找一种体积小而效益高的电磁铁。起初，他试图用强磁铁靠近闭合线圈或用强电场使邻近的闭合导线中产生出稳定的电流，但一次次都失败了。他探寻使磁体产生最大张力的最好形状是什么，最后他可能作了这样的设想，蹄形电磁铁比棒形电磁铁的能力强，若将铁芯做成环形，可能会获得更高的能力。（这种封闭型电磁铁实为人类的第一个变压器）1831年8月26日，法拉第在日记中描述了线圈的样子。厚7/8英寸，外环直径6英寸的软铁环上绕上两个彼此绝缘的线圈A和B。B的两端用导线连接成闭合回路，在导线的下面放置一个与导线平行的小磁针（相距3英尺）；A和一个电池组连接在一个开关上（这个线圈现存于伦敦皇家学会，线圈上仍带有法拉第当年给它们写上的标号A和B）1831年8月29日，法拉第在进行这一实验时偶然发现，当开关合上有电流通过线圈A的瞬间，小磁针发生了偏转，随后又停在原来的位置上，当开关断开时，磁针又发生了偏转。这个实验成功的关键是他先把B边的线圈短路，而后才把电池接到A边的线圈上。如果实验程序刚好相反，什么效应也观察不到了。法拉第把这一现象称为“伏打电感应”。法拉第此时还没有明确的领悟到这一现象是暂态性的。他以为A边接上电流以后B边附近的磁针会持续偏转，但实验表现的是磁针的瞬时的扰动，而后很快又静止在原先的位置上，不管电池接上的时间有多长。在1831年10月17日，法拉第开始了电磁感应的第二阶段的实验。他在一个直径为3/4英寸、长为8英寸的空心纸筒上绕8个线圈，并将这8个线圈并联起来，再与一个电流计连接。当他把一根磁棒插入纸筒时，他惊喜的发现，电流计指针忽的偏转起来，然后很快又回到平衡位置；当他把磁棒抽出纸筒时，指针又忽的转向另一边，然后很快就又回到平衡位置。每次把磁棒插入或抽出时，这种效应都会出现。法拉第通过这个实验看出，不仅伏打电池在关和断的瞬时可以激发电流，磁体相对于线圈的运动也能激发电流。他称这种现象为“磁感应”。法拉第仍不满足这个实验，他希望用更大磁铁进一步实验，当时伦敦皇家学会的大磁铁防在克里斯提家里。法拉第预先做好一根直径为3/4英寸、长13英寸的软铁柱和一个套在软铁柱上的螺线管（称之为“0线圈”）。1831年10月28日，他带着这些东西登门实验。他对实验做了如下记录：“将软铁柱(接在蹄形磁铁的)两个磁极上，当电流计与导线还未连接时，电流计受影响甚微，以至无法感知。但是，当导线（与电流计）连接后，一旦断开或接通与软铁柱的磁接触时，一种强大的推力就迫使电流计指针来回振荡多次。”“将0线圈忽然带进磁铁的大磁极之间，它里面没有铁棒，这是（电流计）指针受到强烈影响。若一旦将它抽出，就会发生与前面情况一样的结果。”同一天法拉第还做了一个旋转通盘实验，N、S表示蹄形磁铁的两极，D为可绕轴在垂直平面内旋转的铜盘。他又在一个电流计的两个接线柱上接上两个电刷，当使铜盘旋转起来后，将两个电刷分别防在铜盘的各个部位，以测定产生感应电流的最佳方向。经过反复实验，法拉第发现只要转动铜盘，便可以在铜盘轴心和边缘两处引出电场，只要铜盘保持不停的恒速旋转，产生的电流就一直是稳定不变的。这个装置其实是人类的第一台直流发电机。

　　至此，法拉第不仅实现了由永久磁体产生电流的设想，而且完全弄明白了这种转化的暂态性。1831年11月24日，法拉第在伦敦皇家学会宣读了他的《电学实验研究》第一辑的四篇论文。法拉第在这组论文中总结了他对电磁感应的发现，提出了“电紧张态”和“磁力线”两个新概念，在此基础上总结电磁感应定律，并完美的解释了阿拉果圆盘实验。

　　从1821年的电磁旋转实验到1831年正式完成电磁感应定律有十年之久。其实这段时间法拉第的主要精力都用在合金钢和光学玻璃的研制。实际的工业上的需要占据了他的大部分研究时间。这一时期法拉第所写的论文、日记及信件，涉及到电磁学问题的寥寥可数。这是电磁感应定律在奥斯特发现电流的磁效应后十年才被发现的原因之一。

　　【参考文献】

　　[1]（英）梅尔茨.十九世纪欧洲思想史（第一卷）[M].北京：商务印书馆，1999.

　　[2]钱临照，许良英.世界著名科学家传记Ⅲ[M].北京：科学出版社，1994.

　　[3]约瑟夫·阿盖西.法拉第传[M].北京：商务印书馆，2002.

　　[4]M.H.沙摩斯.物理史上的重要实验[M].北京：科学出版社，1985.

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