法拉第的电磁感应定律

时间:2023-12-14 01:39:01

既然电流有磁效应,科学家自然想到磁可能也会有电流效应。尽管许多人为此做了不少实验,但磁的电流效应并未立即被发现。直到奥斯特的发现过去10年后,英国物理学家法拉第和美国物理学家亨利才完成了这一壮举。

法拉第的电磁感应定律

19世纪最伟大的实验科学家法拉第的一生,是在逆境中顽强奋斗的一生。他于1791年9月22日生于伦敦郊区纽因顿的一个贫穷的家庭。父亲是个铁匠,有10个孩子,家境十分不佳。少年法拉第只学会了读书写字便失学了。1804年,他进了一家印刷厂当童工,次年成为装订学徒。利用工作之便,法拉第经常禁不住翻开他要装订的书,读读其中的内容。正是在这样的条件下,法拉第学到了不少科学知识。业余时间,他也试着做了几个化学实验,还装了一台起电机。1812年,当时著名的化学家戴维在皇家研究院做一系列化学讲演,法拉第得到了一张票。他十分惊喜地发现自己完全能听懂戴维的讲演,这说明多年的苦读并非徒劳。整个讲座期间,法拉第认真听讲,并做了详细的笔记。这一年,他到了一家法国人开的印刷厂当正式装订工,但工厂主对工人很不好。法拉第每每想起从事科学事业是多么光荣和崇高,可眼前的工作环境充满了欺诈和自私自利,遂决定离开这里。他先是给皇家学会的会长写了一封信,请求得到学会的推荐,在皇家研究院的化学实验室里找一份差使。这封信石沉大海,杳无音信。法拉第又斗胆给大化学家戴维本人写信,并将自己记的戴维的讲演笔记装订得很漂亮,一起寄给了戴维。戴维为这位自学青年的才能和好学精神所感动,立即回了一封信予以鼓励,但没有答应法拉第的求职要求。后来,戴维与一位助手闹翻了,这位助手被解雇后,他想到法拉第的一再请求,便通知法拉第,说实验室有一个刷洗瓶子的工作。法拉第愉快地接受了这个工作,虽然工资比当装订工时还低。

1813年,22岁的法拉第正式当上了戴维的助手,走进了他梦寐以求的科学殿堂。不久,戴维夫妇到欧洲大陆旅游,法拉第作为助手和仆人跟随。虽然戴维夫人甚至很不客气地将法拉第当奴隶使唤,他也虔诚地忍受了。这次旅行让法拉第大开眼界。他见到了电化学的始祖伏打和其他著名的科学家。1815年回国后,法拉第逐渐在实验室里显示了卓越的实验才能。他先是与戴维一起研究矿井使用的安全矿灯,后来又投入化学研究。1816年,法拉第发表了第一篇学术论文。1823年,他发现了加压液化二氧化碳、硫化氢、溴化氢和氯气等气体的方法。1825年,又发现了苯。他还在电化学方面做出了开创性工作,“电解”“电极”以及阳极、阴极等名词就是法拉第最先使用的。由于他在实验方面的出色成就,1824年被选为皇家学会会员,1825年被任命为皇家研究院实验室主任。戴维很快发现法拉第有着极为出色的实验天才,对他产生了妒忌。据说在选举皇家学会新会员时,只有他一个人反对法拉第当选。尽管如此,法拉第还是怀着敬慕的心情称颂戴维,感谢戴维早期对他的培养和教导。

奥斯特实验传到英国后,在英国物理学界也引起了强烈的反响。1821年,戴维和另一位英国物理学家沃拉斯通重复了奥斯特的实验,并且试图用固定的强磁铁让载流导线绕自己的轴旋转,但是没有成功。法拉第受他们的启发,在同年成功地使一根小磁针绕着通电导线不停地转动。这使他相信,电流对磁铁的作用力本质上是圆形的。法拉第实验成功的这个装置大概是历史上第一台电动机。虽然还只是玩具,但不久就改变了世界。

法拉第也像其他许多科学家一样,相信不仅有电流的磁效应,也应有磁的电流效应。1824年,他曾设计了一个实验以检验这种效应。他让两根导线平行放置,然后将一根导线通电,看看另一根导线中会不会有电流感应。他当时希望看到导线中产生稳定的电流,结果瞬间的电流感应未被他注意。之后多次实验均无结果。

1831年8月29日,他又设计了一个新的实验。他在一个软铁环上绕了两段线圈,一段线圈与电池相连,另一段则与电流计相连。这时他发现,当电池接通时,电流计产生强烈的振荡,但不久又回到零的位置,而当电池断开时,电流计又发生了同样的现象。法拉第起先不明白其中的含义。9月24日,他将与电流计相连的线圈绕在一个铁圆筒上,又发现每当磁铁接近或离开圆筒时,电流计都有短暂的反应。这表明,磁确实可以产生电,虽然只是短暂的。

同年10月1日,法拉第将两根绝缘铜线分别绕在同一根木头上,形成两组线圈,一组与电流计相连,另一组与电池相连。当电池接通或断开时,电流计指针跳动,随后就回到零位。17日,法拉第进一步发现,仅仅用一根永磁棒插入或拔出线圈,就能从与线圈相连的电流计中发现指针偏转。法拉第十分清楚,他已经用实验证明了感生电流的存在。11月24日,他向皇家学会提交了一篇论文,报告了他的重大发现。感生电流的发现有着重大的意义,它意味着通过连续地运动磁体可以不间断地得到电流。据说法拉第本人很快就做了一个模型发电机。电动机和发电机的问世预示着人类电气时代的到来。

1834年,法拉第发现了自感现象。单独一个线圈在接通或断开电流的一瞬间总会产生一个很强的“额外”电流,这个额外电流在断电时与原电流方向相同,试图加强它,在通电时与通电电流方向相反,试图反抗它。

应该提到,另外还有一个人与法拉第同时做出了电磁感应的伟大发现。他就是美国物理学家亨利。1827年8月,亨利因为试制电磁铁而发现了自感现象。1830年8月,他又初步发现了电流引起的磁场在通电或断电时能产生瞬间的电流。亨利的实验时间均在法拉第之前,但由于他的实验结果一直没有发表,人们还是将电磁感应现象的发现归功于法拉第。

这本来也是历史的公正。法拉第不仅独自发现了电磁感应现象,其研究的深度和广度无人能及,还运用他自己创造的“场”和“力线”概念,建立了电磁感应定律。在法拉第以前,人们已经知道了许多物理作用力不是通过直接接触实现的,如牛顿的万有引力、库仑的静电力、磁极之间的作用力,以及新近发现的电流之间的磁作用力等,而且它们均遵守距离的平方反比关系。牛顿本人相信引力是即时作用,既不需要传播媒介,也不需要时间,是一种超距作用。后来的科学家均持有这种观点。但是法拉第不同意这种超距作用观,天才地创造了“场”和“力线”的概念。

法拉第认为,电磁作用力均需要媒介传递,因为他从实验中得知,电介质影响带电体之间的电磁作用。他设想,带电体或磁体周围有一种由电磁本身产生的连续的介质,来传递电磁相互作用。这种看不见、摸不着的介质,被他称作“场”。为了直观地显示“场”的存在,他又引入了“力线”的概念。他设想,电力线或磁力线由带电体或磁体发出,散布于空间之中,作用于其中的每一电磁物体。演示磁力线的实验今天为每一个初中生所熟悉。将铁屑撒在一张纸上,纸下放一块磁铁,轻轻弹动这张纸,纸上的铁屑就会排成一个规则的图形。法拉第说,铁屑所排成的形状就是磁力线的形状。

有了力线的概念,法拉第就能够进一步解释电磁感应现象。他在发表于1851年的《论磁力线》一文中说,只要导线垂直地切割磁力线,导线中就有电流产生,电流的大小与所切割的磁力线数成正比。这篇论文实际上正式将电磁感应现象确立为一条定律。法拉第由于从小没受过正规教育,其数学能力十分欠缺,但他对物理世界天才的洞察力弥补了这一不足。“力线”概念就是一种极为出色的非数学化的图像式想象,至今仍为物理教学所喜用。

1938年,在皇家学会的档案里发现了法拉第1832年3月12日写给皇家学会的一封信。信中,他先提到电力和磁力的传播需要时间,接着他说:“我认为,磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动,也就是说,我打算把振动理论应用于磁现象,就像对声音所做的那样,而且这也是光现象最可能的解释。”在这封信里,法拉第实际上预言了电磁波的存在。

1845年,法拉第发现了磁的旋光效应即著名的法拉第效应。次年,他又提出光的本性是电力线和磁力线的振动。这一看法后来被麦克斯韦发展成为光的电磁说。

自进入皇家研究院实验室以来,法拉第的新发现一个接一个。及至19世纪40年代,法拉第声名大振,数不清的荣誉向他袭来,但他依然像当年那个学徒工那样对科学一往情深,对金钱和地位不屑一顾。成名之后,他热情地给普通群众主办通俗科学讲座,希望科学能像当年在他心中引起崇高的理想那样教育下一代青年人。据说法拉第是一位十分优秀的演说家,作家狄更斯以及王室成员都是他忠实的听众。有人曾建议他当皇家学会的会长,他没有答应。国王要封他爵位,他也谢绝了。19世纪50年代英俄交战时,英国政府曾请法拉第领导研制毒气,被法拉第断然拒绝。他临终前要求葬礼尽量简朴,不要立纪念碑。1867年8月25日,法拉第在伦敦谢世,遵遗嘱没有举行大的送葬仪式。他在长达42年(1820—1862)的科研生涯中,每天坚持对当天的实验情况做详细记录。这些日记于1932年为纪念他发现电磁感应100周年而出版。煌煌7大卷、长达3236页的巨著,记载了这位科学伟人的毕生心血。生活于电气化时代的人们,全都缅怀这位电学大师的丰功伟绩。