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1、法拉第的贡献法拉第（Michael Faraday，17911867）是一位具有深刻物理思想的伟大的实验物理学家。在电磁学领域，法拉第对电磁关系进行了广泛深入的实验研究，对电磁作用提出了近距作用的物理解释，做出了许多卓越的贡献，其中最重要的是对电磁感应现象的发现、研究和解释。法拉第是电磁场理论的创始者和奠基者，他的工作为麦克斯韦建立电磁场理论奠定了基础。法拉第的成功，主要是因为他有非凡的才智，丰富的想象力，加上足智多谋的实验才能和工作热情，他还具有一些健全的哲学思想。他的深刻的几何学上和空间上的洞察力、以及善于持久的思考能力，正好补偿了他的数学上的不足。但由于他丰富和敏捷的想象力，使他难于和别
2、人进行学术交往，因而他没有直接的学生和合作者，他的工作方法，特别是他思考问题的方法，都妨碍他建立自己的学派。1、法拉第的初期经历图6-11法拉第在他的实验室里迈克尔法拉第（Farady Mochool，17911867）于1791年9月22日生于伦敦附近小村庄的一个铁匠家庭，家里没有特别的文化，也颇为贫穷。法拉第小时受的教育是很差的，13岁时就到一家装订和出售书籍、兼营文具生意的铺子里当了学徒。法拉第在做学徒期间，他专心阅读他所能得到的一切书籍。雇用他的老板待人很好，他不但没有责备法拉第，反而为他创造了一些条件，并且鼓励他自学。慢慢地迈克尔法拉第不但成了最优秀的袋订工，同时同伴们发现，他有惊人
3、的记忆力，广博的知识基础。1810年，19岁的法拉第经人介绍参加了“市哲学学会”，经常听取涉及电学、力学、光学、化学、天文学、实验等许多内容的讲座，获得了广泛的启蒙知识。最先使他对科学产生兴趣，并且使他崇尚科学的是大英百科全书中电学家梯特勒撰写的“电子”条目。梯特勒文笔流畅，语言优美，他撰写的条目着重介绍了18世纪以来电学的发展，特别是电学实验和测试，不乏作者的独到见解，给法拉第留下了难忘的印象。1812年10月，法拉第被推荐给戴维（HDavy）做听写员，记录整理戴维的讲演。1813年2月，适逢皇家研究院空出一个实验室助理的职位，经戴维推荐，法拉第获得了这个职位，成为戴维的助手，从此开始了长达
4、50多年的献身科学的历程。在1830年前，法拉第主要是以化学家的形象被科学界而知晓。那时他已成为很有成就的专业分析化学家和实验顾问，而且更重要的是，由于他的坚实的科学成就已赢得了国际性的声誉。但法拉第最伟大的发现时期是在1830年到1839年，这使他成为电学发现史上第一流的科学家。1820年奥斯特发现的电流磁效应，揭示了长期以来一直认为彼此独立的电现象和磁现象之间的联系。奥斯特的发现震动了学术界，迎来了硕果累累的19世纪20年代，比奥-萨伐尔定律、安培定律、欧姆定律相继确立，电磁学领域取得了引人注目的进展。但是，从发现电流磁效应之日起，人们便关心它的逆效应：磁的电效应。法拉第坚信，电与磁的关系
5、必须被推广，如果电流能产生磁场，磁场也一定能够产生电流。基于这种想法，1824年法拉第把强磁铁放在线圈内，在线圈附近放小磁针，结果小磁针并不偏转，表明线圈并未因其中放了强磁铁而产生感应电流。1825年法拉第把导线回路放在另一通以强电流的回路附近，期望在导线回路中能感应出电流，也没有任何结果。1828年法拉第又设计了专门的装置，使导线回路和磁铁处于不同位置，仍然未见导线回路中产生电流。电流、运动、磁场之间存在联系的概念，其它研究者已都模糊地感觉到了，法拉第对此冥思苦索了十年，他做过许多次实验，但都失败了。2、其它科学家的工作图6-12为阿拉戈因圆盘实验从1820年开始的漫长探索期间，电磁感应现象
6、也并非隐埋深山，有好几位科学家已到达成功的边缘。1822年，阿拉戈在英国格林尼治的一个小山上测量地磁强度时偶然发现，磁针附近的金属物体对磁针的振动有阻尼作用。这就是电磁阻尼现象。由此，阿拉戈猜想，是否存在电磁阻尼现象的逆效应电磁驱动现象，即旋转的金属盘能否带动附近的磁针转动。1824年，阿拉戈做了一个实验，他将一铜盘装在一个垂直轴上，使之可以自由旋转，再在铜盘上方自由悬吊一根磁针，悬丝柔软，以致磁针旋转多圈仍不产生明显的扭力。阿拉戈发现，当铜盘旋转时，磁针跟随着一起旋转，但有所滞后，即两者的旋转异步而非同步。反之，如果使一金属圆盘紧靠磁铁的两极而不接触，则当磁铁旋转起来时，圆盘亦将跟随着磁铁旋
7、转起来，并且两者的旋转也是异步的，即圆盘的转速小于磁铁的转速。这就是物理学史上著名的“阿拉戈圆盘实验”，它显示的是电磁驱动现象。其实电磁阻尼现象和电磁驱动现象都是由涡流引起的，都是典型的电磁感应现象。但在当时，由于这两种现象都没有直接表现为感应电流，因而未能把它们与寻觅已久的电磁感应现象联系起来，只感到它们是无从理解的新现象。当时，也曾有人试图用已知的电磁理论予以解释，但都没有成功。阿拉戈圆盘实验震动了欧洲的物理学家，法拉第把它称之为“非凡的实验”。阿拉戈因圆盘实验荣获1825年的科普莱（Copley）金质奖章。直到1831年，法拉第发现了电磁感应现象并进行了深入的研究之后，阿拉戈圆盘实验的本
8、质才被揭示，得到了正确的解释。1823年，日内瓦年轻科学家科拉顿（Collcdon J D，18021892）做了一个重要的、本来可以发现电磁感应现象的实验，却令人遗憾的以失败告终。科拉顿实验十分简单，他把磁铁插人螺线管中或从其中拔出，想看看由此闭合的螺线管线圈中是否会产生感应电流。然而，由于当时还没有磁电式电流计，导线中是否有电流，需通过在其附近平行放置的小磁针是否偏转来检验。或许是为了避免磁铁棒插入或拔出时对磁针的影响，科拉顿以长导线与螺线管相连，把螺线管和长导线的一端放在屋内，而把长导线的另一端与检验其中是否存在电流的小磁针置于邻屋内，两屋之间挖一小洞，长导线穿过小洞到达与之平行的小磁针
9、附近又再返回与螺线管构成闭合回路。由于没有助手，科拉顿只身往返于一墙之隔的两个房间，在磁铁棒插入螺线管或从其中拔出之后，再到邻屋观看小磁针是否偏转，结果毫无动静。科拉顿已经到达了发现电磁感应现象的边缘，但成功仍然与他擦肩而过，失之交臂。英国物理学家沃拉斯顿（Wouaston WH，17661828）曾经根据奥斯特的发现预言了磁体绕着电流的持续转动和载流导体绕着磁体的转动；但是他的几次实验都失败了。1829年8月，美国物理学家亨利（Henry）在研究用不同长度导线缠绕的电磁铁的提举力时，意外地发现，当通电流的线圈与电源断开时，在断开处会产生强烈的电火花。这其实就是自感现象。但当时亨利未能做出解释
10、，搁置了下来。1832年6月，亨利偶尔读到一条关于法拉第电磁感应的论文摘要，才重新研究，并在同年发表论文，成为自感现象的发现者。3、法拉第电磁感应现象的发现1831年8月，法拉第加大电源，同时增加了线圈的匹数，只有当放有铁芯的线圈与电表连接的开关断开或接通才有电流，法拉第立即抓住了产生电流的关键之点：导体必须切割磁力线，这是他最喜欢的概念之一。在1831年8月29日的日记中，法拉第详细记录了他首次观察到电磁感应现象的实验。引述如下：图6-13为法拉第发现电磁感应所用的纸圈照片“1、由磁产生电的实验，等等。2、做好了的铁环（软铁），圆形，7/8英寸粗，环的外直径为6英寸（图6l3）。用铜线在环的
11、一半绕上好几个线圈，这些线圈都用线和白布隔开铜线有3根，每根约24英尺长，它们可以接起来成为一根，或作为几根单独使用。经试验，每个线圈彼此都绝缘。可以把这一边叫做A。在另一边（与这一边隔一段空隙），用铜线绕了两个线圈，共约60英尺长，绕的方向与A边相同，这边叫做B边。3、使电池充电，电池由10对板组成，每块板的面积为4平方英寸。把B边的线圈联接成一个线圈，并用一根铜线把它的两端联接起来，这根铜线正好经过远处一根磁针（离环约3英尺）的上方。然后，把A边一个线圈的两端接到电池上，立刻对磁针产生一个明显的作用。磁针振动并且最后停在原来的位置上。在断开 A边与电池的接线时，磁针又受到扰动。”法拉第立刻
12、意识到，这就是他寻找已10年之久的磁产生电流的现象。接着，法拉第思考如果不要圆铁环是否仍能得出感应效应。1831年9月24日法拉第做了如图614所示的实验。他在两条磁棒的N极和S极中间放上一个绕有线圈的圆铁棒，线圈与一电流计连接。法拉第发现，当圆铁棒脱离或接触两极的瞬间，电流计的指针就会偏转。法拉第从这个实验中领悟到磁产生电流效应的暂态性。他写道：“正如以前的一些情况一样，作用不是持久的，而纯属瞬时的推或拉。因此，磁变换为电在这里就很清楚了。”1831年10月17日，法拉第用一个与电流计接通的线圈，迅速将一永久磁棒插入或拔出线圈，发现电流计偏转。法拉第在该天的日记中写道：“O是一个空心的纸圆筒
13、，以铜线在外面沿同一方向绕8层螺旋线，全都用线和白布隔开，纸圆筒的内直径为 13/14英寸，外直径整体为英寸，”“用O做实验。圆柱一端8个螺旋的线头都擦净井扎成一束。另一端的8根线头也这样做。再用长铜线把这些扎在一起的头联在电流计上一直径为3/4英寸。长为英寸的圆柱形铁棒恰好插进螺旋圆筒的一端然后很快地把整个长度都插进去，电流计的针动了然后抽出，针又动了，但往相反方向动。这个效应曾重复多次，每次当磁棒插人或抽出时，一个电的波动就这样产生了，它仅仅是由于一根磁棒的接近产生的，而不是由于它在原处的结构产生的。” 1831年11月24日，法拉第在英国皇家学会宣读了他发现电磁感应现象的论文（即电学的实
14、验研究第一辑中的四篇论文，题目分别是论电流的感应，论从磁产生电，论物质的一种新的电状况，论阿拉戈的磁现象）。法拉第根据他所做的实验，把产生感应电流的情况概括成五类：（1）变化着的电流；（2）变化的磁场；（3）运动的恒定电流；（4）运动的磁铁；（5）在磁场中运动的导体。法拉第把他发现的这种现象正式定名为“电磁感应”（electromgneti induction）。法拉第把电磁感应与静电感应类比，正确地指出，电磁感应与静电感应不同，感应电流并不是与原电流有关，而是与原电流的变化有关。为了解释导致电磁感应现象的感应电动势是如何产生的。法拉第提出，在磁体或电流的周围必定存在着一种“电紧张状态”（el
15、octrotonic state）；所谓电紧张状态，就是由磁铁或电流产生的存在于物质或空间中的张力状态。磁铁或电流的运动与变化所引起的电紧张状态的变化，正是产生感应电动势的原因。这种状态的出现、消失以及变化的过程，均能产生感应电动势，使处于这种状态中的导体产生感应电流。法拉第写道：“在螺线管或导线移近或离开磁铁的所有那些情况中，正向的或反向的感应电流会在前进或后退的时间内持续产生，因为在那段时间内电紧张状态升到较高或降到较低的程度，这种变化伴随着相应的电流产生。”关于感应电流的方向，法拉第只有过一些零碎的叙述，德国物理学家楞茨（Lenz H F E， 18041865）在获悉法拉第的发现之后，
16、很快考察了电磁感应现象的全过程。1832年11月，他得出了感应电动势与绕组导线的材料和直径无关，也与线圈的直径无关的结论。1833年11月，他又得出了著名的“楞次定律”，明确提出了确定感应电流方向的基本法则。按照该定律，感生电流所产生的磁场的作用，总是补偿施感磁场的变化，即阻碍施感磁场的变化。楞次定律本质上正是电磁感应现象符合能量转换与守恒定律的具体表现。从1820年奥斯特实验后，经过长达11年的探索，终于在1831年由法拉第发现了作为电流磁效应的逆效应的电磁感应现象，并且认识到电磁感应是一种在变化和运动过程中才出现的非恒定的暂态效应。4、法拉第力线和近距作用观点法拉第在众多的电学实验中，遇到许多实验现象是他无法精确解释的。因为他没有上过学，他对数学一无所知，可以说，他是历史上不懂数学的最伟大的科学家。于是他运用自己的直观能力以图示弥补这一不足，他的这种能力也许是科学史上无人能及的。他把铁屑洒在一张纸上，纸下放一块磁铁
