法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)

法拉第經(jīng)過十年的試驗(yàn)、失敗、再試驗(yàn)、再失敗，于1831年夏又重新回到磁產(chǎn)生電流這一課題上來，終于取得了突破性的進(jìn)展。1831年8月29日法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)的第一個(gè)效應(yīng)，即以一個(gè)電流產(chǎn)生另一個(gè)電流。關(guān)于這一實(shí)驗(yàn)，法拉第的日記中作了詳細(xì)記載，現(xiàn)摘錄如下:

1)磁產(chǎn)生電的若干實(shí)驗(yàn)，等等，等等。

2)用軟鐵作材料制備一7/8英寸粗的圓鐵棒，將它彎成一個(gè)外徑為6英寸的圓環(huán)。在圓環(huán)的半邊，用三股紗包銅線纏繞，每股24英寸長(zhǎng)，每繞一股后用白布包裹隔開。使用時(shí)，既可以將三股銅線連成一股，也可分成三股單獨(dú)使用。然后檢查各股銅線相互間是否絕緣。我們稱鐵環(huán)的這半邊為A，(見圖)，與這一邊隔開一段空隙的另一邊用銅線繞了兩股線圈，總長(zhǎng)為60英寸，繞向與A邊線圈相同我們稱之為B。

3)用由10對(duì)4英寸見方的金屬片組成電池供電。用一根較長(zhǎng)的銅導(dǎo)線將B邊線圈的兩端連接起來，銅線的一段置于離鐵環(huán)3英尺遠(yuǎn)處的一個(gè)小磁針的上方，將電池與A邊線圈中的一股接通;接通時(shí)，小磁針立即產(chǎn)生一明顯的效應(yīng)。小磁針來回?cái)[動(dòng)，最終穩(wěn)定在原來的位置上。當(dāng)切斷A邊與電池的連接時(shí)，小磁針又出現(xiàn)來回?cái)[動(dòng)。

4)若將A邊上三股銅線接成一單股線圈，然后讓來自電池的電流通過總的線圈，這時(shí)小磁針產(chǎn)生的效應(yīng)比上述情況強(qiáng)很多。

5)不過，小磁針上的效應(yīng)只是導(dǎo)線直接接通電池時(shí)可能產(chǎn)生的效應(yīng)的一個(gè)非常小的部分。

6)將簡(jiǎn)單的B邊線圈改裝一下，作成一個(gè)扁平的線框，線框沿磁子午線平面放在小磁針S極的西邊，當(dāng)有電流通過時(shí)，便顯示出最好的效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，線框與小磁針距鐵環(huán)約三英尺，鐵環(huán)與電池相距一英尺。

7)當(dāng)上述準(zhǔn)備都就緒后，將電池與A邊線圈的兩邊接通，在接通的瞬間，線框強(qiáng)烈地吸引小磁針，在幾次振動(dòng)之后便又回到它原來的自然位置，而處于靜止?fàn)顟B(tài)，接著當(dāng)切斷電池的連線時(shí)，小磁針被強(qiáng)烈地排斥，幾次振動(dòng)后，又回到與前相同的位置，處于靜止?fàn)顟B(tài)。

8)在此，效應(yīng)是明顯的，但是瞬時(shí)的，然而，在切斷與電池的連接時(shí)，效應(yīng)的再現(xiàn)說明有一個(gè)平衡位置，它必須是能明顯地回到那個(gè)位置。

9)開始接通電池時(shí)，小磁針極的方向指向線框.好象B邊線圈是A邊線圈的一部分，即兩者中的電流具有相同的方向;而當(dāng)切斷電池的連接時(shí)，由小磁針的運(yùn)動(dòng)方向判斷此瞬間A、B兩者中的電流方向相反。

10)用一根7/8英寸粗、4英寸長(zhǎng)的短鐵柱，用4段14英尺長(zhǎng)的導(dǎo)線纏繞，將四股導(dǎo)線接成一股，以代替上述扁平線框。小磁針象以前一樣受到作用，然而看起來鐵芯并不有助于磁力的產(chǎn)生，因?yàn)楝F(xiàn)在的作用不比剛才不用鐵芯的線框時(shí)的作用來得更大?，F(xiàn)在的作用與以前一樣，也是瞬時(shí)的，可逆轉(zhuǎn)的。

這就是法拉第第一次成功地觀察到電磁感應(yīng)現(xiàn)象的生動(dòng)記錄。從法拉第日記中可以看到，電磁感應(yīng)(由磁產(chǎn)生電)的發(fā)現(xiàn)是他意料之中的事，使他感到意外的是電磁感應(yīng)竟是一種短暫效應(yīng)，而奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)卻是一種穩(wěn)定效應(yīng)，在他的思想中，電磁感應(yīng)似乎也應(yīng)當(dāng)是一種穩(wěn)定效應(yīng)，所以在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)是短暫效應(yīng)后，他在日記中就突出地記錄了這一點(diǎn)。

法拉第在圓環(huán)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了兩個(gè)極有見地的問題:第一，圓鐵環(huán)能不能不要，沒有它能否仍有感應(yīng)效應(yīng)?第二，不用A邊線圈，而用磁鐵相對(duì)于B邊線圈運(yùn)動(dòng)，B邊線圈內(nèi)是否仍有感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生?法拉第帶著這些問題在以后的十天中又連續(xù)地做了許多實(shí)驗(yàn)。其中有一個(gè)是這樣的:法拉第"把長(zhǎng)為203碼(約為186米)的用紗布包起來的銅導(dǎo)線繞在很寬的木線筒上，再在原繞組線圈上絕緣地繞上同樣長(zhǎng)度的紗包銅線，將一個(gè)繞組與電流計(jì)連接，另一個(gè)繞組與100對(duì)金屬板組成的電池組連接。發(fā)現(xiàn)當(dāng)電健接通和斷開的曝間，電流計(jì)指針擺動(dòng)……;電鍍合上后，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線灼熱，但電流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)"。

9月24日，法拉第在兩條磁棒的N、S極中間放上一繞有線圈的圓鐵棒，線圈與一電流計(jì)連接，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓鐵棒脫離或接近兩極的瞬間，電流計(jì)的指針就會(huì)偏轉(zhuǎn)。

10月17日法拉第又發(fā)現(xiàn)另一種形式的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。他用一線圈與電流計(jì)相連接，然后將一永久磁鐵迅速插入與拔出線圈.發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針也會(huì)偏轉(zhuǎn)。

l0月28日法拉第還進(jìn)行了最早的發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)。他把直徑為12英寸，厚為1/5英寸的銅盤裝在水平的黃銅軸上，又將兩條長(zhǎng)為6-7英寸，寬約1英寸，厚約1/2英寸的小磁鐵相對(duì)放置在銅盤邊緣，見圖所示，他用另一電流計(jì)的兩個(gè)接線柱上引出兩個(gè)碳刷(圖中未畫出)。實(shí)驗(yàn)時(shí)讓銅盤飛快旋轉(zhuǎn)，同時(shí)把兩個(gè)電刷分別接觸于銅盤的不同位置，以確定產(chǎn)生感應(yīng)電流的最佳位置，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)由盤心O到磁極所對(duì)的銅盤邊緣可以產(chǎn)生最大的感應(yīng)電流，這臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)際上是一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)--人類歷史上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)。

1831年，法拉第用如圖所示的裝置實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)a線圈接通或切斷電源的瞬間，在b線圈附近的小磁針突然跳動(dòng)，說明在接通或切斷電源的瞬間，b線圈中有電流感生出來。在物理學(xué)的發(fā)展史上，曾有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期一直未找到電與磁的聯(lián)系，把電與磁現(xiàn)象作為兩個(gè)并行的課題分別進(jìn)行研究。直至1820年7月奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)后，才不再把電與磁的研究看作相互孤立的，而是作為一個(gè)整體看待。

奧斯特的論文發(fā)表后，在歐洲科學(xué)中引起了強(qiáng)烈的反響，投入了大量的人力、物力對(duì)電磁現(xiàn)象進(jìn)行研究。既然電與磁有密切關(guān)系，電能產(chǎn)生磁，那么很自然地會(huì)想到它的逆效應(yīng);"磁能產(chǎn)生電"嗎?為此科學(xué)家們開始進(jìn)行了長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)探索。自1820年至1831年的十多年間中，當(dāng)時(shí)許多著名的科學(xué)家，如安培、菲涅耳、阿拉果、德拉里夫等一大批科學(xué)家都投身于探索磁與電的關(guān)系之中，他們用很強(qiáng)的各種磁場(chǎng)試圖產(chǎn)生電流，但均無結(jié)果，究其原因是抱住穩(wěn)態(tài)條件不放，而沒有考慮暫態(tài)效應(yīng)，因此十多年中研究進(jìn)展不大。

在這其間，法拉第(M.Faraday，英，1791-1867)受命于他的老師戴維(H.Davy)也開始轉(zhuǎn)向電磁學(xué)方面的研究。

他仔細(xì)分析了電流的磁效應(yīng)等現(xiàn)象，認(rèn)為電流與磁的作用應(yīng)分幾個(gè)方面:那就是電流對(duì)磁、電流對(duì)電流，磁對(duì)電流等?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生磁的作用，電流對(duì)電流的作用，那么反過來，磁也應(yīng)該能產(chǎn)生電。法拉第認(rèn)為既然磁鐵可以使近旁的鐵塊感應(yīng)帶磁，靜電荷可以使近旁的導(dǎo)體感應(yīng)出電荷，那么電流也應(yīng)當(dāng)可以在近旁的線圈中感應(yīng)出電流。他本著這種信念，在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之前六年的日記中就寫下了他的光輝思想:"磁能轉(zhuǎn)化為電"。

并使用了"感應(yīng)"(Induction)這個(gè)詞，可見他對(duì)于電磁感應(yīng)的存在是堅(jiān)信不疑的。但如何從實(shí)驗(yàn)中去發(fā)現(xiàn)這種感應(yīng)現(xiàn)象，卻非易事。起初，法拉第也簡(jiǎn)單地認(rèn)為用強(qiáng)磁鐵靠近導(dǎo)線，導(dǎo)線中就會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，或者在一根導(dǎo)線里通以強(qiáng)大的電流，那在鄰近的導(dǎo)線中也會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，他作了大量的試驗(yàn)，但均以"毫無結(jié)果"而告終。

法拉第前后一共做了類似的幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)，最終認(rèn)識(shí)到感應(yīng)現(xiàn)象的暫態(tài)性，提出只有在變化時(shí)，靜止導(dǎo)線中電流才能在另一根靜止導(dǎo)線中感應(yīng)出電流;而導(dǎo)線中的穩(wěn)恒電統(tǒng)不可能在另一根靜止導(dǎo)線中感應(yīng)出電流的。

1831年11月24日，法拉第寫了一篇論文，向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)報(bào)告了整個(gè)實(shí)驗(yàn)情況，他把可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的情形概括為五類:⑴變化著的電流;⑵變化著的磁場(chǎng);⑶運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流;⑷運(yùn)動(dòng)的磁鐵;⑸在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。他正確地指出感應(yīng)電流與原電流的變化有關(guān)，而與原電流本身無關(guān)。法拉第把上述現(xiàn)象正式定名為"電磁感應(yīng)"。至此，法拉第作出了劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)--電磁感應(yīng)現(xiàn)象。但電磁感應(yīng)的規(guī)律，一直到1851年才最后建立。

當(dāng)時(shí)在磁產(chǎn)生電方面進(jìn)行探索的并不只是法拉第一個(gè)人，在瑞士、美國(guó)和俄國(guó)都有人在進(jìn)行這方面的研究。瑞士物理學(xué)家科拉頓曾企圖用磁鐵在線圈中獲得電流，他用一個(gè)線圈與一檢流計(jì)連成一閉合回路，為了使磁鐵不致于影響檢流計(jì)中的小磁針，特意將檢流計(jì)放在隔壁的房間里。科拉頓在一邊用磁鐵棒在線圈中不斷地插入與拔出，然后又跑到另一房間里去現(xiàn)察檢流計(jì)，但每次都得到零結(jié)果，最終沒有能發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

遠(yuǎn)在美國(guó)的物理學(xué)家亨利(J.Henry，1797-1878)于1827年也進(jìn)行了電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。他用紗包銅線在一鐵芯上繞了兩層，然后在銅線中通電，發(fā)現(xiàn)鐵芯上僅僅三公斤的鐵片居然吸起了三百公斤重的物體。亨利以此為開端，終于發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象，他把這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)總結(jié)在《螺旋狀長(zhǎng)導(dǎo)線內(nèi)的電氣自感》一文中，因此，從時(shí)間上說亨利先于法拉第獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但他沒有公開發(fā)表這一結(jié)果，為此他十分后侮與沮喪。

1832年，俄國(guó)物理學(xué)家楞次(H，F(xiàn).E.Lenz，1804-1865)受到法拉第的啟發(fā);也開始了一系列的電磁實(shí)驗(yàn)，并取得了成果。1833年楞次發(fā)表了《論動(dòng)電感應(yīng)引起的電流的方向》，宣布了關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基本規(guī)律，指出感應(yīng)電流的方向是使它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與引起感應(yīng)的原磁場(chǎng)的變化方向相反，這就是楞次定律。

由此可見，在法拉第同時(shí)代，有不少物理學(xué)家對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象作了多方面的研究，也取得了不少成功，但就其規(guī)模、時(shí)間與深入的程度、取得的成果而言，都不及法拉第，因此人們把發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的主要功績(jī)歸功于法拉第是恰當(dāng)?shù)?，把電磁感?yīng)定律稱為法拉第電磁感應(yīng)定律的道理也在于此。

電磁感應(yīng)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，對(duì)人類社會(huì)有著劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。由于電磁感應(yīng)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，使人類得到了打開電能寶庫(kù)的金鑰匙，使后來發(fā)明發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器，以及交流電的利用等等成為可能。由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，把機(jī)械能變?yōu)殡娔埽宫F(xiàn)代社會(huì)能得到廉價(jià)的電能。今天，人類社會(huì)進(jìn)入電氣時(shí)代，與電感感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是分不開的。