法拉第電磁感應實驗其他科學家的想法與實驗

當時在磁產生電方面進行探索的并不只是法拉第一個人，在瑞士、美國和俄國都有人在進行這方面的研究。瑞士物理學家科拉頓曾企圖用磁鐵在線圈中獲得電流，他用一個線圈與一檢流計連成一閉合回路，為了使磁鐵不致于影響檢流計中的小磁針，特意將檢流計放在隔壁的房間里?？评D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，但每次都得到零結果，最終沒有能發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象。

遠在美國的物理學家亨利(J.Henry，1797-1878)于1827年也進行了電磁感應的實驗。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，他把這個實驗發(fā)現(xiàn)總結在《螺旋狀長導線內的電氣自感》一文中，因此，從時間上說亨利先于法拉第獨立地發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，但他沒有公開發(fā)表這一結果，為此他十分后侮與沮喪。

1832年，俄國物理學家楞次(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驗，并取得了成果。1833年楞次發(fā)表了《論動電感應引起的電流的方向》，宣布了關于電磁感應現(xiàn)象的基本規(guī)律，指出感應電流的方向是使它所產生的磁場與引起感應的原磁場的變化方向相反，這就是楞次定律。

由此可見，在法拉第同時代，有不少物理學家對電磁感應現(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)電磁感應定律的主要功績歸功于法拉第是恰當?shù)?，把電磁感應定律稱為法拉第電磁感應定律的道理也在于此。

電磁感應規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，對人類社會有著劃時代的貢獻。由于電磁感應規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，使人類得到了打開電能寶庫的金鑰匙，使后來發(fā)明發(fā)電機、電動機、變壓器，以及交流電的利用等等成為可能。由于電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，把機械能變?yōu)殡娔?，使現(xiàn)代社會能得到廉價的電能。今天，人類社會進入電氣時代，與電感感應的發(fā)現(xiàn)是分不開的。

法拉第前后一共做了類似的幾十個實驗，最終認識到感應現(xiàn)象的暫態(tài)性，提出只有在變化時，靜止導線中電流才能在另一根靜止導線中感應出電流;而導線中的穩(wěn)恒電統(tǒng)不可能在另一根靜止導線中感應出電流的。

1831年11月24日，法拉第寫了一篇論文，向英國皇家學會報告了整個實驗情況，他把可以產生感應電流的情形概括為五類:⑴變化著的電流;⑵變化著的磁場;⑶運動的穩(wěn)恒電流;⑷運動的磁鐵;⑸在磁場中運動的導體。他正確地指出感應電流與原電流的變化有關，而與原電流本身無關。法拉第把上述現(xiàn)象正式定名為"電磁感應"。至此，法拉第作出了劃時代的發(fā)現(xiàn)--電磁感應現(xiàn)象。但電磁感應的規(guī)律，一直到1851年才最后建立。

這就是法拉第第一次成功地觀察到電磁感應現(xiàn)象的生動記錄。從法拉第日記中可以看到，電磁感應(由磁產生電)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竟是一種短暫效應，而奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應卻是一種穩(wěn)定效應，在他的思想中，電磁感應似乎也應當是一種穩(wěn)定效應，所以在發(fā)現(xiàn)電磁感應是短暫效應后，他在日記中就突出地記錄了這一點。

法拉第在圓環(huán)實驗的基礎上，進一步提出了兩個極有見地的問題:第一，圓鐵環(huán)能不能不要，沒有它能否仍有感應效應?第二，不用A邊線圈，而用磁鐵相對于B邊線圈運動，B邊線圈內是否仍有感應效應產生?法拉第帶著這些問題在以后的十天中又連續(xù)地做了許多實驗。其中有一個是這樣的:法拉第"把長為203碼(約為186米)的用紗布包起來的銅導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度的紗包銅線，將一個繞組與電流計連接，另一個繞組與100對金屬板組成的電池組連接。發(fā)現(xiàn)當電健接通和斷開的曝間，電流計指針擺動……;電鍍合上后，發(fā)現(xiàn)導線灼熱，但電流計指針不偏轉"。

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，線圈與一電流計連接，他發(fā)現(xiàn)當圓鐵棒脫離或接近兩極的瞬間，電流計的指針就會偏轉。

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

l0月28日法拉第還進行了最早的發(fā)電機實驗。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，又將兩條長為6-7英寸，寬約1英寸，厚約1/2英寸的小磁鐵相對放置在銅盤邊緣，見圖所示，他用另一電流計的兩個接線柱上引出兩個碳刷(圖中未畫出)。實驗時讓銅盤飛快旋轉，同時把兩個電刷分別接觸于銅盤的不同位置，以確定產生感應電流的最佳位置，經(jīng)過反復試驗，他發(fā)現(xiàn)由盤心O到磁極所對的銅盤邊緣可以產生最大的感應電流，這臺實驗裝置實際上是一臺直流發(fā)電機--人類歷史上第一臺發(fā)電機。

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

1)磁產生電的若干實驗，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，每繞一股后用白布包裹隔開。使用時，既可以將三股銅線連成一股，也可分成三股單獨使用。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，總長為60英寸，繞向與A邊線圈相同我們稱之為B。

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

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，這時小磁針產生的效應比上述情況強很多。

5)不過，小磁針上的效應只是導線直接接通電池時可能產生的效應的一個非常小的部分。

6)將簡單的B邊線圈改裝一下，作成一個扁平的線框，線框沿磁子午線平面放在小磁針S極的西邊，當有電流通過時，便顯示出最好的效應。實驗時，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)當上述準備都就緒后，將電池與A邊線圈的兩邊接通，在接通的瞬間，線框強烈地吸引小磁針，在幾次振動之后便又回到它原來的自然位置，而處于靜止狀態(tài)，接著當切斷電池的連線時，小磁針被強烈地排斥，幾次振動后，又回到與前相同的位置，處于靜止狀態(tài)。

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

9)開始接通電池時，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;而當切斷電池的連接時，由小磁針的運動方向判斷此瞬間A、B兩者中的電流方向相反。

10)用一根7/8英寸粗、4英寸長的短鐵柱，用4段14英尺長的導線纏繞，將四股導線接成一股，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生，因為現(xiàn)在的作用不比剛才不用鐵芯的線框時的作用來得更大。現(xiàn)在的作用與以前一樣，也是瞬時的，可逆轉的。

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

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

并使用了"感應"(Induction)這個詞，可見他對于電磁感應的存在是堅信不疑的。但如何從實驗中去發(fā)現(xiàn)這種感應現(xiàn)象，卻非易事。起初，法拉第也簡單地認為用強磁鐵靠近導線，導線中就會產生穩(wěn)定的電流，或者在一根導線里通以強大的電流，那在鄰近的導線中也會產生穩(wěn)定的電流，他作了大量的試驗，但均以"毫無結果"而告終。

1831年，法拉第用如圖所示的裝置實驗發(fā)現(xiàn)，當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，說明在接通或切斷電源的瞬間，b線圈中有電流感生出來。在物理學的發(fā)展史上，曾有相當長的時期一直未找到電與磁的聯(lián)系，把電與磁現(xiàn)象作為兩個并行的課題分別進行研究。直至1820年7月奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應后，才不再把電與磁的研究看作相互孤立的，而是作為一個整體看待。

奧斯特的論文發(fā)表后，在歐洲科學中引起了強烈的反響，投入了大量的人力、物力對電磁現(xiàn)象進行研究。既然電與磁有密切關系，電能產生磁，那么很自然地會想到它的逆效應;"磁能產生電"嗎?為此科學家們開始進行了長期的實驗探索。自1820年至1831年的十多年間中，當時許多著名的科學家，如安培、菲涅耳、阿拉果、德拉里夫等一大批科學家都投身于探索磁與電的關系之中，他們用很強的各種磁場試圖產生電流，但均無結果，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，因此十多年中研究進展不大。