法拉第的电磁学研究

法拉第的电磁学研究

李佳

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物理1102

法拉第（Miched Faraday,1791-1867）是19世纪电磁学领域最伟大的实验物理学家。他没有受过系统的正规教育，而是通过刻苦自学成才。他通过实验研究发现了电磁旋转现象和电磁感应现象，用力线概念描述电磁作用，这些工作为麦克斯韦建立电磁场理论铺平了道路。

一、电磁偏转现象的发现

奥斯特发现电流磁效应的消息传到英国后，法拉第开始关注电磁学的进展情况，并进行了一系列实验研究工作，由此导致他发现电磁旋转现象等重要成果。

法拉第关于电磁旋转现象的研究可以分为三个阶段。1821年9月3日至10日，法拉第进行第一阶段的实验研究，发现了电磁旋转现象并进行了一些相关研究；同年12月21日至25日，他对地磁和电流之间的作用进行了研究；在1823年1月23日至28日，他做了一些判决性实验，对电磁旋转中的一些特殊现象做了进一步的研究。1821年9月3日，法拉第将一段导线与伏打电堆连接，是其中有电流通过，然后将小磁针方在导线周围不同的位置，发现在导线周围存在4个位置，小磁针的一极在两个位置受到导线的吸引，两个位置受到导线的排斥。因此他认为，磁极与通电导线之间的作用力并不是直线式的吸引力和排斥力，而是圆周力。

9月4日，他设置了简单装置。关于磁体围绕导线转动的装置，法拉第在日记中写到：“将磁体的一极利用铂块坠入到水银面以下，只留下另外一极露出水银面，连接导线使得导线一端进入磁极附近的水

银里”。通电后磁体的一极即围绕导线的一端旋转。至此，法拉第完成了电磁学转现象的发现。1821年10月，法拉第在《科学季刊》上发表了《论某些新的电磁运动兼论磁学的理论》一文，其中描述了自己的这一发现。同年12月21日至25日，法拉第对通电导线在地磁作用下的运动现象进行实验研究。通过实验，他成功地使通电导线在地磁作用下进行了旋转运动。

二、电磁感应现象的发现

电磁转动效应实验的成功，大大鼓舞了法拉第在这一领域里继续进行深入探索的信心，并引导他同样想到奥斯特发现的逆效应是否存在的问题。在1822年的日记里他写下“由电产生磁，由磁产生电”的大胆设想，并着手于后一个转化的艰苦探索，最终实现了由磁向电的转化。

在1821年到1831年间，法拉第曾经由于冶炼不锈钢、改良光学玻璃和研究气体的液化而常常中断这一探索，但还是不时回到这个课题上。起初，他试图用强磁铁靠近闭合导线或用强电流使临近的闭合导线中产生出稳定的电流，但都一次次地失败了。

1831年8月29日法拉第在进行这一实验时偶然

发现（如右图所示），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；当开关断开切断电流时，磁针又发生

了偏转。这表明，一个电流通过铁环介质而感应出了另一个电流。法拉第把这一现象称为“伏打电感应”。这个实验通常被称为电磁感应

的发现，但事实上并不完全如此。因为法拉第虽然想到了这就是他将近十年的由磁产生电流的现象，但还没有明确地领悟到这一现象的暂态性的本质特点。

这是法拉第第一个成功的电磁感应实验。他进一步分析了这个实验的成功与哪些因素有关。她发现，只要回路中电流发生变化，就会有电磁感应产生。同年9月24日，他在一根铁棒上绕上铁圈，将铁圈与电流计连接，在铁棒两端各放一根条形磁铁。将铁棒反复拉进拉出时，电流计指针会不断摆动。10月17日，他将一个螺线管与电流计连接，将一根条形磁铁插入螺线管中，当来回拉动磁体时，指针也

会左右摆动。10月28日，法

拉第将一根铜盘置于马蹄形

磁铁之间，从铜盘的轴心和边

缘各引出导线与电流计连接，

使铜盘不停地转动，就会有持

续的电流流过电流计（如图所

示）。这其实是世界上第一台

原始的直流发电机。

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：“论电流的感应”、“论从磁产生电”、“论物质的一种新的点条件”、“论阿拉果的磁现象”。在这组论文中，法拉第总结了关于电磁感应的研究成果，将产生感应电流的情况分为五类：变化的电流；变化的磁场；运动的恒稳电流；运动的磁铁；运动

的导线。这标志着电磁感应定律的发现。

1845年，德国物理学家纽曼（F.E.Neumann）从理论上推导出了法拉第电磁感应定律的数学表达式。虽然法拉第并没有把他的研究结果用数学公式定量表示出来，但他对于电磁感应现象的丰富研究，无疑有资格赢得发现的全部荣誉。用现代语言来表述，当回路内部的磁通发生变化时，回路上产生的感应电动势同总磁通的时间变化率成正比，用数学公式表示如图公式表达。

三、电磁力线理论的提出

为了描述电磁作用，法拉第构想出“力线”图像。他认为，在电荷和磁极周围空间充满了电力线和磁力线，电力线将电荷联系在一起，磁力线将磁极联系在一起，电荷和磁极的变化会引起相应的力线变化。之后，他有引入了“电力线”的概念，设想电力也像磁力一样是通过力线传播的。

在后来的研究中，法拉第发现了磁致旋光效应、顺磁体和抗磁体等与磁性有关的现象，使他充分认识到分布于一定空间范围的磁力线是客观存在的实体。1851年，他在《磁的传导能力》论文中提到了物质的导磁性原理，认为不同的物质有不同的磁导率，顺磁体的磁导率较高，能让空间较多的磁力线通过；抗磁体的磁导率较低，组织磁力线的通过，因而会排斥磁力线。在同年写成的《论磁力线》一文中，法拉第肯定了磁力线是真实存在的实体，它可以独立于磁体而存在，不论传播多远都不会减损、破坏、消失，磁力线不是由磁体产生的，而只能为磁体所收拢。磁力线经过磁体进入空间，又返回磁体，形成

闭合的曲线。所以，在空间和磁体中磁力线的数目相等。法拉第也指出了电力线和磁力线的区别：前者是有源的，非闭合的力线，因而是有极性的，决定于介质的极化状态；后者则是无源的、非闭合的力线，因而是非极性的，代表“纯空间”的一种基本力的属性。

在1852年发表的《关于磁力的物理线》一文中，法拉第强调磁力线、静电的力线、电动的力线都是物理力线，它们是通过媒介传递的近距作用力。在1855年发表的《论磁哲学的一些观点》中，法拉第论述了力线实体性的四个标志：力线的分布可以被物质所改变；力线可以独立于物体而存在；力线具有传递力的能力；力线的传播经历时间过程。在1857年发表的《论力的守恒》中，法拉第把“热力线”、“光线”、“重力线”、“电力线”和“磁力线”都列入空间力场的范围，指出力或场是独立于物体的另一种物质形态，物体的运动都是场作用的结果。

法拉第的电磁学实验研究对电磁学的发展做出了重要贡献。法拉第的学生和朋友丁铎尔（J.Tyndall,1820-1893）在法拉第传记中写到“这位铁匠的儿子，订书商的学徒，他的一生一方面是可以得到十五万英镑的财富，一方面是完全没有报酬的学问，要在这两者之间做出选择，结果他选择了后者，终生过着穷困的日子。然后，他却使英国的科学声誉比各国都高，获得接近四十年的光荣。”

法拉第摆脱了传统思维的束缚，用他过人的实验技巧和丰富的想象力，最终为电磁理论奠定了最为坚实的基础，他不愧为19世纪最伟大的科学巨匠。

一旦科学插上幻想的翅膀，它就能赢得胜利。

——迈克尔法拉第

参考文献：

李艳平申先甲《物理学史教程》科学出版社北京2003

胡化凯《物理学史二十讲》中国科学计算大学出版社安徽2009