电磁感应定律的发现

关键词：法拉第 一、 背景
电磁感应定律
电与磁
（一）社会背景 1. 文化方面 19 世纪初叶， 不论是对于英国还是欧洲大陆的德国、 法国都是可以称为是科 学复兴和 发展的时期。在欧洲大陆，各国科学思想交流广泛，科学探究方法也 普遍得到认同， 科学成为了国际性的事业。 同时， 科学与社会的联系也日益紧密。 支配科学方法的那种数学精神也 影响了贸易、商业和工业 。 “科学上的每个进 步都增进我们对实际生活中某些可测量现象的驾驭； 而实际生活中每个新发展都 为科学探究准备了一块新的领域” 。 2. 经济方面 英国的资产阶级正处于工业化过程中，他们越来越发现科学发展对技术革新 产生的巨大影响。新的技术学院相继建立， 企业为其提供资金支持，还设立各 种奖金；私人性质的学会和民间组织也可以从个人、企业或国家获得支持，继而 可以从事工业所需的相关科技研究。这样的联系一方面使科学不再是有闲、有钱 的阶层的特权，而是作为一种职业存在；另一方面，科学也越来越成为实验室、 工厂和市场的差使。自由研究的可能性越来越小，取而代之的是仅仅解决实际生 产中技术层面的问题。 3．哲学与社会科学方面 英国受到德国自然哲学兴起的影响。自然哲学是用化学、数学，运用对立、 互补、有机结合等概念来解释自然。对立和统一思想就是自然哲学的产物。正是 由于这一思想的广泛传播才在科学上引起了一个重要的结果。 科学家开始关注多 年被视为毫无关系的电现象和磁现象，开感应定律前科学家们对电磁感应现象的探索。 1. 电流的磁效应（奥斯特） 在物理学的发展史上有很长一段时期内未找到电与磁的联系， 那个时候电现 象与磁现象是被分别进行研究的尤其是物理学家吉尔伯特与库仑都认为电与磁 是两种截然不同的现象。它们之间没有任何联系和一致性，也正是这样的思想一 直充斥着人们的大脑，使电磁的研究一直不能有更好的进展。
1820 年 7 月 21 日，奥斯特发表了自己的论文， “关于磁针上电流碰撞的实 验” 。向科学界宣布了电流的磁效应。使人们认识到了磁现象与电现象之间的联 系。奥斯特论文的发表引起了欧洲整个科学界的强烈的反响。科学家们把研究的 课题转移到了电与磁上来，要进一步研究两者之间的内在的本质的联系。 2. 阿拉果与安培 在 1822 年阿拉果和德国物理学家洪堡在英国格林威治的一座小山上测量地 磁强度的时候偶然发现了金属阻尼磁针的振荡。于是在 1824 年阿拉果做了著名 的“阿拉果圆盘实验” ：他把一个铜质圆盘装在一个垂直轴上，让其可以自由旋 转，在通盘上方自由悬挂一根小磁针，悬丝柔软且扭力很小。当通盘转动时小磁 针一起转动，但是稍微滞后；反之，小磁针转动时通盘也跟随转动。 同一年，安培也做了类似的实验，他用通电螺线管代替阿拉果圆盘实验中的 小磁针，自然他也发现了同样的结果。这个时候离发现电磁感应定律只有一步之 遥了。但是很遗憾的是安培认为运动中的圆盘分离出来的是电流体而不是磁流 体，它和螺线管中的电流（或者小磁针中的分子电流）相互作用使螺线管（或者 小磁针）跟随旋转。由于安培坚持“二元电流”的观点。认为电流是由两种电流 体沿相反方向运动构成的，把原来不属于电动力学范畴的东西归入到了该理论 内。结果失去了发现电磁感应定律的机会。但是不得不承认安培的实验为电磁感 应定律的发现奠定了一定的基础。 （三）法拉第的个人努力 法拉第是英国著名物理学家、化学家。在化学、电化学、电磁学等领域都做 出过杰出贡献。他家境贫寒，未受过系统的正规教育，但却在众多领域中作出惊 人成就，堪称刻苦勤奋、探索真理、不计个人名利的典范。 他渴望知识，渴望 真理，对待科学严谨认真，百折不挠。他并不满足于现象的发现，还力求探索现 象后面隐藏着的本质；他既十分重视实验研究，又格外重视理论思维的作用。正 是他这种科学精神促使他发现了电磁感应定律
定律。 当磁通量增加时， / t 0 ，这时 感 为负值，即感生电流产生的磁 场和原磁场方向相向；当磁通量减少时， / t 0 ，这时 感 为正值，即感生 电流产生的磁场和原磁场方向相同。 （二）计算公式
E n / t （普适公式） （法拉第电磁感应定律，E : 感应电动势(V)，n :
法拉第电磁感应定律的发现
作者：秦宸 班级：材 13 基地 学号：201300150128 摘要： 法拉第电磁感应定律， 安培定律和库仑定律是电磁学三大基本定律。
这三个定律的建立标志着人类对于电磁现象的认识发展到新阶段。 法拉第的电磁 感应定律，第一次把磁生电的理想变成了现实，实现了电磁力到机械力的转化。 本文简要阐述了电磁感应定律的发现背景，历程，和意义。
三、内容
因磁通量变化产生感应电动势的现象， 闭合电路的一部分导体在磁场里做切 割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应，产生的电流称 为感应电流。这是初中物理课本为便于学生理解所定义的电磁感应现象，不能全 面概括电磁感现象：闭合线圈面积不变，改变磁场强度，磁通量也会改变，也会 发生电磁感应现象。所以准确的定义如下： 因磁通量变化产生感应电动势的现 象。 电动势的方向（公式中的负号）由楞次定律提供。楞次定律指出：感应电流 的磁场要阻碍原磁通的变化。 对于动生电动势也可用右手定则判断感应电流的方 向，进而判断感应电动势的方向。 （一）数学表达式 若闭合电路为一个 n 匝的线圈，则又可表示为：式中 n 为线圈匝数，Δ 为 磁通量变化量，单位 Wb, t 为发生变化所用时间，单位为 s . 为产生的感应电动 势，单位为 V。当穿过回路的磁通量发生变化时，回路中的感生电动势 感 的大 小和穿过回路的磁通量变化率等成正比，即 感 = / t 这就是法拉第电磁感应
感应线圈匝数， / t :磁通量的变化率）。
E BLV sin A (切割磁感线运动) E BLV 中的 V 和 L 不可以和磁感线平
行，但可以不和磁感线垂直，其中 sin A 为 V 或 L 与磁感线的夹角。 （ L :有效 长度( m )。
Em nBS （交流发电机最大的感应电动势） ( Em :感应电动势峰值)。
二、 发现过程
早在 1825 年 11 月开始，法拉第就设计了三个实验试图找到磁转化为电的证 据，但由于他还没有意识到电磁感应中最关键的东西，这三个实验都失败了。如 果法拉第先接好电流计，再把电池接于到鲜活螺线管的两端，他就能看到电流计 指针转动。 1831 年 8 月，法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈，其一为闭合回路，在 导线下端附近平行放置一磁针，另一与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合 回路。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针反向偏转，这表明在无 电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效 应。 紧接着他做了几十个实验， 把产生感应电流的情形概括为 5 类： 变化的电流 ， 变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现 象正式定名为电磁感应。进而，法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中 产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体 性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存 在。 1831 年 10 月 17 日，法拉第开始了电磁感应的第二阶段的实验。他在一个 直径为 3/4 英寸、长为 8 英寸的空心纸筒上绕 8 个线圈，并将这 8 个线圈并联起
E BL2 / 2 （导体一端固定以 旋转切割） （ :角速度( rad / s )）。
四、意义
电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它揭示了电、磁现象之间的 相互联系。 法拉第电磁感应定律的重要意义在于， 一方面， 依据电磁感应的原理， 人们制造出了发电机，电能的大规模生产和远距离输送成为可能；另一方面，电 磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。人类社 会从此迈进了电气化时代。
来，再与一个电流计连接。当他把一根磁棒插入纸筒时，他惊喜的发现，电流计 指针忽的偏转起来，然后很快又回到平衡位置；当他把磁棒抽出纸筒时，指针又 忽的转向另一边，然后很快就又回到平衡位置。每次把磁棒插入或抽出时，这种 效应都会出现。法拉第通过这个实验看出，不仅伏打电池在关和断的瞬时可以激 发电流，磁体相对于线圈的运动也能激发电流。他称这种现象为“磁感应” 。法 拉第仍不满足这个实验，他希望用更大磁铁进一步实验，当时伦敦皇家学会的大 磁铁防在克里斯提家里。法拉第预先做好一根直径为 3/4 英寸、长 13 英寸的软 铁柱和一个套在软铁柱上的螺线管（称之为“0 线圈” ） 。1831 年 10 月 28 日，他 带着这些东西登门实验。他对实验做了如下记录： “将软铁柱(接在蹄形磁铁的) 两个磁极上， 当电流计与导线还未连接时， 电流计受 影响 甚微， 以至无法感知。 但是，当导线（与电流计）连接后，一旦断开或接通与软铁柱的磁接触时，一种 强大的推力就迫使电流计指针来回振荡多次。 ” “将 0 线圈忽然带进磁铁的大磁极 之间，它里面没有铁棒，这是（电流计）指针受到强烈影响。若一旦将它抽出， 就会发生与前面情况一样的结果。 ”同一天法拉第还做了一个旋转通盘实验，N、 S 表示蹄形磁铁的两极，D 为可绕轴在垂直平面内旋转的铜盘。他又在一个电流 计的两个接线柱上接上两个电刷，当使铜盘旋转起来后，将两个电刷分别防在铜 盘的各个部位，以测定产生感应电流的最佳方向。经过反复实验，法拉第发现只 要转动铜盘，便可以在铜盘轴心和边缘两处引出电场，只要铜盘保持不停的恒速 旋转，产生的电流就一直是稳定不变的。这个装置其实是人类的第一台直流发电 机。 至此，法拉第不仅实现了由永久磁体产生电流的设想，而且完全弄明白了这 种转化的暂态性。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。法拉第在这组论文中 总结 了他对电磁感应的 发现，提出了“电紧张态”和“磁力线”两个新概念，在此基础上总结电磁感应 定律，并完美的解释了阿拉果圆盘实验。
结语:
法拉第电磁感应定律的发现, 对人类有着划时代的贡献, 由于电磁感应的 发现, 是人类打开了认识电能的新的途径, 使电磁感应的应用迅速发展起来, 电报、发电机、电动机、变压器等已经广泛被应用, 特别是在此基础上麦克斯韦 电磁场理论建立以后, 电磁波极大的促进人类社会的发展, 给人类的生活生产 带来极大的便利。 可以说没有电就没有我们人类伟大的现代文明, 今天, 没有任 何一项技术如此广泛的普及到人们的生活, 电已经成为人类必不可少的生存条 件, 机械能转化为电能, 才能使电在的低成本情况下大量被制造出来。 法拉第无 疑是整个电磁学领域中发展贡献最大的科学家, 而他所有的理论基础无疑是电 磁感应定律。