电磁学的发展

第六章 电磁学的发展（2）

§6.电磁感应现象的发现与研究

一法拉第（1791-1867）

英国物理学家。他是一个穷铁匠的儿子，兄妹10人。小学没毕业就失学，当了装订工。但失学不失志，经常阅读书报。1812年法拉第来到伦敦皇家学院，自荐当了戴维助手。1821年受任为皇家研究所试验室主任。

1821年，法拉第开始电磁学的研究，总共工作四十年。1924年，当选为英国皇家学会会员；1925年任皇家学院实验室主任。法拉第一生发明极多，他发现了电磁感应现象，建立了电磁感应定律；发明了第一台电动机和发电机；发现了电流的化学作用的规律，即法拉第电解定律；提出了电场和磁场等重要概念；1845年，他发现了抗磁性；他的巨著《电学的实验研究》中有三千多个条目，详细记录了他作过的实验。法拉第一生热衷科学事业，不好功名利禄，谢绝了封爵和许多奖赏。

二法拉第发现电磁感应

1820年，电磁热席卷欧洲，研究结果大量发表，众说纷纭，真伪难辩。1821年，英国哲学学报（Annal of Philosophy）杂志编辑约法拉第写一篇关于电磁问题的评述，这件事导致法拉第开始了电磁学方面的研究。法拉第在整理文献时，为了判断各种学说的真伪，亲自作了许多实验，其中包括奥斯特和安培的实验。

当时英国的皇家学会会长沃拉斯顿在获知奥斯特的发现之后，提出了“电磁转动”的思想，认为通电螺线管会使附近的导线绕他的轴转动，但他的实验没有成功。法拉第在得知这一实验后，想起了奥斯特得“电冲突”是在载流导线周围呈圆形分布的，于是于1821年9月他设计了如下所示的电磁旋转实验：

1．电磁旋转实验

当接通电源时，发现左侧的容器里，磁铁棒绕着固定导线缓慢的作圆周运动；而右侧则是另一种情景：导线绕固定磁棒在转动。实际上，着就是最早的旋转电动机的雏型。

1822年，英国物理学家巴罗（P.Barlow)运用相同的原理，制成了著名的“巴罗轮”：架在水平轴上的一个铅直的活动铜盘，下方侵入一个水银槽里，上方夹在一块马蹄形磁铁中间，当通过轴心和水银槽供给电流的时候，铜盘就转动起来。这实际上就是一台直流电动机。2．信念的产生

从1824年到1828年，法拉第做了无数次电磁效应实验，收集了各种电磁实验的资料，经仔细分析思考，他认为既然有电流对磁、磁对磁、电流对电流的相互作用，那么为什么就没有磁对电的作用呢？于是他确信“由电能产生磁，由磁也能产生电”。为此，法拉第坚持了长达10余年的苦心实验研究。日复一日的实验、思考、总结和改进。例如他先将磁铁放入一个线圈内，再将线圈两端接在检流计上，未发现指针偏转等。

3．实验三

1828年法拉第又作了这样一个实验如右图，右侧为一铜线圈，左侧为一平衡球，中间用线悬挂起来。然后在右侧铜线圈内放一条形磁铁,他认为这时线圈内应产生感生电流，然后再用另一块磁铁靠近铜线圈，线圈就会转动。当然，他什么也没看见。

这时，英国物理学家斯特金发明了电磁铁，即在一块原来没有磁性的软铁上绕以导线，通电以后，软铁就成了具有强磁性的磁铁。后来，美国物理学家亨利改进了斯特金的电磁铁，用彼此绝缘的铜导线代替铜裸线，制成能吸引三百千克铁的电磁铁。这些对法拉第的进一步研究有一定的启发和帮助。

4．实验四

1831年8月29日，法拉第又进行了一个新的实验：他用软铁做成右图所示的环，其上绕有A、B两线圈，B线圈接检流计，A线圈和十个电池组连接，当接通或断开电源时，发现电流计指针摆动。当维持通电状态时，指针则无反应。法拉第称之为“伏打电感应”。

这时法拉第才认识到，磁感应现象是和变化联系在一起的。

在发现这个现象之后，法拉第立刻想到，铁环和线圈A是不是产生这一效应的必要条件呢？于是他又设计了下面两个实验5和6：

5．实验五

接着，法拉第又做了一个实验，如右图：当上下方磁棒张合之际，电流计指针也不断摆动。

6．实验六

1831年10月17日，法拉第将220英尺的铜线分层绕在一个用纸做的空心圆筒上，绕了八个线圈，再连成一个大线圈，接到检流计上，然后将一大的长圆形磁铁棒插入到圆筒中，结果指针摆动了，他不由自主的急忙将磁铁棒从圆筒中抽出来，检流计指针又摆动了一下。

法拉第得出结论：“要产生感生电流，磁铁必须运动。”后来，法拉第又发现无论是磁铁还是线圈运动，都产生电流。

7．问题

那么能否产生大量的电流呢？法拉第向皇家学会借了一块大的“U”形磁铁，又在铜线圈上装了一个手柄，然后将线圈放在U形磁铁中间，通过转动手柄使线圈在“U”形磁铁中间旋转，这时检流计上的指针随着线圈的转动摆动起来。

1831年11月24日，法拉第总结了一系列实验研究，向英国皇家学会提交了论文。后来概括出五类情况可以产生感生电流：①变化着的电流；②运动的恒稳电流；③变化的磁场；

④运动的磁铁；⑤在磁场中运动的导体。

8．感应发电机的产生

在这些实验的基础上，受“巴罗轮”实验的启发，法拉第发明了人类历史上第一台感应发电机。他将铜盘放在磁铁两极之间，又用一狭长的铅片放在铜盘边沿，作为收电用的电刷，电刷接一个电流计。当铜盘旋转时，电流计上的指针也随着转动了。一种持续电流从电刷上传出来。

从此开始了人类广泛利用电能的新时代。(1867年，西门子创制了发电机。)

在法拉第工作的前后，还有不少物理学家从事电磁感应的研究：

瑞士物理学家科拉顿在1825年曾做过类似上述法拉第实验6的实验，他用一块磁铁在螺线管中移动，观察线圈中是否有感生电流产生。为了排除磁铁对灵敏电流计的影响，他把很长的导线把连接于螺线管的电流计放在另一个房间，他在两个房间跑来跑去进行实验和观察，因此未能观察到磁电感应现象。他同样没想到效应的暂态性。

1830年，美国物理学家亨利曾先于法拉第发现电磁感应现象，但他没有立即发表实验结果。

1832年，俄国物理学家楞次受法拉第启发，开始做这方面的研究，并发现了感应电流方向的规律。

三亨利及自感现象的发现

美国人（Henry,1797—1878)，少年时做过钟表店的学徒，在一个偶然机会读了《实验哲学讲义》后，对自然科学产生兴趣。后来进入奥巴尔尼学院学习，1826年成为该学院教授，1832 年受聘于普林斯顿大学作自然哲学教授，1846年任新成立的华盛顿斯密斯学院院长，亨利像法拉第一样，对奥斯特实验很感兴趣。

1．电磁铁的研制

奥斯特发现电流的磁效应之后，美国电学家斯特金将其以电磁铁的形式投入使用。1829