物理電磁感應分析論文

物理電磁感應分析論文

　　【摘要】文章闡述了在英國19世紀初的社會背景下，法拉第的成長背景、科學背景以及他發現電磁感應定律的過程。

　　【關鍵詞】法拉第；電磁感應；皇家研究院

　　一、19世紀初英國的科學、哲學與社會

　　19世紀初葉，不論是對于英國還是歐洲大陸的德國、法國都是可以稱為是科學復興和發展的時期。在歐洲大陸，各國科學思想交流廣泛，科學探究方法也普遍得到認同，科學成為了國際性的事業。同時，科學與社會的聯系也日益緊密。支配科學方法的那種數學精神也影響了貿易、商業和工業�！翱茖W上的每個進步都增進我們對實際生活中某些可測量現象的駕馭；而實際生活中每個新發展都為科學探究準備了一塊新的領域”。

　　英國雖然也受到德、法兩國的影響，但是，同哲學上的德國和科學上的法國相比，英國在本世紀表現得明顯的無所建樹。這一時期科學在法國可以夸耀的那種組織和保護在英國卻聞所未聞。英國科學沒有一個中央組織機構，也沒有形成什么學派，相反則是獨立的個人風格。

　　在經濟方面，英國的資產階級正處于工業化過程中，他們越來越發現科學發展對技術革新產生的巨大影響。新的技術學院相繼建立，企業為其提供資金支持，還設立各種獎金；私人性質的學會和民間組織也可以從個人、企業或國家支持，繼而可以從事工業所需的相關科技研究。這樣的聯系一方面使科學不再是有閑、有錢的階層的特權，而是作為一種職業存在；另一方面，科學也越來越成為實驗室、工廠和市場的差使。自由研究的可能性越來越小，取而代之的是僅僅解決實際生產中技術層面的問題。

　　在哲學與科學思想方面，英國也受到德國自然哲學興起的影響。自然哲學是用化學、數學，運用對立、互補、有機結合等概念來解釋自然。對立和統一思想就是自然哲學的產物。正是由于這一思想的廣泛傳播才在科學上引起了一個重要的結果�？茖W家開始關注多年被視為毫無關系的電現象和磁現象，開始研究電學和磁學以及電、磁之間的相互聯系。

　　二、法拉第及其早年的成長和工作的背景

　　法拉第出生于倫敦的一個貧民窟，父親是鐵匠。雖然家境貧苦，但幼年的法拉第還是讀了幾年小學。在那里他學習了基本的讀寫和算術。這樣的基本教育使得法拉第從1804年開始在G.黎堡先生的書店作裝訂學徒的生活可以變得有意義。他可以閱讀所要裝訂的大量書籍。正是在這長達7年學徒生活中，法拉第讀到了I.瓦茨的《意識的改善》，“這本書成了指導法拉第學習的第一位老師”。在裝訂《大英百科全書》中J.梯特勒撰寫的“電學”條目時，法拉第開始對科學產生了最初的興趣�！八�開始在書店的住處做實驗，并記實驗日記，一直堅持了數十年”。試想如果沒有早年的基本讀寫和算術教育。這些書籍不可能對法拉第走上科學道路產生最初的影響。

　　法拉第曾在1810年參加了由J.塔特姆組織的“市哲學學會”。“這個學會的成員每星期三在塔特姆家聚會，討論感興趣的科學問題、交流將已，聽塔特姆作自然哲學講演”。正是在市哲學學會法拉第完成了他的“基本科學造就”。在獲得了力學、電學、光學、化學等基礎學科的啟蒙之時，他的興趣也與日俱增的集中于科學。

　　法拉第在1812年2月～4月聽了戴維的四次講演，他仔細作了筆記，將筆記仔細裝訂并在當年的12月送給了戴維，明確地表達了從事科學的愿望。1813年在戴維推薦下法拉第成為皇家研究院的實驗室助理。至此，法拉第開始了他風云變化的科學歷程。

　　三、電磁感應定律的發現

　�。ㄒ唬�19世紀20年代電磁學的發展。

　　1820年，奧斯特發現電流磁效應后，物理學界表現了極大的關注，但同時也認為這就是電磁關系的全部內容。1821年英國《哲學年鑒》的主編約請戴維撰寫一篇文章，評述奧斯特發現以來電磁學實驗的理論發展概況．戴維把這一工作交給了法拉第．法拉第在收集資料的過程中，對電磁現象的研究產生了極大的熱情，并開始轉向電磁學的研究。1821年，法拉第發現了電磁旋轉現象，第一次實現了將電磁力轉化為機械力。他仔細地分析了電流的磁效應等現象，1822年他在日記中寫下了自己的思想：“磁能轉化成電”。與此同時，畢奧與安培對于奧斯特的發現做出回應，他們二人在關于電磁作用力的性質的問題上展開了一場爭論。畢奧認為電、磁都是不能變更的實體，在電磁相互作用中得到統一。而安培則認為電、磁是相同的實體，同一性在電流方面反映出來。法拉第也許從這場爭論中隱約看到，處理電磁學方面的問題，力比物質、效應比實體是更為關鍵的東西。1822年，阿拉果和洪堡在進行地磁強度測定時發現金屬可以阻止磁針的振蕩。這其實是人類發現的第一個電磁感應現象。1824年阿拉果根據此現象又作了一個實驗，將一個銅盤裝在一個垂直軸上，讓其可以自由旋轉，但稍有滯后；反之，當磁針旋轉時，銅盤亦然。這就是著名的“阿拉果圓盤實驗”。阿拉果本人解釋不了這個現象。安培在實驗中用通電流的螺線管取代磁針，仍得到阿拉果實驗相同的結果。但他沒有發現阿拉果圓盤實驗反映的是一種全新的事實，而簡單的把本來不屬于他的電動力學范疇的東西歸并入他的理論，使一種已經暴露出來的新現象又重新掩蓋起來。

　�。ǘ�）法拉第建立電磁感應定律的過程

　　早在1825年11月開始，法拉第就設計了三個實驗試圖找到磁轉化為電的證據，但由于他還沒有意識到電磁感應中最關鍵的東西，這三個實驗都失敗了。如果法拉第先接好電流計，再把電池接于到鮮活螺線管的兩端，他就能看到電流計指針轉動。

　　1824～1830年間，英國業余電學家斯特詹、美國的J.亨利和荷蘭的G.莫爾等相繼對電磁鐵作了重大改進，他們都使用蹄形鐵芯而獲得了比以往更強的磁場。這一系列研究深深的吸引了法拉第。他匆匆忙忙的向皇家學會打報告，請求暫停光學玻璃的研究，以便重新進行放下了多年的電磁研究。

　　法拉第第一要解決的是尋找一種體積小而效益高的電磁鐵。起初，他試圖用強磁鐵靠近閉合線圈或用強電場使鄰近的閉合導線中產生出穩定的電流，但一次次都失敗了。他探尋使磁體產生最大張力的最好形狀是什么，最后他可能作了這樣的設想，蹄形電磁鐵比棒形電磁鐵的能力強，若將鐵芯做成環形，可能會獲得更高的能力。（這種封閉型電磁鐵實為人類的第一個變壓器）1831年8月26日，法拉第在日記中描述了線圈的樣子。厚7/8英寸，外環直徑6英寸的軟鐵環上繞上兩個彼此絕緣的線圈A和B。B的兩端用導線連接成閉合回路，在導線的下面放置一個與導線平行的小磁針（相距3英尺）；A和一個電池組連接在一個開關上（這個線圈現存于倫敦皇家學會，線圈上仍帶有法拉第當年給它們寫上的標號A和B）1831年8月29日，法拉第在進行這一實驗時偶然發現，當開關合上有電流通過線圈A的瞬間，小磁針發生了偏轉，隨后又停在原來的位置上，當開關斷開時，磁針又發生了偏轉。這個實驗成功的關鍵是他先把B邊的線圈短路，而后才把電池接到A邊的線圈上。如果實驗程序剛好相反，什么效應也觀察不到了。法拉第把這一現象稱為“伏打電感應”。法拉第此時還沒有明確的領悟到這一現象是暫態性的。他以為A邊接上電流以后B邊附近的磁針會持續偏轉，但實驗表現的是磁針的瞬時的擾動，而后很快又靜止在原先的位置上，不管電池接上的時間有多長。在1831年10月17日，法拉第開始了電磁感應的第二階段的實驗。他在一個直徑為3/4英寸、長為8英寸的空心紙筒上繞8個線圈，并將這8個線圈并聯起來，再與一個電流計連接。當他把一根磁棒插入紙筒時，他驚喜的發現，電流計指針忽的偏轉起來，然后很快又回到平衡位置；當他把磁棒抽出紙筒時，指針又忽的轉向另一邊，然后很快就又回到平衡位置。每次把磁棒插入或抽出時，這種效應都會出現。法拉第通過這個實驗看出，不僅伏打電池在關和斷的瞬時可以激發電流，磁體相對于線圈的運動也能激發電流。他稱這種現象為“磁感應”。法拉第仍不滿足這個實驗，他希望用更大磁鐵進一步實驗，當時倫敦皇家學會的大磁鐵防在克里斯提家里。法拉第預先做好一根直徑為3/4英寸、長13英寸的軟鐵柱和一個套在軟鐵柱上的螺線管（稱之為“0線圈”）。1831年10月28日，他帶著這些東西登門實驗。他對實驗做了如下記錄：“將軟鐵柱(接在蹄形磁鐵的)兩個磁極上，當電流計與導線還未連接時，電流計受影響甚微，以至無法感知。但是，當導線（與電流計）連接后，一旦斷開或接通與軟鐵柱的磁接觸時，一種強大的推力就迫使電流計指針來回振蕩多次�！薄皩�0線圈忽然帶進磁鐵的大磁極之間，它里面沒有鐵棒，這是（電流計）指針受到強烈影響。若一旦將它抽出，就會發生與前面情況一樣的結果�！蓖�一天法拉第還做了一個旋轉通盤實驗，N、S表示蹄形磁鐵的兩極，D為可繞軸在垂直平面內旋轉的銅盤。他又在一個電流計的兩個接線柱上接上兩個電刷，當使銅盤旋轉起來后，將兩個電刷分別防在銅盤的各個部位，以測定產生感應電流的最佳方向。經過反復實驗，法拉第發現只要轉動銅盤，便可以在銅盤軸心和邊緣兩處引出電場，只要銅盤保持不停的恒速旋轉，產生的電流就一直是穩定不變的。這個裝置其實是人類的第一臺直流發電機。

　　至此，法拉第不僅實現了由永久磁體產生電流的設想，而且完全弄明白了這種轉化的暫態性。1831年11月24日，法拉第在倫敦皇家學會宣讀了他的《電學實驗研究》第一輯的四篇論文。法拉第在這組論文中總結了他對電磁感應的發現，提出了“電緊張態”和“磁力線”兩個新概念，在此基礎上總結電磁感應定律，并完美的解釋了阿拉果圓盤實驗。

　　從1821年的電磁旋轉實驗到1831年正式完成電磁感應定律有十年之久。其實這段時間法拉第的主要精力都用在合金鋼和光學玻璃的研制。實際的工業上的需要占據了他的大部分研究時間。這一時期法拉第所寫的論文、日記及信件，涉及到電磁學問題的寥寥可數。這是電磁感應定律在奧斯特發現電流的磁效應后十年才被發現的原因之一。

　　【參考文獻】

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