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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(huì )背景下，法拉第的成長(cháng)背景、科學(xué)背景以及他發(fā)現電磁感應定律的過(guò)程。
【關(guān)鍵詞】法拉第；電磁感應；皇家研究院
一、19世紀初英國的科學(xué)、哲學(xué)與社會(huì )
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(chēng)為是科學(xué)復興和發(fā)展的時(shí)期。在歐洲大陸，各國科學(xué)思想交流廣泛，科學(xué)探究方法也普遍得到認同，科學(xué)成為了國際性的事業(yè)。同時(shí)，科學(xué)與社會(huì )的聯(lián)系也日益緊密。支配科學(xué)方法的那種數學(xué)精神也影響了貿易、商業(yè)和工業(yè)�！翱茖W(xué)上的每個(gè)進(jìn)步都增進(jìn)我們對實(shí)際生活中某些可測量現象的駕馭；而實(shí)際生活中每個(gè)新發(fā)展都為科學(xué)探究準備了一塊新的領(lǐng)域”。
英國雖然也受到德、法兩國的影響，但是，同哲學(xué)上的德國和科學(xué)上的法國相比，英國在本世紀表現得明顯的無(wú)所建樹(shù)。這一時(shí)期科學(xué)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(xué)沒(méi)有一個(gè)中央組織機構，也沒(méi)有形成什么學(xué)派，相反則是獨立的個(gè)人風(fēng)格。
在經(jīng)濟方面，英國的資產(chǎn)階級正處于工業(yè)化過(guò)程中，他們越來(lái)越發(fā)現科學(xué)發(fā)展對技術(shù)革新產(chǎn)生的巨大影響。新的技術(shù)學(xué)院相繼建立，企業(yè)為其提供資金支持，還設立各種獎金；私人性質(zhì)的學(xué)會(huì )和民間組織也可以從個(gè)人、企業(yè)或國家支持，繼而可以從事工業(yè)所需的相關(guān)科技研究。這樣的聯(lián)系一方面使科學(xué)不再是有閑、有錢(qián)的階層的特權，而是作為一種職業(yè)存在；另一方面，科學(xué)也越來(lái)越成為實(shí)驗室、工廠(chǎng)和市場(chǎng)的差使。自由研究的可能性越來(lái)越小，取而代之的是僅僅解決實(shí)際生產(chǎn)中技術(shù)層面的問(wèn)題。
在哲學(xué)與科學(xué)思想方面，英國也受到德國自然哲學(xué)興起的影響。自然哲學(xué)是用化學(xué)、數學(xué)，運用對立、互補、有機結合等概念來(lái)解釋自然。對立和統一思想就是自然哲學(xué)的產(chǎn)物。正是由于這一思想的廣泛傳播才在科學(xué)上引起了一個(gè)重要的結果�？茖W(xué)家開(kāi)始關(guān)注多年被視為毫無(wú)關(guān)系的電現象和磁現象，開(kāi)始研究電學(xué)和磁學(xué)以及電、磁之間的相互聯(lián)系。
二、法拉第及其早年的成長(cháng)和工作的背景
法拉第出生于倫敦的一個(gè)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(xué)。在那里他學(xué)習了基本的讀寫(xiě)和算術(shù)。這樣的基本教育使得法拉第從1804年開(kāi)始在G.黎堡先生的書(shū)店作裝訂學(xué)徒的生活可以變得有意義。他可以閱讀所要裝訂的大量書(shū)籍。正是在這長(cháng)達7年學(xué)徒生活中，法拉第讀到了I.瓦茨的《意識的改善》，“這本書(shū)成了指導法拉第學(xué)習的第一位老師”。在裝訂《大英百科全書(shū)》中J.梯特勒撰寫(xiě)的“電學(xué)”條目時(shí)，法拉第開(kāi)始對科學(xué)產(chǎn)生了最初的興趣�！八_(kāi)始在書(shū)店的住處做實(shí)驗，并記實(shí)驗日記，一直堅持了數十年”。試想如果沒(méi)有早年的基本讀寫(xiě)和算術(shù)教育。這些書(shū)籍不可能對法拉第走上科學(xué)道路產(chǎn)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(xué)學(xué)會(huì )”�！斑@個(gè)學(xué)會(huì )的成員每星期三在塔特姆家聚會(huì )，討論感興趣的科學(xué)問(wèn)題、交流將已，聽(tīng)塔特姆作自然哲學(xué)講演”。正是在市哲學(xué)學(xué)會(huì )法拉第完成了他的“基本科學(xué)造就”。在獲得了力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、化學(xué)等基礎學(xué)科的啟蒙之時(shí)，他的興趣也與日俱增的集中于科學(xué)。
法拉第在1812年2月～4月聽(tīng)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(xué)的愿望。1813年在戴維推薦下法拉第成為皇家研究院的實(shí)驗室助理。至此，法拉第開(kāi)始了他風(fēng)云變化的科學(xué)歷程。
三、電磁感應定律的發(fā)現
�。ㄒ唬�19世紀20年代電磁學(xué)的發(fā)展。
1820年，奧斯特發(fā)現電流磁效應后，物理學(xué)界表現了極大的關(guān)注，但同時(shí)也認為這就是電磁關(guān)系的全部?jì)热荨?821年英國《哲學(xué)年鑒》的主編約請戴維撰寫(xiě)一篇文章，評述奧斯特發(fā)現以來(lái)電磁學(xué)實(shí)驗的理論發(fā)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(guò)程中，對電磁現象的研究產(chǎn)生了極大的熱情，并開(kāi)始轉向電磁學(xué)的研究。1821年，法拉第發(fā)現了電磁旋轉現象，第一次實(shí)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(xiě)下了自己的思想：“磁能轉化成電”。與此同時(shí)，畢奧與安培對于奧斯特的發(fā)現做出回應，他們二人在關(guān)于電磁作用力的性質(zhì)的問(wèn)題上展開(kāi)了一場(chǎng)爭論。畢奧認為電、磁都是不能變更的實(shí)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(shí)體，同一性在電流方面反映出來(lái)。法拉第也許從這場(chǎng)爭論中隱約看到，處理電磁學(xué)方面的問(wèn)題，力比物質(zhì)、效應比實(shí)體是更為關(guān)鍵的東西。1822年，阿拉果和洪堡在進(jìn)行地磁強度測定時(shí)發(fā)現金屬可以阻止磁針的振蕩。這其實(shí)是人類(lèi)發(fā)現的第一個(gè)電磁感應現象。1824年阿拉果根據此現象又作了一個(gè)實(shí)驗，將一個(gè)銅盤(pán)裝在一個(gè)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(shí)，銅盤(pán)亦然。這就是著(zhù)名的“阿拉果圓盤(pán)實(shí)驗”。阿拉果本人解釋不了這個(gè)現象。安培在實(shí)驗中用通電流的螺線(xiàn)管取代磁針，仍得到阿拉果實(shí)驗相同的結果。但他沒(méi)有發(fā)現阿拉果圓盤(pán)實(shí)驗反映的是一種全新的事實(shí)，而簡(jiǎn)單的把本來(lái)不屬于他的電動(dòng)力學(xué)范疇的東西歸并入他的理論，使一種已經(jīng)暴露出來(lái)的新現象又重新掩蓋起來(lái)。
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早在1825年11月開(kāi)始，法拉第就設計了三個(gè)實(shí)驗試圖找到磁轉化為電的證據，但由于他還沒(méi)有意識到電磁感應中最關(guān)鍵的東西，這三個(gè)實(shí)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(xiàn)管的兩端，他就能看到電流計指針轉動(dòng)。
1824～1830年間，英國業(yè)余電學(xué)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(jìn)，他們都使用蹄形鐵芯而獲得了比以往更強的磁場(chǎng)。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(xué)會(huì )打報告，請求暫停光學(xué)玻璃的研究，以便重新進(jìn)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(xiàn)圈或用強電場(chǎng)使鄰近的閉合導線(xiàn)中產(chǎn)生出穩定的電流，但一次次都失敗了。他探尋使磁體產(chǎn)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(huán)形，可能會(huì )獲得更高的能力。（這種封閉型電磁鐵實(shí)為人類(lèi)的第一個(gè)變壓器）1831年8月26日，法拉第在日記中描述了線(xiàn)圈的樣子。厚7/8英寸，外環(huán)直徑6英寸的軟鐵環(huán)上繞上兩個(gè)彼此絕緣的線(xiàn)圈A和B。B的兩端用導線(xiàn)連接成閉合回路，在導線(xiàn)的下面放置一個(gè)與導線(xiàn)平行的小磁針（相距3英尺）；A和一個(gè)電池組連接在一個(gè)開(kāi)關(guān)上（這個(gè)線(xiàn)圈現存于倫敦皇家學(xué)會(huì )，線(xiàn)圈上仍帶有法拉第當年給它們寫(xiě)上的標號A和B）1831年8月29日，法拉第在進(jìn)行這一實(shí)驗時(shí)偶然發(fā)現，當開(kāi)關(guān)合上有電流通過(guò)線(xiàn)圈A的瞬間，小磁針發(fā)生了偏轉，隨后又停在原來(lái)的位置上，當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，磁針又發(fā)生了偏轉。這個(gè)實(shí)驗成功的關(guān)鍵是他先把B邊的線(xiàn)圈短路，而后才把電池接到A邊的線(xiàn)圈上。如果實(shí)驗程序剛好相反，什么效應也觀(guān)察不到了。法拉第把這一現象稱(chēng)為“伏打電感應”。法拉第此時(shí)還沒(méi)有明確的領(lǐng)悟到這一現象是暫態(tài)性的。他以為A邊接上電流以后B邊附近的磁針會(huì )持續偏轉，但實(shí)驗表現的是磁針的瞬時(shí)的擾動(dòng)，而后很快又靜止在原先的位置上，不管電池接上的時(shí)間有多長(cháng)。在1831年10月17日，法拉第開(kāi)始了電磁感應的第二階段的實(shí)驗。他在一個(gè)直徑為3/4英寸、長(cháng)為8英寸的空心紙筒上繞8個(gè)線(xiàn)圈，并將這8個(gè)線(xiàn)圈并聯(lián)起來(lái)，再與一個(gè)電流計連接。當他把一根磁棒插入紙筒時(shí)，他驚喜的發(fā)現，電流計指針忽的偏轉起來(lái)，然后很快又回到平衡位置；當他把磁棒抽出紙筒時(shí)，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(shí)，這種效應都會(huì )出現。法拉第通過(guò)這個(gè)實(shí)驗看出，不僅伏打電池在關(guān)和斷的瞬時(shí)可以激發(fā)電流，磁體相對于線(xiàn)圈的運動(dòng)也能激發(fā)電流。他稱(chēng)這種現象為“磁感應”。法拉第仍不滿(mǎn)足這個(gè)實(shí)驗，他希望用更大磁鐵進(jìn)一步實(shí)驗，當時(shí)倫敦皇家學(xué)會(huì )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(cháng)13英寸的軟鐵柱和一個(gè)套在軟鐵柱上的螺線(xiàn)管（稱(chēng)之為“0線(xiàn)圈”）。1831年10月28日，他帶著(zhù)這些東西登門(mén)實(shí)驗。他對實(shí)驗做了如下記錄：“將軟鐵柱(接在蹄形磁鐵的)兩個(gè)磁極上，當電流計與導線(xiàn)還未連接時(shí)，電流計受影響甚微，以至無(wú)法感知。但是，當導線(xiàn)（與電流計）連接后，一旦斷開(kāi)或接通與軟鐵柱的磁接觸時(shí)，一種強大的推力就迫使電流計指針來(lái)回振蕩多次�！薄皩�0線(xiàn)圈忽然帶進(jìn)磁鐵的大磁極之間，它里面沒(méi)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(huì )發(fā)生與前面情況一樣的結果�！蓖惶旆ɡ谶�做了一個(gè)旋轉通盤(pán)實(shí)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(pán)。他又在一個(gè)電流計的兩個(gè)接線(xiàn)柱上接上兩個(gè)電刷，當使銅盤(pán)旋轉起來(lái)后，將兩個(gè)電刷分別防在銅盤(pán)的各個(gè)部位，以測定產(chǎn)生感應電流的最佳方向。經(jīng)過(guò)反復實(shí)驗，法拉第發(fā)現只要轉動(dòng)銅盤(pán)，便可以在銅盤(pán)軸心和邊緣兩處引出電場(chǎng)，只要銅盤(pán)保持不停的恒速旋轉，產(chǎn)生的電流就一直是穩定不變的。這個(gè)裝置其實(shí)是人類(lèi)的第一臺直流發(fā)電機。
至此，法拉第不僅實(shí)現了由永久磁體產(chǎn)生電流的設想，而且完全弄明白了這種轉化的暫態(tài)性。1831年11月24日，法拉第在倫敦皇家學(xué)會(huì )宣讀了他的《電學(xué)實(shí)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(fā)現，提出了“電緊張態(tài)”和“磁力線(xiàn)”兩個(gè)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(pán)實(shí)驗。
從1821年的電磁旋轉實(shí)驗到1831年正式完成電磁感應定律有十年之久。其實(shí)這段時(shí)間法拉第的主要精力都用在合金鋼和光學(xué)玻璃的研制。實(shí)際的工業(yè)上的需要占據了他的大部分研究時(shí)間。這一時(shí)期法拉第所寫(xiě)的論文、日記及信件，涉及到電磁學(xué)問(wèn)題的寥寥可數。這是電磁感應定律在奧斯特發(fā)現電流的磁效應后十年才被發(fā)現的原因之一。
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