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物理電磁感應(yīng)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(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的過程。
【關(guān)鍵詞】法拉第；電磁感應(yīng)；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(fā)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(yè)。同時，科學與社會的聯(lián)系也日益緊密。支配科學方法的那種數(shù)學精神也影響了貿(mào)易、商業(yè)和工業(yè)�！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(xiàn)象的駕馭；而實際生活中每個新發(fā)展都為科學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，同哲學上的德國和科學上的法國相比，英國在本世紀表現(xiàn)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(gòu)，也沒有形成什么學派，相反則是獨立的個人風格。
在經(jīng)濟方面，英國的資產(chǎn)階級正處于工業(yè)化過程中，他們越來越發(fā)現(xiàn)科學發(fā)展對技術(shù)革新產(chǎn)生的巨大影響。新的技術(shù)學院相繼建立，企業(yè)為其提供資金支持，還設(shè)立各種獎金；私人性質(zhì)的學會和民間組織也可以從個人、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)系一方面使科學不再是有閑、有錢的階層的特權(quán)，而是作為一種職業(yè)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(chǎn)中技術(shù)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(shù)學，運用對立、互補、有機結(jié)合等概念來解釋自然。對立和統(tǒng)一思想就是自然哲學的產(chǎn)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(jié)果�？茖W家開始關(guān)注多年被視為毫無關(guān)系的電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象，開始研究電學和磁學以及電、磁之間的相互聯(lián)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(shù)。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(chǎn)生了最初的興趣�！八_始在書店的住處做實驗，并記實驗日記，一直堅持了數(shù)十年”。試想如果沒有早年的基本讀寫和算術(shù)教育。這些書籍不可能對法拉第走上科學道路產(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“市哲學學會”�！斑@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(chǔ)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(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)
�。ㄒ唬�19世紀20年代電磁學的發(fā)展。
1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)后，物理學界表現(xiàn)了極大的關(guān)注，但同時也認為這就是電磁關(guān)系的全部內(nèi)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(fā)現(xiàn)以來電磁學實驗的理論發(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程中，對電磁現(xiàn)象的研究產(chǎn)生了極大的熱情，并開始轉(zhuǎn)向電磁學的研究。1821年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，第一次實現(xiàn)了將電磁力轉(zhuǎn)化為機械力。他仔細地分析了電流的磁效應(yīng)等現(xiàn)象，1822年他在日記中寫下了自己的思想：“磁能轉(zhuǎn)化成電”。與此同時，畢奧與安培對于奧斯特的發(fā)現(xiàn)做出回應(yīng)，他們二人在關(guān)于電磁作用力的性質(zhì)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(tǒng)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(zhì)、效應(yīng)比實體是更為關(guān)鍵的東西。1822年，阿拉果和洪堡在進行地磁強度測定時發(fā)現(xiàn)金屬可以阻止磁針的振蕩。這其實是人類發(fā)現(xiàn)的第一個電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1824年阿拉果根據(jù)此現(xiàn)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(zhuǎn)，但稍有滯后；反之，當磁針旋轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)果。但他沒有發(fā)現(xiàn)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(jīng)暴露出來的新現(xiàn)象又重新掩蓋起來。
�。ǘ┓ɡ诮㈦姶鸥袘�(yīng)定律的過程
早在1825年11月開始，法拉第就設(shè)計了三個實驗試圖找到磁轉(zhuǎn)化為電的證據(jù)，但由于他還沒有意識到電磁感應(yīng)中最關(guān)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(zhuǎn)動。
1824～1830年間，英國業(yè)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(chǎn)生出穩(wěn)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(shè)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(huán)直徑6英寸的軟鐵環(huán)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(guān)上（這個線圈現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，當開關(guān)合上有電流通過線圈A的瞬間，小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，隨后又停在原來的位置上，當開關(guān)斷開時，磁針又發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。這個實驗成功的關(guān)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(yīng)也觀察不到了。法拉第把這一現(xiàn)象稱為“伏打電感應(yīng)”。法拉第此時還沒有明確的領(lǐng)悟到這一現(xiàn)象是暫態(tài)性的。他以為A邊接上電流以后B邊附近的磁針會持續(xù)偏轉(zhuǎn)，但實驗表現(xiàn)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(yīng)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(lián)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(fā)現(xiàn)，電流計指針忽的偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)都會出現(xiàn)。法拉第通過這個實驗看出，不僅伏打電池在關(guān)和斷的瞬時可以激發(fā)電流，磁體相對于線圈的運動也能激發(fā)電流。他稱這種現(xiàn)象為“磁感應(yīng)”。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。”“將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(fā)生與前面情況一樣的結(jié)果�！蓖惶旆ɡ谶�做了一個旋轉(zhuǎn)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(nèi)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)起來后，將兩個電刷分別防在銅盤的各個部位，以測定產(chǎn)生感應(yīng)電流的最佳方向。經(jīng)過反復實驗，法拉第發(fā)現(xiàn)只要轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，產(chǎn)生的電流就一直是穩(wěn)定不變的。這個裝置其實是人類的第一臺直流發(fā)電機。
至此，法拉第不僅實現(xiàn)了由永久磁體產(chǎn)生電流的設(shè)想，而且完全弄明白了這種轉(zhuǎn)化的暫態(tài)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(jié)了他對電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，提出了“電緊張態(tài)”和“磁力線”兩個新概念，在此基礎(chǔ)上總結(jié)電磁感應(yīng)定律，并完美的解釋了阿拉果圓盤實驗。
從1821年的電磁旋轉(zhuǎn)實驗到1831年正式完成電磁感應(yīng)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(yè)上的需要占據(jù)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(shù)。這是電磁感應(yīng)定律在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)后十年才被發(fā)現(xiàn)的原因之一。
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