磁性元件与电源构建电磁感应定律(2)

　　(二)法拉第建立电磁感应定律的过程

　　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。

　　1824～1830年间，英国业余电学家斯特詹、美国的J.亨利和荷兰的G.莫尔等相继对电磁铁作了重大改进，他们都使用蹄形铁芯而获得了比以往更强的磁场。这一系列研究深深的吸引了法拉第。他匆匆忙忙的向皇家学会打报告，请求暂停光学玻璃的研究，以便重新进行放下了多年的电磁研究。

　　法拉第第一要解决的是寻找一种体积小而效益高的电磁铁。起初，他试图用强磁铁靠近闭合线圈或用强电场使邻近的闭合导线中产生出稳定的电流，但一次次都失败了。他探寻使磁体产生最大张力的最好形状是什么，最后他可能作了这样的设想，蹄形电磁铁比棒形电磁铁的能力强，若将铁芯做成环形，可能会获得更高的能力。(这种封闭型电磁铁实为人类的第一个变压器)1831年8月26日，法拉第在日记中描述了线圈的样子。厚7/8英寸，外环直径6英寸的软铁环上绕上两个彼此绝缘的线圈A和B。B的两端用导线连接成闭合回路，在导线的下面放置一个与导线平行的小磁针(相距3英尺);A和一个电池组连接在一个开关上(这个线圈现存于伦敦皇家学会，线圈上仍带有法拉第当年给它们写上的标号A和B)1831年8月29日，法拉第在进行这一实验时偶然发现，当开关合上有电流通过线圈A的瞬间，小磁针发生了偏转，随后又停在原来的位置上，当开关断开时，磁针又发生了偏转。这个实验成功的关键是他先把B边的线圈短路，而后才把电池接到A边的线圈上。如果实验程序刚好相反，什么效应也观察不到了。法拉第把这一现象称为“伏打电感应”。法拉第此时还没有明确的领悟到这一现象是暂态性的。他以为A边接上电流以后B边附近的磁针会持续偏转，但实验表现的是磁针的瞬时的扰动，而后很快又静止在原先的位置上，不管电池接上的时间有多长。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。

　　从1821年的电磁旋转实验到1831年正式完成电磁感应定律有十年之久。其实这段时间法拉第的主要精力都用在合金钢和光学玻璃的研制。实际的工业上的需要占据了他的大部分研究时间。这一时期法拉第所写的论文、日记及信件，涉及到电磁学问题的寥寥可数。这是电磁感应定律在奥斯特发现电流的磁效应后十年才被发现的原因之一。

　　【参考文献】

　　[1](英)梅尔茨.十九世纪欧洲思想史(第一卷)[M].北京：商务印书馆，1999.

　　[2]钱临照，许良英.世界著名科学家传记Ⅲ[M].北京：科学出版社，1994.

　　[3]约瑟夫·阿盖西.法拉第传[M].北京：商务印书馆，2002.

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