电磁感应寻奥秘

迈克尔·法拉第（Micheal Faraday，1791—1867年）是19世纪伟大的物理学家和化学家，早年从事分析化学及合金钢、光学玻璃等应用技术的研究，他一生对科学的伟大贡献甚多。1821年对电磁转换的研究，使他创造了第一台实验原理性电动机。1831年，他发现了电磁感应现象，并制造了第一台实验性发动机，揭开了电力时代的序幕。法拉第一生中最伟大的成就是发现电磁感应定律和力线——场思想的提出。麦克斯韦的电磁场理论就是在此基础上建立起来的。

法拉第于1791年9月22日出生在英国伦敦近郊纽温特的一个贫苦铁匠家庭。由于家境贫寒，没有受过正规教育，因此，他的学问和知识都是靠自学得到的。他3岁当报童，后来又到书店当了装订书记的学徒工。这个工作给酷爱学习的法拉第带来许多方便。一到休息时间，他便如饥似渴地读起书来。有一次，书店装订新出版的《大英百科全书》，法拉第如鱼得水，书中所有关于电学的问题引导法拉第走上了研究电学的道路。从此，他立志把自己的毕生精力献给科学事业。

1821年，法拉第有幸来到英国皇家学会化学实验室，给当时英国科学界鼎鼎大名的大化学家戴维当实验助手。从此，他开始了自己的实验研究生涯。在1850年，丹麦物理学家奥斯忒（H.C，Oersted）发现了电流的磁效应，即通电的金属线能使附近的磁针转动。人们长期以来认为电与磁是两种不同性质的东西，彼此毫无关系，现在看到了它们之间存在着某种联系。法拉第也做了这项实验，证明：不仅通电的导线可以使磁针偏转，而且固定的磁铁也可以使通电的导线运动。法拉第在一容器中充满水银，在容器的中间固定一根直立的磁铁棒，将一根导线的一端插入水银，另一端连接电池。如果将与电池连接的导线垂直放入水银中，当它一接触水银即电路一经接通后，就可以看到导线的旋转运动。这个重要实验，提供了电动原理的模型。

1822年，法拉第在这项实验的基础上又提出了一个新问题：磁能否产生电？此后，他为实现转磁为电的新课题进行了一系列实验研究。在经历了多次失败以后，终于在1831年8月29日获得了重大的成功。这一天，法拉第终于观察到了他寻找已久的现象：他把两根线圈分别绕在一个用软铁做的直径15厘米、粗2.5厘米的铁环两侧，将一个线圈的两端连接电池两极，将另一线圈两端连在电流计上。当他接通第一个线圈使之通电时，在电路接通的瞬间，电流计指针发生了剧烈的摆动，这说明与它相连的第二个线圈中也出现了电流；而当他把第一个线圈断开即切断其中的电流时，在第二个线圈中，电流计指针又出现摆动，但其摆动方向恰好与前次相反。在这个实验中，第二个线圈产生的电流通过其磁场效应感应出来的，因为两个线圈相互绝缘，这就是“电磁感应”。但法拉第最初还不敢肯定这一点。电磁感应的发现使他产生了这样的问题：由电磁感应所得到的电是否与摩擦电、伏特电、动物电、热电、雷电等是同一种电？

于是，法拉第在电磁感应研究的同时，研究不同来源电的统一问题。他通过严格的实验论证了它。法拉第在研究这个问题时，观察到化合物的电解时产生的物质与电量有某种联系，他想：这是否说明化学亲和力是一种电力？伏达电源是否与化合物的电力有关？1875年，他发现了法拉第电解第一、第二定律，并得到了能量守恒与转化思想。他又进行了一系列实验，他把一个绕在空心纸筒上的线圈两端与电流计相连。当他把磁铁棒迅速插入纸筒或拔出时，都可以看到电流计指针的明显摆动。这充分验证了他的发现。这些现象说明：运动着的磁场能够产生电，而稳定的磁场则不能。法拉第在一系列电磁感应实验的基础上，提出了著名的电磁感应定律：当穿过闭合线路的磁通量发现变化时，线路里感应电动势的大小跟穿过闭合线路的磁通量变化率成正比。

这是一个划时代的伟大发现，法拉第在这个基础上，造出了世界上第一台感应发电机的模型。它虽然简单，却成为后来各种复杂发电机的鼻祖。从此，电力这个造福人类的无穷无尽的宝藏便源源不断地被发掘出来了。

电磁感应是在彼此互不相干和接触的空间发生的，那么，它们是一种什么力量相互作用呢？在法拉第之前流行着一种电磁的“超距说”，就是说电磁作用是即时地直接发生作用，是超越时空的，而这种作用的强度与电（磁）荷的距离的平方成反比，作用力的方向在电（磁）荷中心连线上，故称中心力，它与带电体或磁铁周围的空间物质无关。法拉第不赞成这种观点。如果电磁作用是超距的、即时的，与周围空间的物质无关，那么电磁感应是怎么发生的呢？为什么导线在磁铁周围运动就会产生感应电流，而且感应电流大小与它对磁铁的空间相对位置有关？如果空间除了以超距作用相互作用着的粒子以外什么东西也没有，散布在一张纸上的铁屑颗粒怎么会知道附近的导线中有电流在流动，通电导线或磁铁怎么能使这些铁屑排出美丽的曲线图形花纹来呢？法拉第通过这些现象，大胆地提出了“磁力线”的概念。他认为：电和磁的相互作用不是没有中介的“超距作用”，而是通过具有物理实在性的“场”来传递的。法拉第提出的“电场”“磁场”的概念，改变了认为可以通过空间超距作用的不科学的观念，为近代物理学对物理世界理解提供和描绘了一幅崭新的自然图景，也为后来电磁理论的发展打下一个良好的基础。

法拉第的这些伟大发现，给我们提供了十分有益的启示。首先，法拉第在科学事业上勇于探索、勇于实践的精神，给我们树立了正确的科学的成败观。大凡有成就有作为的科学家，无一不是经历了若干失败之后才取得成功的。法拉第也不总是一帆风顺，但他深深地懂得：失败乃是科学探索不可避免的事情，关键是如何对待失败。科学事业同其他许多事业一样，有成功的希望，也有失败的可能。他说：“就是最有成就的科学家，他们得以实现的建议、希望、愿望以及初步结论，也只不到十分之一。”所以，他拼命争取成功，又不期望一定成功。从他在日记中写下“转磁为电”的课题到成功地发现电磁感应现象，其间近10年，光从1831年8 月29日到1832年6 月11日，他的实验记录的编号从1号编到了441号。共经历了4次大的失败，直到第5次试验才获得成功。因此，不怕失败、勇于探索的科学精神起到了巨大的作用。

其次，法拉第是科学研究与实验具有朴素的辩证思想。就是说，法拉第的思维方式和思想方法都符合客观事物的内在规律性。他相信自然界的和谐统一，自然界的力也是和谐的统一的。他在《电学实验研究》巨著中写道：“我长期以来坚持一种看法，几乎可以确信……物质的力借以表现出来的各种形式，都有一个共同的起源，或换句话说，它们如此相互依赖，以致好像可以从一种形式转换成另一种，并在它们的作用中具有相等的能力。”正是在这种思想指导下，法拉第研究了电、磁、光、热、化学、引力等相互作用和联系等。他最关心的是从自然界纷纭复杂的各种变化中找出一个统一的原理来。奥斯忒发现电转化为磁，不过是自然界统一的两个方面；库仑发现静电和静磁的相互作用关系是自然界统一的两个方面，而且他要进一步揭示出磁转化为电的另一个方面。他沿着电与磁可以相互转化的思路进行了数十年如一日的艰苦探索，终于取得了成功。

从法拉第的成功我们可以看出：一个好的科研选题的确定就是成功的一半。只要选题正确，思想方法和思维方法正确，就一定能成功。法拉第决心把磁转化为电的选题具有朴素的辩证思想，所以他成功了。他在提出“力线”和“场”的概念过程中也是这样。他把“力线”和“场”归结为具有物理实在性的东西，打破“超距作用”的局限和神秘性，体现了科学哲学思想的唯物主义性质。这就是法拉第取得巨大成功的关键所在。