法拉第与电磁旋转器

法拉第与电磁旋转器

有一次英国化学家、物理学家沃拉斯通听到奥斯特的发现之后，到皇家学院找戴维，提出一个有趣的实验设想：如果把可以自由转动的磁棒，放在载流导线的一侧，磁棒将会产生旋转运动。这个想法得到戴维的赞同。但是，沃拉斯通做了几次这样的实验都失败了，他灰了心，放弃了这个尝试。那时沃拉斯通是很有威望的，当时在英国的学术界曾流传着这样一个说法：凡是与沃拉斯通争辩的人，将不会是正确的。因此，一般人认为沃拉斯通做不成的实验，别人也不会成功。然而，法拉第则认为沃拉斯通的设想是科学的，有实现的可能。于是，法拉第继续为实现沃拉斯通的想法进行了细致的大量的实验。他首先重复做了奥斯特的实验，将小磁针放在载流导体的周围，发现小磁针的磁极受到电流作用后，确实有环绕导线周围运动的倾向，这充分说明导线周围存在着一个圆形力。然后，他根据导线周围存在着的这种圆形力，设计了两种电磁旋转器。

这个装置在他的《电学的实验研究》中，曾有过这样的描述：“……这是为了使磁极围绕导线转动和使导线围绕磁极转动而制成的装置。此外还用一只沃拉斯通制造的包含10组极板的伽伐尼电池，它可以使导线和磁极获得足够的力量，产生快速的转动。这个装置有一个长宽约3×6英寸的水平台，台上装有6英寸高的铜支架，其中有导线接通，一端的导线是固定的，另一端装有可自由转动的导体。在固定导线这一方，有一个装有水银的玻璃杯，杯中装有可自由转动的磁极，杯底铜柱连接电源。在自由转动导体的那一方，也有一个稍浅的水银杯，中间固定一只磁极，杯底也有导线与水银连通着。”

法拉第指出，这个装置比较小，但比较灵敏，当接通电源时，导体与磁极将同时产生旋转运动。

法拉第的精彩的电磁旋转器的实验文章，被刊登在1821年的《科学季刊》上。这第一次显露出法拉第高超的实验技巧与才能。电磁旋转器实验的成功，大大鼓舞了法拉第研究电磁学各种问题的信心。并使他联想起一个新的更加诱人的问题：既然电可以产生磁，为什么磁不可以产生电呢？于是，他在1822年的日记中写下了要进一步探索的课题：“由电产生磁，由磁产生电”。

法拉第选择了“磁产生电”的研究方向，除了他确信客观事物本身的结构应该是对称的以外，还有另外一个考虑，就是他认为伏打电池造价昂贵且电力不足，能否制造一个新式的产生电的装置呢？这就是他坚持十年的实验研究的出发点。

法拉第的研究工作是在奥斯特、安培等人的工作基础之上进行的。最初，他试图从一根临近通电导体或一块静止的磁铁的导线中获得电流，结果却接连遭到了失败。然而，法拉第并没有被失败所吓倒。失败、试验，再失败、再试验，终于于1831年8月29日获得首次成功。

法拉第发现电磁感应现象也还具有偶然性，因为当时他的实验目的，还是想要从一根通电导线的磁场作用下，使另一根导线中产生电流。但他为了加强电流的作用，把两根直导线绕成螺旋线；为了加强电流的磁场作用，让两根螺旋导线，绕在一个铁环上。在实验过程中，他偶然发现每当通电线圈的电源接通或断开时，另一个线圈中才会产生瞬间电流，而且发现一旦通电线圈中的电流达到稳定之后，另一线圈中的电流就消失了。法拉第在他的29日的日记中对这个实验现象有详细的记载：“用7／8英寸的圆软铁棒，制成一个外径为6英寸的圆环。在圆环的一边（B边），用三段纱包铜线（每段24英寸长）缠绕在圆环上，每绕一段后用白布包裹好。使用时，这三段铜线还可以连成一段，最后要检查各段铜线之间是否绝缘好。我们将铁环的左边称为A边，在铁环的A边，用两段总长为60英寸的铜线，绕上与B边完全相同的线圈，两线圈之间留有空隙。”接着他又写到：“用一根长导线把B边线圈的两端连接起来，并把直导线的一段架置于离线圈3英尺远处的一个磁针的正上方。当将电池与A边线圈接通时，小磁针立即产生明显摆动，最后又稳定在原来的位置上。当切断A边与电池的连接时，小磁针再一次出现暂时性的扰动。”同时，法拉第通过实验又进一步发现感生电流的方向在接通和切断电源这两种情况下是不一样的。他写道：“当接通电池时，小磁针的转动方向，好像B边线圈是A边线圈的一部分，即两者中的电流具有相同的方向；然而当切断与电池的连接时，从小磁针的转动方向来看，好像那瞬间A与B两线圈中的电流方向相反。”

法拉第并未满足已发现的现象，他又进一步提出新的实验要求：

1．铁环是产生感应所必需的吗？

2．线圈A是必须的吗？

3．用什么样的方法，能够产生持续的电流，使它能产生电池的效果？

于是，他又进一步通过实验来寻求这些问题的答案。

第一个问题，他是这样回答的：“把长为203码（约186米）用纱布包起来的铜导线绕在很宽的木棒上，再在原绕线圈外层绕上同样长度的纱包铜线，将一个绕组和电流计连接，另一个绕组和100对金属板组成的电池组连接。发现当电键K接通和切断的瞬间，电流计指针摆动起来。”在回答第二个问题时，法拉第用两个条形磁铁代替了通电线圈，结果同样看到了感应效应。他写道：“用普通的磁铁也产生了同样的效果……把线圈的两端用5英尺长的两条铜线与检流计连接，并把软铁棒插入线圈中。取两条长24英寸的磁铁，并把它们按异性磁极并在一起。然后，把一端分开（如马蹄形磁铁），让带线圈的软铁棒夹在其间。”接着他做了这样的实验：“当软铁棒与磁极接触时，指针立即发生摆动，然而继续接触时，指针仍回到原来的位置。当脱离接触时，指针又一次发生摆动，但指针的摆动方向与前次相反。如果调换磁铁两极时，指针摆动方向与前次相反。”为了回答第三个问题，法拉第“用厚纸制成一个圆筒，筒外缠绕8段总长为220英尺长的铜线。把线圈的两端与检流计连接。再取直径3／4英寸、长8．5英寸的棒磁铁……插入线圈时，检流计的指针向某一方向摆动……再拔出时，指针则向前次摆动的相反方向摆动……如果磁铁插入又拔出时，指针向一方摆动后停止，然后再向相反方向摆动。”

最后，法拉第在1831年11月24日写了一篇论文，向英国皇家学会报告了实验结果，并把产生感应现象的条件概括如下：（1）变化的电流；（2）变化的磁场；（3）运动的稳恒电流；（4）运动的磁铁；（5）在磁场中运动的导体。并把上述现象称为“电磁感应”。

法拉第在上述产生感生电流的5种方式的基础上，进一步找到了引起感生现象发生的一个基本条件，就是二次电路——B线圈中磁力线数量的变化。这个结论，被称为法拉第电磁感应定律。这个定律的数学表现形式，是由麦克斯韦完成的。

电磁感应现象的发现是具有划时代的意义的，他把电与破长期分立的两种现象最后联结在一起，揭露出电与磁的本质的联系，找到了机械能与电能之间的转化方法。在实践上，开创了电气化时代的新纪元；在理论上，为建立电磁场的理论体系打下了基础。

法拉第发现了电磁感应现象，但如何解释这种现象呢？法拉第引进了“具有张力的电”这样一个新概念。他在《电学实验的研究》一书中写道：“具有张力的电使它的邻近处于相反带电状态，这种能力我们已经用普通术语感应一词来表示了。由于感应一词已经纳入科学术语之中，因此我们也就可以恰当地在同样普遍意义下用感应一词来表示电流所具有那种能力，即能使它邻近本来在平常状态的物质感应至某种特殊状态的能力。”“更进一步说：不管采用安培的漂亮理论或其他什么理论，也不管思想上做些什么保留，都会感到下述论点十分特别，即每一电流总伴有一个与它的方向成直角的磁作用力；然而电的良导体，当放在该作用范围内时，却应该没有任何感生电流流过它，也不产生在作用力方面与此相当的某些可觉察的效应。”“对这些问题及其后果的考虑，再加上想从普通的磁中获得电的希望，时时激励着我从实验上去探求电流的感应效应。最近，我得到了肯定的结果，这不仅满足了我的期望，而且使我得到了全面解释阿拉果现象的关键，并且还发现了一种新情况，这在电流的某些最重要的效应中可能有巨大的影响。”

阿拉果是法国天文学家和物理学家，当他听到奥斯特的新发现后，大约做了两周左右的大量实验，除了验证奥斯特的实验结果无误外，还发现了新的现象，这就是铁的磁化现象。在他给科学院的报告《关于在伏打电流的作用下，铁与钢的磁化实验》中，作了如下描述。用一个螺旋线圈，在其中放置了铁（或钢）针，当线圈与伏打电池接通之后，使铁（钢）针具有了磁性，后来，又发现通电线圈具有吸引铁屑的能力，并且还发现铁屑在线圈周围呈圆形排列。1824年阿拉果发现了更加难于理解的实验现象：悬挂着的磁体（它可以自由转动）在它的下方平行放置一个可自由转动的铜圆盘。如果两者的距离足够近，当磁体转动时将引起铜盘的转动；而铜盘转动时，又会使磁体转动。对于刚刚发现电流的磁效应的科学界来说，是无法解释这些奇特现象的。

法拉第发现电磁感应现象之后，在试图对阿拉果的神秘实验予以科学的解释过程中，产生了磁力线的观念。《电学实验的研究》的116条目中，法拉第第一次绘制了表示磁力线的图形。其中有一个条形磁铁和一个银质小刀。并解释了小刀做切割磁力线运动时，小刀本身将产生什么样方向的感生电流，同时对磁力线的画法作了注解：“磁力线就是磁力的线，它的形状与磁铁放置的位置方式无关。它表示放在玻璃板上的铁屑或者小磁针所描绘的线。”他在后来的许多论文中，对磁力线作了详尽的论述。

首先，他认为磁力线并不是一些假想的几何线，而是代表着实实在在的物理实体。他指出铁屑所描绘出来的力线，只是力线存在的检验，没有铁屑空间也存在着这种力的作用线。他写道：“我不得不深信磁力线概念的真实性，因为它是以实验为基础建立起来的，而不是纯粹假设性的。”

其次，他认为每根磁力线都对应一对磁极或电荷。许多磁力线可组成力管，力管的横截面代表那个区域力的强弱。力管的收缩和扩张的趋势，是引起磁极或电荷相互吸引或排斥的原因，而且力线在几何上随距离平方稀疏起来，这说明电力或磁力遵从平方反比定律。

接着他又把布满力线的空间称之为“场”，力线疏密则是表示场的强弱。这样就赋予空间以物理实在性质，而不是虚空。当然，力线概念本身并没有彻底摆脱力学的观念，这并不奇怪，这是科学发展的继承性遗留给新概念中的旧痕。1851年他在《论磁力线》论文中指出：“无论导线是垂直地还是倾斜地切过磁力线，也无论它是沿着某一方向或沿着另一方向，这根导线都能把它所切割过的力线中的力汇集在一起”，因此“形成电流的力应该正比于切割磁力线的数量”。

1837年法拉第又根据另一个实验结果，即由于力线在介质中的稠密程度与真空中不同而提出了近距作用的概念。当他在金属电容器中插入电介质后，电容器的电量与没有电介质时不同，并得出如下结论：两金属板上的电荷的相互作用不是超距的，而是通过介质逐点传递的，是一种近距作用。

法拉第还认为以太中的场和绝缘物质中的场并没有固有的差别，对于以太，其介电常数ε＝1，而对于其他绝缘物质的介电常数ε≠1。

约·汤姆逊曾对法拉第的力线观念有过这样的评价：在法拉第的许多贡献之中，最伟大的一个贡献就是力线概念。他认为借助于力线可以最简单地把电场和磁场的许多性质表示出来。确实如此，法拉第把电磁相互作用的空间“实体化”，对电磁场理论的建立，起了桥梁作用。