法拉第与电磁感应理论

第六节　法拉第与电磁感应理论

迈克尔·法拉第

迈克尔·法拉第（1791～1867）是英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家。他生于萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭，仅上过小学。1815年5月，法拉第在英国皇家研究所由戴维指导进行化学研究。1824年1月他当选英国皇家学会会员，1825年2月任英国皇家研究所实验室主任，1831年，他作出了关于力场的关键性突破，永远改变了人类文明。1833～1862年法拉第任英国皇家研究所化学教授，1846年他荣获伦福德奖章和英国皇家勋章。

一、“电磁学之父”法拉第

法拉第

1791年9月22日是一个光辉的日子，一代科学巨匠迈克尔·法拉第降生在英国萨里郡纽因顿一个贫苦的铁匠家庭。法拉第的一生是伟大的，然而他的童年却十分凄苦。为了解决全家的温饱，老法拉第带着5岁的小法拉第迁到伦敦，希望改变贫穷的命运，不幸的是上帝非但没有给法拉第一家赐福，反而在小法拉第9岁那年夺取了老法拉第的生命。迫于生计，幼小的法拉第不得不承担起生活重担，去一家文具店当学徒。4年以后，13岁的法拉第又到书店当学徒。他起初负责送报，后来充当图书装订工。他跟一位装订书兼卖书的师傅当学徒，利用此机会博览群书。书店里书籍堆积如山，法拉第带着强烈的求知欲望，如饥似渴地阅读各类书籍，汲取了许多自然科学方面的知识，尤其是《大英百科全书》中关于电学的文章，强烈地吸引着他。他努力地将书本知识付诸实践，利用废旧物品制作静电起电机，进行简单的化学和物理实验。他还与青年朋友们建立了一个学习小组，常常在一起讨论问题，交换思想。重视实践尤其是科学实验的特点，在法拉第一生的科学活动中贯彻始终。

法拉第不放过任何一个学习的机会，在哥哥的资助下，他有幸参加了学者塔特姆领导的青年科学组织——伦敦城哲学会。通过一些活动，他初步掌握了物理、化学、天文、地质、气象等方面的基础知识，为以后的研究工作打下了良好基础。法拉第的好学精神感动了一位书店的老主顾，在他的帮助下，法拉第有幸聆听了著名化学家戴维的演讲。他不仅把演讲内容全部记录下来并整理清楚，回去和朋友们认真讨论研究，还把整理装订好的演讲记录送给戴维，并且附信，表明自己愿意献身科学事业。结果他如愿以偿，22岁做了戴维的实验助手。从此，法拉第开始了他的科学生涯。戴维虽然在科学上有许多了不起的贡献，但他说：“我对科学最大的贡献是发现了法拉第。”法拉第勤奋好学，工作努力，很受戴维器重。1813年10月，他随戴维到欧洲大陆国家考察，他的公开身份是仆人，但他不计较地位，也毫不自卑，而把这次考察当作学习的好机会。他见到了许多著名的科学家，参加了各种学术交流活动，还学会了法语和意大利语，大大开阔了眼界，增长了见识。因此有人说欧洲是法拉第的大学。法拉第从欧洲回来后，立即全力以赴地投入科学研究。他搜集了一切能得到的资料，做了详尽的目录索引和笔记，大胆地进行各种化学试验。10年间，他取得了许多成果，也成为一位知名的化学家。

法拉第受谢林哲学的影响，相信电、磁、光、热是相互联系的。1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流对磁针的作用，法拉第敏锐地感到了它的重要性，他决心进一步探索其内在原理。1821年，他成功地做出了“电磁旋转实验”。他用简单的装置，让通电导体和磁铁相互作用，连续旋转，这是第一台将电能转换成机械能的装置。

法拉第一直认为，各种自然力都存在密切关系，而且可以相互转化。他坚信磁也一定能产生电，并决心用实验来证明它，但是各种努力都失败了。直到近10年后，到1831年，他终于发现，一个通电线圈产生的磁力虽然不能在另一个线圈中引起通电电流，但是当通电线圈的电流刚刚接通或中断的时候，另一个线圈中的电流表指针有微小偏转。法拉第抓住这个发现反复做实验，都证实了这个现象。他又设计了各种各样的实验，发现磁作用力的变化同样也能产生电流。这就是著名的电磁感应原理。

法拉第的这个发现终于劈开了探索电磁本质道路上的拦路大山，开通了在电池之外大量产生电流的新道路。法拉第发现的电磁感应原理是一个划时代的伟大科学成就，它使人类获得了打开电能宝库的金钥匙，在征服和利用自然的道路上迈进了一大步。利用这个原理，法拉第发明了世界上第一台感应发电机的雏型。后来，人们又制成了实用的发电机、电动机、变压器等电力设备，建立起水力和火力发电站，使电力普遍应用于社会的各方面。这一切都是和法拉第的伟大贡献分不开的。

为了证实用各种不同办法产生的电在本质上都是一样的，法拉第仔细研究了电解液中的化学现象，于1834年总结出了法拉第电解定律：电解释放出来的物质总量和通过的电流总量成正比，和该物质的化学当量成正比。这条定律成为联系物理学和化学的桥梁，也是通向发现电子道路的桥梁。

法拉第在电磁学的新领域中耕耘播种。他为了探讨电磁和光的关系，在光学玻璃方面费尽了心血。1845年，也是在经历了无数次失败之后，他终于发现了“磁光效应”。他用实验证实了光和磁的相互作用，为电、磁和光的统一理论奠定了基础。

二、法拉第发现电磁感应

法拉第最出色的工作是电磁感应的发现和场的概念的提出。1821年，法拉第在读过奥斯特关于电流磁效应的论文后，被这一新的学科领域深深吸引。他刚刚迈入这个领域，就取得重大成果——发现通电流的导线能绕磁铁旋转，从而跻身著名电学家的行列。因受苏格兰传统科学研究方法影响，法拉第根据奥斯特实验认为，电与磁是一对和谐的对称现象。他坚信既然电能生磁，磁亦能生电。经过10年探索，历经多次失败后，1831年8月26日，法拉第终于获得了成功。他用伏打电池在给一组线圈通电（或断电）的瞬间，另一组线圈获得了感应电流，他称之为“伏打电感应”。尔后，法拉第在同年10月17日完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验，他称之为“磁电感应”。经过大量实验后，他终于实现了“磁生电”的夙愿，宣告了电气时代的到来。

作为19世纪伟大实验物理学家的法拉第，他并不满足于现象的发现，还力求探索现象后面隐藏着的本质；他既十分重视实验研究，又格外重视理论思维的作用。1832年3月12日，他写给皇家学会一封信，信封上写着“现在应当收藏在皇家学会档案馆里的一些新观点”。那时的法拉第已经孕育着电磁波的存在以及光是一种电磁振动的杰出思想，但还带有一定的模糊性。为解释电磁感应现象，他提出“电致紧张态”与“磁力线”等新概念，同时对当时盛行的超距作用说产生了强烈的怀疑：“一个物体可以穿过真空超距地作用于另一个物体，不要任何一种东西的中间参与，就把作用和力从一个物体传递到另一个物体，这种说法对我来说，尤其荒谬。凡是在哲学方面有思考能力的人，决不会陷入这种谬论之中。”他开始向长期盘踞在物理学阵地的超距说宣战。与此同时，他还向另一种形而上学观点——流体说进行挑战。1833年，法拉第总结了前人与自己的大量研究成果，证实当时所知的摩擦电、伏打电、电磁感应电、温差电和动物电这5种不同来源的电具有同一性。他力图解释电流的本质，研究电流通过酸、碱、盐溶液的现象，结果在1833～1834年，他发现了电解定律，开创了电化学这一新的学科领域。他所创造的大量术语沿用至今。电解定律除本身的意义外，也是电的分立性的重要论据。

1837年法拉第发现了电介质对静电过程的影响，提出了以近距“邻接”作用为基础的静电感应理论。不久以后，他又发现了抗磁性。在这些研究工作的基础上，他形成了“电和磁作用通过中间介质、从一个物体传到另一个物体”的思想。于是，介质成了“场”的场所，场这个概念正是来源于法拉第。正如爱因斯坦所说，引入场的概念，是法拉第的最富有独创性的思想，是牛顿以来最重要的发现。牛顿及其他学者，将空间视作物体与电荷的容器；而法拉第的空间，是现象的容器，它参与了现象。所以说法拉第是电磁场学说的创始人。法拉第深邃的物理思想，强烈地吸引了年轻的麦克斯韦。麦克斯韦认为，法拉第的电磁场理论比当时流行的超距作用电动力学更为合理，他正是抱着用严格的数学语言来表述法拉第理论的决心闯入电磁学领域的。

法拉第坚信：“物质的力借以表现出的各种形式，都有一个共同的起源”，这一思想指导着法拉第探寻光与电磁之间的联系。1822年，他曾使光沿电流方向通过电解液，试图发现偏振面的变化，没有成功。这种思想是如此坚定，使他执着追求，终于在1845年发现强磁场使偏振光的偏振面发生旋转。他在晚年时，尽管健康状况恶化，但仍从事广泛的研究。他曾分析研究电缆中电报信号迟滞的原因，研制照明灯与航标灯。他的成就来源于勤奋，他的主要著作《日记》由16041则实验汇编而成，《电学实验研究》有3362节之多。

三、力场改变人类文明

迈克尔·法拉第所提出的力场概念是他伟大发现的关键。他为电和磁两种新的力场而着迷。如果有人将铁屑洒在一块磁铁上，他会发现铁屑将呈现一种充满整个空间的蜘蛛网状。这就是法拉第的磁力线（磁感线），以图形的形式描绘出了磁的力场在空间如何散布。举例来说，如果有人绘出整个地球的磁场，他会发现磁力线从N极地区伸出，然后在S极地区落回到地球上。同样的，如果有人画出雷阵雨中一枚避雷针的电场线，他会发现电场线集中在避雷针的尖端。在法拉第看来，“空”的空间其实根本不是空的，而是充斥着能使遥远的物体移动的力线。由于法拉第早年穷困，未能接受足够的数学教育，因此他的笔记本中密密麻麻的不是等式，而是这些力线的手绘图表。具有讽刺意味的是，数学训练的不足使他创造了如今任何物理课本中都可以看到的、美丽的力线图表。从科学上来说，物理图像通常比用来对其进行描述的数学语言更为重要。

力场是科学中最重要的概念之一，事实上，全部的现代物理学都是用法拉第的力场语言写就的。

当时，法拉第的力场曾经被视为毫无用处，是无所事事的随意涂鸦，然而科学研究证明它是真实的、物质的力量，可以移动物体并产生能源。今天，你阅读这一页所依赖的光线或许就是因法拉第关于电磁学的发现而点亮的：一块转动的磁铁会制造力场，推动一根电线中的电子，使它们以电流的形式移动，其后，这股电线中的电力可以点亮一盏灯泡。同样的原理用于生产为全世界城市提供能量的电力。比如，水流过一个大坝，在一个涡轮机中产生巨大的磁力进行转动，这个涡轮机随后再推动电线中的电子，形成一股电流，通过高压电线输送到用户。

换言之，迈克尔·法拉第的力场是驱动现代文明的动力，从电动推土机到如今的计算机、互联网都源于力场的发现。

法拉第的力场在被发现后的一个半世纪里成为物理学家的灵感之源。这些力场给了爱因斯坦极大的启示，他用力场的语言来描述和表达他的引力理论。同样的，加来道雄也被法拉第的成果所启迪，他成功地运用法拉第的力场表现了弦理论，从而建立了弦场论。在物理学界，如果有人说“他思考起来像一根力线”，那便意味着一种高度的赞美。

四、法拉第对人类文明的贡献

法拉第的一生是伟大的，法拉第其人又是朴实的。他非常热心科学普及工作，在他任皇家研究所实验室主任后不久，即发起举行星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座。他在星期五晚间讨论会上作过100多次讲演，在圣诞节少年科学讲座上讲演达19年之久。他的科普讲座深入浅出，并配以丰富的演示实验，深受欢迎。法拉第还热心公众事业，长期为英国许多公司机构服务。他为人质朴、不善交际、不图名利、喜欢帮助亲友。为了专心从事科学研究，他放弃了一切有丰厚报酬的商业性工作。1857年，法拉第谢绝了皇家学会拟选他为会长的提名，他甘愿以平民的身份实现献身科学的诺言，终生在皇家学院实验室工作，当一个平凡的迈克尔·法拉第。

1867年8月25日，平民迈克尔·法拉第在书房安详地离开了人世。一代科学巨星，在谱写完他不平凡的人生，给人类留下无价的宝藏之后与世长辞。法拉第的贡献惠及每个人，他把人类文明提高到空前的高度，使文明进程提前了几十几百年，其价值无法用金钱来衡量。如果硬用金钱衡量的话，有人说会超过全球股票价值。后世的人们，选择了法拉作为电容的国际单位，以纪念这位物理学大师。

五、发电机的历史

在公元1831年，法拉第将一个封闭电路中的导线通过电磁场，导线转动时，有电流流过电线，法拉第因此了解到电和磁场之间有某种紧密的关联，他发明了第一台发电机原型，并让它产生了电力。在此之前，所有的电皆由静电起电机和电池产生，而这二者均无法产生巨大能量。但是，法拉第的发电机终于改变了一切。现在的发电机根据不同的发电机线绕的方式和磁铁的安排，可以获得交流电（AC）或直流电（DC），大部分发电机都是产生交流电，它比直流电更易由传输线作长距离的传送。

法拉第的圆盘发电机

就在法拉第发现电磁感应原理的第二年，受法拉第发现的启示，法国青年电学工程师皮克希成功试制了世界上第一台手摇旋转永久磁铁的交流发电机。皮克希的发电机是在靠近可以旋转的U形磁铁（通过手轮和齿轮使其旋转）的地方，用两根铁芯绕上导线线圈，使其分别对准磁铁的N极和S极，并将线圈导线引出。这样，摇动手轮使磁铁旋转时，由于磁感线发生了变化，结果在导线线圈中就产生了电流。

由这种发电机的结构可以知道，每当磁铁旋转半圈时，线圈所对应的磁铁的磁极就改变一次，从而使电流的方向也跟着改变一次。为了改变这种情况，使电流方向保持不变，皮克希想出了一个巧妙的办法：在磁铁的旋转轴上加装两片相互隔开成圆筒状的金属片，由线圈引出的两条线头，经弹簧片分别与两个金属片相接触。另外，再用两根导线与两个金属片接触，以引出电流。这个装置，就叫做换向器，在后来的发电机上仍得到应用。

换向器为什么能保持电流方向不变呢？这是因为电流从线圈流入换向器，而换向器是和磁铁一起旋转的。当磁铁转过半圈，线圈中电流方向倒逆过来，换向器也正好转过半周而掉转了方向，因而输出的电流方向始终是不变的。皮克希发明的这种发电机在世界上是首创，当然也有其不足之处：一是转动磁铁不如转动线圈更为方便灵活；二是通过换向器虽然可以得到定向的电流，但是电流大小还是不断变化的。为改变这种情况，人们采用增加一些磁铁和线圈数量，并稍微错开地将变化的电流一起引出的办法，使输出电流的大小变化控制在一定的范围内。从皮克希发明发电机后的30多年间，虽然有所改进，并出现了一些新发明，但进步不大，始终未能研制出能输出如电池能提供的那样大的电流，而且可供实用的发电机。

1867年，德国发明家韦纳·冯·西门子对发电机做出了重大改进。他认为，在发电机上不用磁铁（即永久磁铁），而用电磁铁，这样可使磁力增强，产生强大的电流。西门子用电磁铁代替永久磁铁发电的原理是：电磁铁的铁芯在不通电流时，仍残存有微弱的磁性。当转动线圈时，利用这一微弱的剩磁发出电流，再反馈给电磁铁，促使其磁力增强，于是电磁铁也能产生出强磁性。接着，西门子着手研究电磁铁式发电机，很快就制成了新型的发电机，它能产生皮克希发电机所远不能相比的强大电流。同时，这种发电机比连接一大堆电池来通电要方便得多，因而它作为实用发电机被广泛应用起来。

西门子的新型发电机问世后不久，意大利物理学家帕其努悌于1865年发明了环状发电机电枢。这种电枢以在铁环上绕线圈代替在铁芯棒上绕制线圈，从而提高了发电机的效率。实际上，帕其努悌早在1860年就提出了发电机电枢的设想，但未能引起的人们的注意。1865年，他又在一本杂志上发表了这一独创性的见解，仍未得到社会的公认。

到了1869年，比利时学者古拉姆在法国巴黎研究电学时，看到了帕其努悌发表的文章，认为这一发明有其优越性。于是，他就根据帕其努悌的设计方案，并采纳了西门子的电磁铁式发电机原理，于1870年制成了性能优良的发电机。帕其努悌的发明对发电机的换向器部分进行了重要改进，使发电机发出的电流变化极小。而采用帕其努悌设计方案制成的古拉姆式发电机，其发出的电流变化也很小。这是古拉姆发电机的优良性能的表现之一。古拉姆发电机的性能好，所以销路很广，他不仅发了财，而且被人们誉为“发电机之父”。

有些人看到古拉姆发明发电机获得成功，也想对发电机进行改进从而制造出更先进的发电机。在这些人中，就有德国的西门子公司研究发电机的工程师阿特涅。他改变了古拉姆发电机的线圈绕线方式，制成了性能良好的发电机。古拉姆发电机的电枢是将铁丝绕成环状，在环与环之间夹上纸进行绝缘，然后将环捆在一起作为铁芯，在其上面绕上导线线圈，再由线圈的不同部位引出一些导线，接向换向器。而阿特涅发电机的电枢，是用许多薄圆铁板以纸绝缘后重叠起来，制成铁芯，然后在上面绕上导线线圈。人们把这种方法叫做“鼓圈”，意思是像鼓一样的形状。经过这种改进后，发电机无论是外观还是性能，都比原来有了很大进步。西门子公司由于阿特涅的这项发明而益发驰名。于是，德国以西门子公司为核心，大力研制各种发电机，从而使电力工业得到了迅速的发展。

随着发电机的逐渐大型化，转动发电机的动力也发生了变化。其中以水力作动力更使人们感兴趣。这是因为用水力转动大型发电机较方便，而且不消耗燃料，成本低。因此，西门子公司又投入水力发电的研究工作。利用水力发电与火力发电不同，前者必须将发电机安装在水流湍急的地方，也就是水流落差大的地方。这样，就必须在山中河川的上游发电，然后再输送到远方的城市。为了远距离输送电，就要架设很长的输电线。但是，在输电线中通过很大的电流时，电线就要发热，如此一来，好不容易发出的电能在送向远方的途中，却因为电线发热而损耗掉了。为了减少电能在长距离输送中的发热损耗，可以采用两个办法：一是增加电线的截面积，即将电线加粗，减小电阻；二是提高电压而减小电流。前一个措施因需要大量的金属导线，而且架设很粗的导线有很多困难，很难得到采用。比较起来，还是后一个措施有实用价值。然而，对于当时使用的直流电来说，使其电压提高或降低都是难以实现的。于是，人们只得开始考虑利用电压很容易改变的交流电。看来，将直流发电机改为交流电发电机比较容易，主要是取掉换向器就行了。所以，西门子公司的阿特涅便于1873年发明了交流发电机。此后，对交流发电机的研究工作便盛行起来，从而使这种发电机得到了迅速的发展。