物理学家的技术发明案例分析——法拉第发明电动机和发电机的启示

刘家冈 李俊清 王本楠

（1北京林业大学，北京 100083）

（2中国科学院生态环境研究中心，北京 100083）

自20世纪30年代美国北部达拉斯大学克劳福德提出“特性列举法”，并首次在大学开设创造思维类课程，从而建立创造学以来，国际国内创造学界在创造哲学、创造心理、创造思维、创造原理和创造技法等方面展开了深入研究［1］.创造学居高临下，将人类创造史中丰富的经验和规律纳入自己的理论体系，并对如何进行人的创造性开发获得了很多积极成果.

特别是，创造学提倡的发散思维，主张不受过去知识的束缚，不受已有经验的影响，从各个不同甚至是不合常规的思路去思考问题.主张不受任何框架、模式的约束，从而突破传统观念和习惯势力的禁锢，从新的角度认识问题，以新的思路、新的方法解决现实难题或创造更好、更美的事物.认为发散思维是构成创造性思维的主导成分［2］.

无疑，发散性思维，以及创造学其他成果，为许多现实问题提供了很好的解决途径，也为发明家提供了有力的思维工具.确实是创造学重要的原则.

但另一方面，作者认为，创造学现有的理论，包括发散思维，对许多历史上的发明案例，特别是利用科学原理进行技术发明的重大案例的解释，还不够确切，或者说，还不能完全概括，没有抓住事物的本质，对许多案例的描述，总有一种隔靴挠痒的感觉.种种现象表明，创造学现有理论需要作进一步发展.

如何发展？我们认为不是居高临下，不是从哲学、心理、思维和原理出发，去归纳实际现象和实际过程.而应该从下往上，从基础做起，从个案做起，分析主要的历史案例，看看发明家和科学家到底是怎样想的，追寻他们真实的创造过程，并从中归纳出创造学新的基本规律.

法拉第（M.Faraday）是19 世纪的伟大科学家，在电磁学史上，有许多基础性的重大理论贡献.尤其是，他不仅在理论上有许多贡献，而且还是发明家，有许多重大发明，值得我们去认真研究［3～5］.本文试图从法拉第发明世界上第一台电动机和第一台发电机的过程，分析他的真实发明过程，总结相应的创造学规律.

1 电动机的发明

1820年，奥斯特（H.C.Oersted）发现电流的磁效应，而后建立了毕沙拉（Biot－Savart－Laplace.）定律和安培（A－M.Ampere）定律.这些激动人心的科学进展，使得思想敏锐的法拉第由此前的主要做化学实验研究，转而进入电磁学的研究领域［3］.

1821年9月，法拉第重复了奥斯特的实验，发现电流对磁极有横向作用力，使之有绕电流作圆周运动的倾向.根据这个效应，法拉第设计制造了一个磁棒绕通电导线旋转和通电导线绕磁棒旋转的对称实验装置（如图1）.图1中，左边的导线固定，当导线与水银接触而有电流通过时，导线周围产生了环形磁场，使得可动磁铁绕导线不停转动；右边的磁铁固定在水银槽里，当可动导线接触水银表面而有电流通过时，因为反作用，使得导线也不停地转动起来［3］.

图1 法拉第的电磁旋转装置示意图

法拉第的这个“电磁旋转”实验，实现了电能向机械能的转化，同时也实现了连续的转动，成为人类历史上第一台电动机.此后的各类直流电动机，虽然在结构上有了很大的变化，但原理却没有本质区别［3］.

案例分析：

1）首先是奥斯特发现电流磁效应，法拉第重复了奥斯特的实验，发现电流对磁极有横向作用力，使得小磁铁有绕电流作圆周运动的倾向.正是电流的这个效应，使得法拉第想到去挖掘它的潜力，实现了这个电能变机械能的旋转装置，发明了世界上第一台电动机.我们把这个创造技法称作“效应潜力挖掘法”.

2）为了实现这个效应，建立这个电磁旋转装置，需要一定的条件，既要有形成电流的回路，又要有可以旋转的导体和磁棒，法拉第采用了如图1所示的水银杯和悬挂结构去实现这个条件.这是“条件的实现”创造技法.在后来的年月里，电动机在各个方面获得了巨大改进，例如用电磁铁代替永久磁铁，这样就获得了更加强大的磁场；用多匝线圈代替单根导线，可以得到更大的力矩，等等.我们统称之为“条件实现改进法”.

2 发电机的发明

1831年，法拉第发现了变化磁场能够在封闭电路中产生电动势，就是著名的电磁感应现象.他当时总结出五种情况下，即变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体，会在导体中产生感应电流［3，4］.

法拉第用一个可转动的金属圆盘置于磁铁的磁场中，并用电流表测量圆盘边沿（A）和轴心（O）之间的电流（如图2）.实验表明，当圆盘旋转时，电流表发生了偏转，证实回路中出现了电流.也就是说实现了机械能转变为电能，这是历史上第一台发电机.

图2 法拉第圆盘发电机原理图

这里我们提一个有趣的、有关创造思维的问题：究竟法拉第是怎么想的，他为什么会把发电机设计成在磁场中转动的导体圆盘？因为按照现在的观点，那不一定是最好的方案.

应该说这和法拉第的研究经验有关.

1822 年，法国物理学家阿尔果（D.F.J.Arago）曾经做了一个非常著名的圆盘实验，他用一个可转动的金属圆盘和一个与之不接触的小磁铁实现了互动：磁铁转动可带动圆盘作异步且滞后的旋转；圆盘转动也可带动小磁铁旋转，也是异步、滞后的.当时许多物理学家试图解释这个现象，但都没有成功［3，4］.

法拉第也一直很关注阿尔果的圆盘实验，被他称为“非凡的实验”.直到1831年法拉第发现了电磁感应定律，才成功地对其给出了正确解释.法拉第认为，在阿尔果的圆盘实验中，是小磁铁的磁场，使得作相对运动的圆盘中的磁场发生变化，进而在圆盘中出现感应电动势和感应电流，感应电流又产生了磁场，这个磁场与小磁铁的磁场相互作用，才出现了圆盘和磁铁的互动，而且是异步、滞后的［3］.

有了对阿尔果圆盘实验研究的经验，法拉第很自然会想到，在磁场里运动的金属圆盘会出现电动势，既然有电动势，用两个电极把它们引出来就行了.实际上，法拉第正是这样做的，他通过实验发现，当一个电极接触圆盘的转轴（O），另一个电极接触圆盘边沿（A），这时有最大电流.法拉第的圆盘发电机就这样产生了.

案例分析：

1）法拉第发现了电磁感应定律，指出变化磁场会产生感应电动势.作为定律的发现者，法拉第非常敏感地意识到，这个效应具有开发成发电机的潜力.于是法拉第根据电磁感应定律发明了世界上第一个发电机，这体现了“效应潜力挖掘法”.

2）法拉第之所以把发电机设计成圆盘发电机，是因为阿尔果圆盘实验显示，在磁场中旋转的金属圆盘内应该有感应电动势存在，只要用两个电极把电动势取出来就行了.这就是“条件的实现”创造技法.后来的发电机，又进行了金属圆盘改为线圈，水平电磁铁改为转动电枢，励磁方式改为混激式、自激式和自馈式［5］等方面的改进，都体现了“条件实现改进法”.

3）在电动机和发电机后来的改进过程中，都使用了多匝线圈.这个技术改进增加了“磁链数”，使得安培电流的磁效应和电磁感应的效应大大增强.此外在电磁铁里普遍采用软铁芯，使得磁场强度极大增强［5］.我们把这种利用某种结构、某种材料来增强效应的方法，称作“效应倍增法”.

3 讨论

1）本文根据法拉第发明电动机和发电机的案例分析，提出的“效应潜力挖掘法”、“条件实现改进法”和“效应倍增法”三条创造技法，适用于利用科学原理进行技术发明的场合.

2）法拉第作为物理学家，他发现电流对磁极有横向作用力，使得小磁铁有绕电流作圆周运动的倾向，还发现了电磁感应定律.但是他没有仅仅停留在自然规律的发现上，而是非常敏感地认识到，这个定律的效应有开发成电动机和发电机的巨大潜力.于是他又扮演起发明家的角色，立刻投入到电动机和发电机的设计中去.当然，作为物理学家，他不一定要去开发实用性的机械，而只需要研制出原理性示范机器、能够为后人指出方向就可以了.

3）从自然科学的基本规律发现，到开发它的效应潜力，发明相应的机械，是需要机遇的.法拉第自己发现了电磁感应定律，并且第一时间挖掘它的效应潜力，发明了世界第一台发电机.如果错过了这个最佳时机，再想要去找机遇，就很困难了.当然，效应的潜力是多方面的，你还可以去挖掘它的其他应用潜力.对于电磁感应定律，还有很多其他应用，变压器、自感线圈、互感线圈、电磁铁、谐振线圈等等.电流的磁效应本是奥斯特发现的，但被法拉第首先抓住了它的效应，首先发明了电动机.应该说，法拉第有非常高的敏感性和自觉性.

4）“条件实现改进法”，在本文案例中似乎也可以换作“缺点列举法”［1，2］.但后者比较笼统，可以指一切缺点，包括外观、花色等等；而前者所指比较明确，是专指实现和改进“效应潜力”所需要的条件，有更强的指向性和可操作性.本文案例中是如何增强磁场，如何增加电动势或力矩，如何整流成直流电等等.

［1］李建军.创造发明学导引［M］2版.北京：中国人民大学出版社，2009

［2］鲁克成，罗庆生.创造学教程［M］.北京：中国建材工业出版社，1997

［3］陈秉乾，舒幼生，胡望雨.电磁学专题研究［M］.北京：高等教育出版社，2001

［4］陈秉乾，王稼军.电磁学［M］.北京：北京大学出版社，2003

［5］胡显章，曾国平.科学技术概论［M］2版.北京：高等教育出版社，2006