电磁感应现象的发现历程及其启示

汪小平

(铜陵市第一中学 安徽 铜陵 244000)

胡小龙

(铜陵市实验高级中学 安徽 铜陵 244000)

1820年奥斯特的发现第一次揭示了电能产生磁，从而开辟了一个全新的研究领域.从发现电流磁效应之日起人们便关心它的逆效应：既然电能产生磁，磁是否也能产生电？针对磁生电问题尽管人们作出了很多努力，然而很多人都以失败而告终.

1 安培的“自信”

1822年，法国著名物理学家安培做了一个本可以发现电磁感应现象的实验，如图1所示，将一个圆形线圈竖直放置(图1中的DRE，F和B是线圈的引线)，在线圈中悬挂起一个小活动铜环(图1中的HIG)，并且有一块马蹄形磁铁靠在附近，当线圈接通电流时，发现铜环发生偏转，然后慢慢还原.

图1 安培的实验

很显然，电磁感应现象已经展示在安培的面前,但是,当时安培却没有认识到该实验的重大意义，他甚至在报告中写道:“感应能够产生电流的事实本身很有趣，但它与电动力的总体理论是无关的.”[1]显然,安培对于自己的理论太过于“自信”，对电磁感应的实验现象没有认真对待，以至于使他与电磁感应现象的发现失之交臂.

2 阿拉果的“困惑”

1822年在英国格林威治的一座小山上，阿拉果与洪堡在测量地磁强度时偶然发现磁针附近的金属物体对磁针的振动有阻尼作用，但是当时阿拉果并不能解释该实验现象，也没有重视该实验，直到两年以后阿拉果才认识到该实验的重要意义[2].因此阿拉果在1824年又重新设计了一个新的“铜圆盘”实验：他将一个铜圆盘装在一个垂直轴上，让其可以自由旋转，在铜圆盘上方悬吊一根可以自由旋转的磁针，如图2所示.他发现当圆盘旋转时，磁针跟着一起旋转，但稍有滞后；反之，当磁针旋转时，铜盘也随之旋转，此即著名的“阿拉果圆盘实验”[2].

图2 阿拉果圆盘实验

阿拉果圆盘实验一方面引起了电磁学界的轰动，另一方面他们对该实验现象也很“困惑”，因为对于刚刚发现电流磁效应的科学界来说，是无法解释该“圆盘”实验现象的，因此又把阿拉果的实验发现称之为“神秘的实验”[3].

实际上阿拉果圆盘的电磁驱动现象是由涡流引起的典型的电磁感应现象，但是该实验主要观察到圆盘的力学效应，它并没有直接观察到电流的电学效应，因而未能把它和磁生电现象联系起来，只感到它们是无从理解的新现象.直到1831年，法拉第发现了电磁感应现象并深入地研究后，阿拉果圆盘实验的本质才被揭示.值得一提的是阿拉果圆盘实验对后面法拉第发现直流发电机原理也起到了重要作用.

3 科拉顿的“遗憾”

1825年，瑞士物理学家科拉顿进行过一个有趣的实验，如图3所示,他把磁铁插入螺线管中或从其中拔出，想看看由此闭合的螺线管是否产生感应电流.由于当时没有电流计，需要用小磁针来判断导线中是否存在电流，为了避免磁铁棒和小磁针之间的影响，他把小磁针放到了隔壁的房间来观察实验现象.每次科拉顿把磁铁棒插入(拔出)螺线管后再到邻屋观看小磁针是否偏转，结果毫无动静.实际上，科拉顿已经设计出了产生电磁感应现象的实验，但是由于观察和操作不当，成功仍然与其擦肩而过，可谓是十分的“遗憾”.

图3 科拉顿实验示意图

4 法拉第的“坚持”

1821 年，一个偶然的机会把法拉第吸引到电学研究的领域：他一个朋友请他为《哲学杂志》写一篇关于奥斯特的发现公布以来电磁理论和实验研究进展的综述文章.对该课题的调研立即唤起了他对电磁现象研究的巨大热情.因此法拉第思考，既然电流能产生磁，磁也应该能产生电流.1823年以后法拉第做了一系列实验，企图找到由电生磁的方法，然而均以失败告终，主要原因在于他在实验中使用的都是恒定电流产生的磁场，看看这样的磁场是不是会在某个电路产生电流.

虽然经历了多次的失败，法拉第并没有被失败所打倒，以其坚忍不拔的毅力，把实验持续坚持做了下去，直到1831年8月29日，法拉第又进行新的实验.他实验的日记记录如下[4]：

1831年8月29日

(1)从磁产生电的实验，等等.

(3)一个由 10 对 4 平方英寸极板组成的电池充电，B侧线圈连接成一个线圈，末端用铜线连接.铜线恰好伸到不远处一个小磁针(距离圆环3英尺)的上方，然后把 A 侧一段线圈的末端与电池连接，小磁针立刻产生一个可察觉的效应，摆动以后回归到原来位置，断开 A 侧与电池连接的时候，小磁针又会摆动.

法拉第圆环实验的示意图如图4所示，该实验所展示的就是电磁感应现象，但是法拉第并没有立即明白其中的道理.这在他同年9月的一封信中有所表露[5]：“他认为自己在研究中抓住了一些好东西，但是还不能说明白，认为这可能是杂草而不是鱼，但他有决心，要竭尽全力，终究可以把它拉起来.”

图4 法拉第圆环实验示意图

法拉第进一步通过实验分析了该实验的成功因素，并在此基础上做了大量的相关实验，希望可以发现磁生电现象背后的规律.他发现只要回路中电流发生变化，就会有电磁感应现象.同年9月24日法拉第将线圈绕在一根铁棒上，连接电流计，并把铁棒放在两根条形磁铁的中间，他发现拉动铁棒时电流计指针将会摆动，如图5所示.10月17日，他将一个螺线管与电流计连接，将一根条形磁铁插入螺线管中来回拉动磁铁时，指针也会左右摆动[6]，如图6所示.10月28日，法拉第将铜盘置于马蹄形磁铁之间，从铜盘轴心和边缘引出导线与电流计连接，使铜盘不停地转动，就会有持续的电流通过电流计，如图7所示，这其实是世界上第一台原始的直流发电机[6,7]. 通过以上实验法拉第终于发现了作为电流磁效应的逆效应——电磁感应现象，并且认识到电磁感应是一种在变化和运动中才出现的非恒定的暂态效应.

图5 铁棒拉进或拉出，电流计指针有摆动

图6 条形磁铁插入或抽出螺线管，电流计指针有摆动

图7 法拉第圆盘发电机

1831年11月24日，法拉第在英国皇家学会宣读了他发现电磁感应现象的论文，即《电学的实验研究》第一辑中的4篇论文，题目分别为《论电流感应》《论从磁产生电》《论物质的一种新的电状态》和《论阿拉果的磁现象》[8].法拉第根据他所做的实验把产生感应电流的情况概括成5类[6]：(1)变化中的电流；(2)变化中的磁场；(3)运动的稳恒电流；(4)运动中的磁铁；(5)在磁场中运动的导线.至此，法拉第把他的发现正式命名为电磁感应.

5 亨利的 “忙碌”

早在1830年8月美国物理学家亨利已经发现了感应原理，即一个线圈里的电流怎样通过产生磁场而使另一个线圈里出现电流.当时亨利在奥尔巴尼学院担任数学教授，一方面由于缺少实验用房，他的研究是在学院大厅进行的；另一方面由于“繁重”的教学任务使其只能在每年的8月(学校放假期间)进行实验，于是在1830年的8月底，亨利便匆忙地结束了他的研究，准备留待第二年8月继续实验.转眼到了1831年的8月，亨利此时准备好了一系列详尽无遗的实验，他开始做了一块大很多的磁铁，还做了一个大“卷筒”，目的是想得到一架能大量做功的机器——他在为做一架直流发电机而努力，但是在他实验做完之前假期又结束了，他不得不投入到繁重的教学活动当中.很快到了1832年的6月，亨利偶然在一本杂志上看到了一段话，说到法拉第已经证明了磁能产生电，但是亨利当时也不清楚法拉第比他领先多大的程度，他立即利用他的旧仪器重复了一些实验，并且急忙写出一篇论文，发表在1832年7月《美国科学杂志》上，该文章包含了他听到的法拉第之前的实验，也包含了他之后做的实验[5]，很显然亨利是先于法拉第完成了关键性实验，但是法拉第却首先公布，亨利的“忙碌”使其错失了“先机”.

6 后人的“启示”

从1820年奥斯特的电生磁到1831年法拉第的磁生电，虽然只有短短的十几年，但是这可是电磁学发展史上关键性的十几年，梳理这十几年电磁感应现象的发现过程，给我们后人带来了很多有益的启示.

6.1 破除思维定式勇于开拓创新

在科学研究中要有打破思维定势，树立创新的意识，对未知的东西要抱有好奇心、主动探究的欲望.科拉顿以及早期的法拉第等都认为磁生电是一个“稳态”现象，因此他们设计实验时往往从“稳态”的角度来设计，但是恰恰电磁感应现象是一个“暂态”的现象，这样很显然会导致他们的实验不成功.在科学研究中，对待每个实验现象，我们都不要带着“有色眼镜”去观察，更不要轻易地肯定或否定什么，而要学会客观理性的分析.安培未能发现电磁感应现象的深层次原因在于安培把他的分子电流理论看得极为重要，这是因为，如果他承认他已经在实验中产生的同轴电流，那么他之前的宝贵理论就无立足之地了，他在1822 年写的实验报告的结论也表明：无论他观察到什么,他都会坚持把它解释成分子电流或者至少是分子样大小的电流存在的证据[1].

6.2 唯有持之以恒才能收获成功

坚韧不拔的精神和持之以恒的毅力是科学研究中必不可少的素养，法拉第之所以能够成功，与他的坚持是密不可分的.在研究电磁感应前后长达十几年的时间里，我们可以从《法拉第日记》中看到太多的心酸和失败，但是法拉第依靠其过人的智慧和持之以恒的毅力，最终获得成功.

6.3 人力物力保障沟通交流合作

“兵马未动、粮草先行”，科学研究同样也需要人力和物力的保障.实际上科拉顿研究的失败，以及亨利研究的滞后，一个很重要的原因就是人力和物力的匮乏.如果科拉顿有一个助手帮他在隔壁观察实验现象，抑或亨利有足够的实验场地开展研究的话，那么发现电磁感应现象的历史将会改写.实际上法拉第在知道安培的实验后, 也重复了安培实验，可惜他所依据的资料，误把安培的圆环画为圆盘， 所以法拉第重复了多次没有得到结果.如果当时法拉第可以和安培细致地沟通和交流，法拉第就能准确地了解安培的实验, 他很可能会比 1831年早好几年发现电磁感应现象，那样我们人类将会提前步入“电力时代”.

在科学研究的征途上，每一次的发现都不简单.奥斯特的发现使人类首次揭示了“纵向力”的作用；法拉第的发现使人类首次触及电磁领域的暂态过程，他们的发现都是在现有事实和以往认知中不断地冲突、比较和取舍，迂回式的前行.他们的每一次失败或成功都反映了人类感性的追求和理性的执着.人类也正是在这一次次的失败或成功中不断地突破和超越.