錢長(zhǎng)炎

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

著名科學(xué)家及其科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程一直是科學(xué)史研究者關(guān)注的重點(diǎn)之一。法拉第(Michael Faraday，1791～1867)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象是19世紀(jì)上半葉物理學(xué)的重大事件，由此揭開(kāi)了經(jīng)典電磁場(chǎng)理論發(fā)展的序幕。對(duì)法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過(guò)程及物理思想的研究，是物理學(xué)史研究的一個(gè)重要課題。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做過(guò)不同程度的探討，先后發(fā)表了不少具有代表性的論著。對(duì)法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象較早做專門寫(xiě)實(shí)性描述的，當(dāng)推《法拉第日記》(Faraday’sDiaryofExperimentalInvestigation)的主編馬丁(T. Martin)[1]。美國(guó)學(xué)者威廉姆斯(L. P. Williams)撰寫(xiě)的法拉第傳記[2]，則又將這一主題研究推入一個(gè)新的階段。著名科學(xué)史家?guī)於?T. S. Kuhn，1922～1996)在書(shū)評(píng)中寫(xiě)道：“未來(lái)任何對(duì)法拉第的研究都必須從此書(shū)開(kāi)始，沒(méi)有一個(gè)學(xué)習(xí)上世紀(jì)英國(guó)科學(xué)的學(xué)生能夠忽視它?！盵3]王洛印等人的系列研究在國(guó)內(nèi)具有標(biāo)志性[4- 7]。

隨著法拉第遺存手稿和書(shū)信的陸續(xù)整理出版，國(guó)際科學(xué)史界對(duì)法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過(guò)程等相關(guān)問(wèn)題的研究也不斷深入。我們注意到，20世紀(jì)90年代，西班牙學(xué)者榮莫(J. Romo)和董塞耳(M. G. Doncel)根據(jù)法拉第“電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究系列一”(以下簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)系列一”)手稿等文獻(xiàn)，對(duì)其發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象過(guò)程中的思想轉(zhuǎn)變提出了“四階段論”的觀點(diǎn)[8]。尤其是他們還將法拉第“實(shí)驗(yàn)系列一”的手稿整理出版([8]，336～385頁(yè))，為進(jìn)一步考察法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象所經(jīng)歷的實(shí)際過(guò)程及其思想轉(zhuǎn)變提供了更為有利的幫助。

但是，仔細(xì)研讀法拉第電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究文集、書(shū)信、日記和“實(shí)驗(yàn)系列一”手稿等文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)在已有的代表性研究論著中存在一些問(wèn)題：要么對(duì)法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象過(guò)程中的一些關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)不同程度上存在漏讀或誤讀，因而難以對(duì)“實(shí)驗(yàn)系列一”所謂“署名日期提前問(wèn)題”做出更為合理的說(shuō)明([4]，160頁(yè)；[5]，25～26頁(yè))；要么沒(méi)有對(duì)法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象初期對(duì)感應(yīng)電流方向的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)及其糾正過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究做深入分析或片面強(qiáng)調(diào)安培(A. M. Ampère，1775～1836)的影響([2]，137～226頁(yè))；還有將這一過(guò)程中的一天視為法拉第思想迅速轉(zhuǎn)變的“戲劇性”描述([8]，295～309頁(yè))。這些都難以揭示法拉第這一重要發(fā)現(xiàn)的艱難過(guò)程及其曲折的思想轉(zhuǎn)變軌跡。實(shí)際上，我們只要對(duì)法拉第日記、論著和書(shū)信等文獻(xiàn)進(jìn)行綜合分析，將其中相應(yīng)內(nèi)容仔細(xì)比對(duì)、相互參照，就不難對(duì)他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過(guò)程及相關(guān)問(wèn)題獲得更加全面的認(rèn)識(shí)。

1 發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象及對(duì)它的初步認(rèn)識(shí)

法拉第對(duì)電磁作用現(xiàn)象的系統(tǒng)研究是從1821年開(kāi)始的。[9]在隨后的歲月里，他從事化學(xué)實(shí)驗(yàn)等研究工作同時(shí)，仍對(duì)電磁現(xiàn)象這個(gè)令人神往而迷惑的領(lǐng)域眷念不已，曾多次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)電磁作用現(xiàn)象再做認(rèn)真觀察，但都沒(méi)有新的進(jìn)展。[10]

然而，通過(guò)長(zhǎng)期的科學(xué)研究實(shí)踐和英國(guó)皇家研究院學(xué)術(shù)氛圍的熏陶，法拉第的自然觀日趨成熟。正如有的學(xué)者所說(shuō)：“強(qiáng)調(diào)自然力的統(tǒng)一性及相互轉(zhuǎn)化成為法拉第實(shí)驗(yàn)研究的指導(dǎo)思想和(努力)方向?！盵11]并且隨著對(duì)電磁現(xiàn)象研究的不斷深入，電流計(jì)和電磁鐵等技術(shù)也不斷發(fā)展，為進(jìn)一步研究電磁現(xiàn)象創(chuàng)造了有利的實(shí)驗(yàn)條件。終于在發(fā)現(xiàn)電磁旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象的十年之后，法拉第在電磁領(lǐng)域又做出了重要發(fā)現(xiàn)，揭開(kāi)了電磁學(xué)發(fā)展史上新的一頁(yè)。

1.1 發(fā)現(xiàn)“伏打電感應(yīng)”和“磁電感應(yīng)”現(xiàn)象

根據(jù)日記內(nèi)容，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象首輪實(shí)驗(yàn)是在1831年8月29日至10月27日陸續(xù)完成的。其間，他不但發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，還對(duì)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件做了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀察，反復(fù)確證了“伏打電感應(yīng)”和“磁電感應(yīng)”現(xiàn)象，同時(shí)為進(jìn)一步研究摸索了有效的實(shí)驗(yàn)方法。

1831年8月29日法拉第通過(guò)“圓環(huán)實(shí)驗(yàn)”，首次觀察到電磁感應(yīng)現(xiàn)象。日記中，他輔之以圖(圖1)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果描述道：

3.將B側(cè)連接成一個(gè)線圈，末端用銅線連接。銅線恰好伸到不遠(yuǎn)處一個(gè)小磁針(距離圓環(huán)3英尺)的上方。再將A側(cè)線圈的兩端與電池連接，磁針立即產(chǎn)生易于觀察到的效應(yīng)。它先轉(zhuǎn)動(dòng)，最后靜止于初始位置。當(dāng)將A側(cè)線圈與電池?cái)嚅_(kāi)(1)此處原文“breaking”，法拉第用斜體加重，筆者引譯以著重號(hào)示之。本文凡引用原文中斜體部分，譯文皆同此處理。時(shí)，磁針再次出現(xiàn)擾動(dòng)。 ([10]，367頁(yè))

這是前人從未觀察過(guò)的電磁作用現(xiàn)象，法拉第頓感新奇、重要。進(jìn)而，他將一平面線圈與B側(cè)線圈相連(圖2)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果愈加明顯：

7.電池與A側(cè)線圈兩端連接的瞬間，平面線圈強(qiáng)烈吸引磁針，磁針擺動(dòng)數(shù)次后又靜止下來(lái)，回到初始的位置。而斷開(kāi)電池的連接時(shí)，磁針則受到強(qiáng)烈的排斥，經(jīng)過(guò)數(shù)次擺動(dòng)之后同樣回到初始位置。 ([10]，367頁(yè))

圖1 圓環(huán)線圈示意圖([10]，367頁(yè))

圖2 “圓環(huán)實(shí)驗(yàn)”中平面線圈對(duì)磁針產(chǎn)生吸引或排斥作用示意圖([10]，367頁(yè))

而對(duì)于A、B兩側(cè)電流的方向，法拉第根據(jù)平面線圈使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況做了判斷：

9.當(dāng)電路首先連接時(shí)，好像兩電流是同一方向的；而當(dāng)電池連接中斷時(shí)，磁針轉(zhuǎn)動(dòng)顯示似乎產(chǎn)生瞬間反向的電流。([10]，368頁(yè))

這些記錄表明，法拉第對(duì)感應(yīng)電流的方向尚未獲得清楚的認(rèn)識(shí)。在其隨后的實(shí)驗(yàn)中我們將會(huì)看到，他此時(shí)對(duì)感應(yīng)電流方向的判斷是錯(cuò)誤的(詳見(jiàn)下文分析)。而法拉第這階段的實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于確定產(chǎn)生這種現(xiàn)象的條件和方法。

8月30日，法拉第重復(fù)觀察“圓環(huán)實(shí)驗(yàn)”，但他讓A側(cè)線圈持續(xù)通電，而交替斷續(xù)B側(cè)平面線圈的回路，結(jié)果沒(méi)有觀察到任何現(xiàn)象。他由此認(rèn)識(shí)到：“在B側(cè)，導(dǎo)線中不存在持久的或特殊的狀態(tài)；效應(yīng)產(chǎn)生的原因在于A側(cè)回路的斷續(xù)瞬間而產(chǎn)生的電起伏?！?[10]，369頁(yè))

依照日記，隨后的實(shí)驗(yàn)是法拉第在9月24日集中完成的([10]，370～372頁(yè))。通過(guò)反復(fù)的嘗試，他實(shí)現(xiàn)了由磁直接產(chǎn)生電的愿望。輔之以草圖(圖3a)，他說(shuō)明道：

33.所有的導(dǎo)線連接成一個(gè)線圈，并用銅線與遠(yuǎn)處的一個(gè)指示線圈相連，然后與前面實(shí)驗(yàn)類似(兩條形磁鐵，一端異名磁極相連)，鐵棒置于兩磁鐵另一對(duì)磁極之間。每次鐵棒與磁鐵的N極或S極接觸或斷開(kāi)，指示線圈都產(chǎn)生一個(gè)磁運(yùn)動(dòng)，但只是一瞬間的推或拉。如果電路(即連接的銅絲)斷開(kāi)，無(wú)論接觸或斷開(kāi)都不產(chǎn)生任何效應(yīng)。因此很明顯的是磁轉(zhuǎn)化為電。([10]，372頁(yè))

在發(fā)表的“實(shí)驗(yàn)系列一”論文中，法拉第對(duì)此實(shí)驗(yàn)做了更為詳細(xì)的敘述[12]，并附插圖(圖3b)示之，檢測(cè)指示線圈中感應(yīng)電流的方法與圖2所示的實(shí)驗(yàn)相同。

圖3 利用磁鐵直接產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)驗(yàn)示意圖

根據(jù)日記內(nèi)容，在1831年10月1日、17日、18日、24日和27日五天的實(shí)驗(yàn)研究中，法拉第利用螺線管等許多自制的實(shí)驗(yàn)器材，對(duì)他所謂的“伏打電感應(yīng)”和“磁電感應(yīng)”現(xiàn)象進(jìn)行了反復(fù)觀察和確證([10]，372～380頁(yè))。

按照不同的條件和方法，法拉第對(duì)這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分類和歸并，在 “實(shí)驗(yàn)系列一”論文的第1部分“電流感應(yīng)”([12]，126～131頁(yè))和第2部分“由磁到電的演化”([12]，131～139頁(yè))中分別加以論述。對(duì)于“伏打電感應(yīng)”，法拉第論說(shuō)道：

26.伏打電(Voltaic electricity)明顯地能夠產(chǎn)生感應(yīng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在某種程度上與張力電(electricity of tension)所產(chǎn)生的現(xiàn)象類似。然而如后文所述，它們之間存在許多差別。結(jié)果是另一電流的產(chǎn)生(但僅是瞬間的)總是平行于或趨于平行于施感電流。借助螺線圈能夠使磁針磁極發(fā)生偏轉(zhuǎn)(13.14.)和檢流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)(11.)，在所有的情況下，施感電流第一作用所產(chǎn)生的感應(yīng)電流都與其方向相反，施感電流中斷時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流與其方向相同(19.)。為了避免贅述，我將這種由伏打電池引起的電流作用稱作為伏打電感應(yīng)(Volta-electricinduction)。([12]，130～131頁(yè))

法拉第將利用磁鐵直接產(chǎn)生的感應(yīng)現(xiàn)象稱作為“磁電感應(yīng)”，并說(shuō)明道：

在普通磁鐵與電磁鐵或伏打電流之間這種作用的同一性幾乎能夠確證，這種作用也明顯與安培理論是一致的，從而也證實(shí)了安培的理論。同時(shí)也提供了有力的證據(jù)使人們相信這兩種情況下所產(chǎn)生的作用是一樣的。但是，作為語(yǔ)言上的區(qū)分還是必要的，我將這種由磁鐵所產(chǎn)生的作用稱作為磁電感應(yīng)(magneto-electricormagnetoelectricinduction)。([12]，138～139頁(yè))

實(shí)際上這是產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象兩種不同的實(shí)驗(yàn)方法，隨后人們一般不再作這種區(qū)分。誠(chéng)然，法拉第此間完成的所有“伏打電感應(yīng)”和“磁電感應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)便是他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的標(biāo)志。

而通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，他意識(shí)到“仍然需要設(shè)計(jì)更為精巧的儀器和更強(qiáng)的磁鐵”([10]，379頁(yè))來(lái)進(jìn)一步研究。當(dāng)時(shí)，克利斯蒂(Samuel Hunter Christie，1784～1865)的實(shí)驗(yàn)室中有大型的電磁鐵。因而，10月28日和11月4日法拉第前往克利斯蒂實(shí)驗(yàn)室，借助那里的電磁鐵從事了大量的研究工作，不僅對(duì)“阿拉果圓盤(Arago’s disc)”實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得新的認(rèn)識(shí)，而且完成了他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象階段最后一系列的實(shí)驗(yàn)觀察。

1.2 獲得持續(xù)感應(yīng)電流及對(duì)“阿拉果圓盤”實(shí)驗(yàn)的研究

為了對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象做更加深入的觀察，在“阿拉果圓盤”實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)下，1831年10月28日法拉第利用克利斯蒂實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)磁體，設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)產(chǎn)生感應(yīng)電流，有利于對(duì)感應(yīng)電流產(chǎn)生條件等各種實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行系統(tǒng)的觀察([10]，380頁(yè))。

圖4 產(chǎn)生持續(xù)感應(yīng)電流實(shí)驗(yàn) 裝置示意圖([10]，381頁(yè)圖99)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。他將兩小磁體分別捆綁于兩大磁體磁極上，異性磁極相對(duì)構(gòu)成磁隙，帶有轉(zhuǎn)軸的銅圓盤上邊緣插入磁隙，下邊緣與容器中水銀接觸。與圓盤同樣厚度的銅條末端彎成凹槽，插入水銀中。另用兩根同樣的銅條綁縛于紙板上做成接觸器，利用它們與圓盤上兩點(diǎn)同時(shí)接觸，接觸器與電流計(jì)連接。([10]，381～382頁(yè))

參照“阿拉果圓盤”實(shí)驗(yàn)，借助這種裝置，法拉第知道當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在其中應(yīng)該能夠產(chǎn)生持續(xù)的感應(yīng)電流。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，他實(shí)現(xiàn)了對(duì)持續(xù)感應(yīng)電流的觀察，為進(jìn)一步仔細(xì)觀測(cè)感應(yīng)電流的方向等特性提供了方便。

根據(jù)日記記錄，法拉第開(kāi)始以為圓盤中的感應(yīng)電流類似于渦旋電流(2)這是安培電動(dòng)力學(xué)代表性觀點(diǎn)之一，并得到當(dāng)時(shí)英國(guó)物理學(xué)界的推崇，在法拉第作出新的解釋之前是對(duì)“阿拉果銅盤”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的主導(dǎo)性解釋。較為詳細(xì)的討論參見(jiàn)Ross， S., “The Search for Electromagnetic Induction: 1820- 1831”， Notes and Records of the Royal Society of London,1965, 20(2):184～219.，因而將接觸器放在圓盤邊緣相對(duì)于磁極的多種位置，并讓圓盤沿不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)圓盤中感應(yīng)電流的情況進(jìn)行觀察(圖5)。

圖5 接觸器置于圓盤邊緣不同位置觀察感應(yīng)電流情況示意圖([10]，382頁(yè)圖102～106)

通過(guò)這些嘗試，法拉第未能做出明確的判斷。正如他在日記中寫(xiě)道：“所有這些效應(yīng)在方向上都是恒定的，但難以得出有規(guī)律的結(jié)果。將兩接觸器同時(shí)迅速與圓盤邊緣接觸比較困難，圓盤邊緣并非十分規(guī)則，位置也不穩(wěn)定?！?[10]，382～383頁(yè))

繼之，法拉第以為是由于地磁的影響造成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他立刻排除了這種可能。([10]，383頁(yè))經(jīng)過(guò)反復(fù)細(xì)致的觀察，法拉第不得不放棄圓盤中感應(yīng)電流是渦旋電流的設(shè)想，認(rèn)為這種電流可能是沿圓盤徑向的。([10]，384頁(yè))通過(guò)多次嘗試，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)接觸器與圓盤的接觸點(diǎn)分別處于邊緣和軸心時(shí)，電流最大。改變圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向或磁極的位置，感應(yīng)電流方向也隨之變化，或從軸心流向邊緣，或從邊緣流向軸心，實(shí)驗(yàn)觀察方法如圖6。進(jìn)而，法拉第證實(shí)了圓盤在磁極間轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流是沿圓盤徑向的，而不是開(kāi)始他所設(shè)想的渦旋電流，同時(shí)也排除了這種電流是由摩擦和水銀等因素產(chǎn)生的。([10]，385頁(yè))

圖6 觀察圓盤中徑向感應(yīng)電流方法示意圖([10]，384頁(yè)圖117～122)

這些創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)方法，不但使得法拉第很好地獲得持續(xù)的感應(yīng)電流并便于對(duì)其產(chǎn)生條件、屬性等進(jìn)行較為全面觀察，而且還對(duì)“阿拉果圓盤”實(shí)驗(yàn)獲得更為清楚的認(rèn)識(shí)。但我們應(yīng)該注意到，法拉第的這些實(shí)驗(yàn)觀察主要還是集中在感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件和強(qiáng)度等方面，而對(duì)其方向未給予足夠的重視，在圖中都沒(méi)有明確標(biāo)示。

1.3 觀察導(dǎo)體在磁極間做平動(dòng)情況下產(chǎn)生的感應(yīng)電流

根據(jù)日記記載，1831年11月4日法拉第在克利斯蒂實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)完成了許多實(shí)驗(yàn)，借助強(qiáng)磁鐵觀察了不同形狀的金屬在磁極間平動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況，對(duì)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件做了進(jìn)一步觀察。

當(dāng)銅板條在磁極間向右平動(dòng)時(shí)，法拉第觀察到檢流計(jì)的磁針“S極轉(zhuǎn)向東”；而當(dāng)銅板條運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，則“S極轉(zhuǎn)向西。這些效應(yīng)非常清楚，令人愉快”。([10]，386頁(yè))當(dāng)銅板條在磁極軸線外平動(dòng)時(shí)，效應(yīng)仍然明顯，檢流計(jì)的磁針“S極轉(zhuǎn)向東”，僅是比在磁極間平動(dòng)時(shí)偏轉(zhuǎn)的幅度稍小。([10]，387頁(yè))

利用導(dǎo)體棒替代銅板條，法拉第發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體棒橫向穿過(guò)磁極間時(shí)(圖7)，能夠觀察到產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電流；而導(dǎo)體棒縱向穿過(guò)磁極間時(shí)(圖8)，則觀察不到任何效應(yīng)。

圖7 導(dǎo)體棒橫向穿過(guò)磁極間時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)驗(yàn)示意圖([10]，387頁(yè)圖140)

圖8 導(dǎo)體棒縱向穿過(guò)磁極間時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)驗(yàn)示意圖([10]，387頁(yè)圖142)

法拉第還用銅導(dǎo)線做類似圖7所示的實(shí)驗(yàn)，同樣能夠觀察到感應(yīng)現(xiàn)象。但是，當(dāng)導(dǎo)線在磁極間繞其自身軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，他卻觀察不到這種效應(yīng)。法拉第進(jìn)而認(rèn)識(shí)到：“這種效應(yīng)明顯是由于橫穿運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，而非轉(zhuǎn)動(dòng)。”([10]，388頁(yè))

方形金屬板在磁極間移動(dòng)時(shí)，法拉第同樣觀察到能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流(圖9)。同日，法拉第還用銅板做了切開(kāi)的“阿拉果圓盤”，觀察其在磁極中平動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況(圖10)。

圖9 方形金屬板在磁極間平動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)驗(yàn)示意圖([10]，388頁(yè)圖153)

圖10 割裂的“阿拉果圓盤”在磁極間平動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)驗(yàn)示意圖([10]，388頁(yè)圖156)

他記錄道：“兩片銅板，形狀如圖所示，相隔約2英寸，每片銅板的直線邊緣都與汞接觸。將其整體穿過(guò)磁極，電流計(jì)產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)；但是，當(dāng)將紙片置于邊緣(兩直邊)之間時(shí)，電流計(jì)則無(wú)可觀察到的反應(yīng)。顯現(xiàn)了阿拉果圓盤割裂所產(chǎn)生的效應(yīng)。”([10]，388頁(yè))

有研究者將這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)與“阿拉果圓盤”實(shí)驗(yàn)一并討論([7]，11頁(yè))，這容易導(dǎo)致不必要的混亂，因?yàn)榇藢?shí)驗(yàn)中圓盤是在磁極間做平動(dòng)，法拉第主要觀察金屬平板的中央裂縫對(duì)感應(yīng)電流所產(chǎn)生的影響。

事實(shí)上，所有這些實(shí)驗(yàn)對(duì)法拉第認(rèn)識(shí)導(dǎo)體切割磁力線能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流及對(duì)“阿拉果圓盤”實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋都起到了重要的作用，遺憾的是有的研究者對(duì)它們未做任何說(shuō)明[5]，便難以揭示法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的真實(shí)過(guò)程。

同樣值得我們注意的是，在這些實(shí)驗(yàn)觀察中，法拉第對(duì)感應(yīng)電流的方向仍然沒(méi)有明確的標(biāo)示。根據(jù)日記記錄，在11月4日的最后幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，法拉第似乎感覺(jué)對(duì)感應(yīng)電流方向確證的必要性。實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，目的明確，都是直接用于檢驗(yàn)感應(yīng)電流的方向的。如圖11所示，當(dāng)平線圈接近磁鐵的北極或標(biāo)識(shí)極(marked pole)，磁針南極轉(zhuǎn)向西；當(dāng)平線圈遠(yuǎn)離時(shí)，磁針南極轉(zhuǎn)向東。([10]，389頁(yè))

與此類似，他通過(guò)螺線圈在磁極間做不同的運(yùn)動(dòng)觀察磁針的偏轉(zhuǎn)情況(圖12)。當(dāng)螺線圈向磁極間移動(dòng)時(shí)，“南極向西”；當(dāng)螺線圈移出時(shí)，“南極向東”。([10]，389頁(yè))但他仍未在圖中明確標(biāo)示感應(yīng)電流的方向。

圖11 平線圈相對(duì)磁極移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流方向觀察實(shí)驗(yàn)示意圖([10]，389頁(yè))

圖12 螺線圈在磁極間移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流方向觀察實(shí)驗(yàn)示意圖([10]，389頁(yè)圖165)

作為判斷感應(yīng)電流方向的這些實(shí)驗(yàn)，法拉第在12月5日和8日又分別重復(fù)觀察，但沒(méi)有能夠獲得一致正確的結(jié)果([10]，391～393頁(yè))。而11月4日這些模糊性實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該就是導(dǎo)致法拉第在“實(shí)驗(yàn)系列一”初稿中對(duì)感應(yīng)電流方向錯(cuò)誤描述的重要原因。有研究者在論及1831年11月4日的實(shí)驗(yàn)時(shí)，未經(jīng)仔細(xì)考察便統(tǒng)而言之：“法拉第在這些實(shí)驗(yàn)中都對(duì)感應(yīng)電流的方向進(jìn)行了描述，這些描述與今天用‘右手定則’判定的感應(yīng)電流方向是一致的?！?[5]，25頁(yè))這便不難理解，該文作者為何沒(méi)有說(shuō)明法拉第在電磁感應(yīng)現(xiàn)象研究初期對(duì)感應(yīng)電流方向的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)了。

1.4 完成“實(shí)驗(yàn)系列一”初稿及對(duì)感應(yīng)電流方向的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)

根據(jù)日記內(nèi)容，1831年8月29日至11月4日間，法拉第連續(xù)對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)產(chǎn)生感應(yīng)電流的各種條件進(jìn)行了系統(tǒng)的考察，對(duì)感應(yīng)電流的特性也進(jìn)行了較為全面的探究。至此，法拉第認(rèn)為有必要對(duì)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納、整理，撰寫(xiě)成文，盡早將這一重要發(fā)現(xiàn)公諸于世。最終便成為法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象標(biāo)志性論文——“實(shí)驗(yàn)系列一”。[13]

無(wú)論在《法拉第日記》中([10]，389頁(yè))，還是在他最初發(fā)表論文([12]，125頁(yè))和最后收錄于《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》([13]，1頁(yè))，“實(shí)驗(yàn)系列一”都被標(biāo)為1831年11月24日在皇家研究院例會(huì)上宣讀。這個(gè)時(shí)間標(biāo)注給后來(lái)研究者帶來(lái)了一些誤解和困惑，在一定程度上影響了人們對(duì)法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及其思想轉(zhuǎn)變的認(rèn)識(shí)。因?yàn)閷?duì)照日記相關(guān)內(nèi)容，我們不難發(fā)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)系列一”中的一些實(shí)驗(yàn)是法拉第在1831年12月，甚至有些是1832年1月完成的。這便是有研究者所謂的 “署名日期提前問(wèn)題”([4]，160頁(yè)；[5]，25～26頁(yè))。借助“實(shí)驗(yàn)系列一”手稿、日記和書(shū)信等相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)“實(shí)驗(yàn)系列一”文稿撰寫(xiě)及修改情況進(jìn)行仔細(xì)考察，我們就能對(duì)此問(wèn)題獲得更好的理解。

按照榮莫和董塞耳的考證，法拉第“實(shí)驗(yàn)系列一”的初稿是在1831年11月21日遞交皇家學(xué)會(huì)的，隨后便去布賴頓(Brighton)休假，其間對(duì)文稿不斷進(jìn)行修改，而寫(xiě)于文稿前面的“1831年11月24日宣讀”是由皇家學(xué)會(huì)秘書(shū)添加的([8]，311～312頁(yè))?！皩?shí)驗(yàn)系列一”第一完整稿應(yīng)該是法拉第在休假返回倫敦后的1831年12月2至4日間完成，再遞交皇家學(xué)會(huì)的。1831年11月24日宣讀的是文稿的第1部分內(nèi)容，其時(shí)法拉第在布賴頓休假，是由皇家學(xué)會(huì)秘書(shū)代為宣讀的([8]，312頁(yè))。文稿的第2部分是在12月8日宣讀，文稿第3、4部分則宣讀于12月15日，而“實(shí)驗(yàn)系列一”完整論文的摘要12月15日出現(xiàn)在皇家學(xué)會(huì)的會(huì)議記錄中[14]。因此，1831年11月24日宣讀的內(nèi)容應(yīng)該是1831年11月21日法拉第遞交的“實(shí)驗(yàn)系列一”初稿的第1部分。

關(guān)于初稿內(nèi)容的要點(diǎn)，我們可以在其寫(xiě)作過(guò)程中法拉第的有關(guān)書(shū)信中找到線索。1831年11月29日，法拉第在給好友菲利普(Richard Phillips， 1778～1851)的信中，對(duì)“實(shí)驗(yàn)系列一”初稿的第1部分“論電流的感應(yīng)” 做了概要的說(shuō)明：

當(dāng)兩平行導(dǎo)線其一通電時(shí)，在另一導(dǎo)線中首先產(chǎn)生相同方向的電流。但是這種感應(yīng)電流瞬間即逝，而初始電流持續(xù)不變，一切似乎毫無(wú)變化。但是，當(dāng)初始電流中斷時(shí)，在另一導(dǎo)線中由于感應(yīng)即產(chǎn)生回程強(qiáng)度相當(dāng)?shù)碾娏?，瞬間出現(xiàn)。而斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流與通電時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向相反，因此能夠和原始電流產(chǎn)生同樣的感應(yīng)效應(yīng)，而遵循特殊的規(guī)律。這種效應(yīng)是：當(dāng)感應(yīng)建立時(shí)，產(chǎn)生一同向電流；而感應(yīng)中斷時(shí)產(chǎn)生一反向電流，過(guò)渡間隙處于特殊狀態(tài)。[15]

這一“特殊狀態(tài)”便是人們所熟知的法拉第在電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之初所提出的“電緊張態(tài)”(electro-tonic state)，以期對(duì)這種新發(fā)現(xiàn)做出理論上的解釋。這一概念緣起于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，形成于法拉第對(duì)這種現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機(jī)制探索之中，進(jìn)而成為他物理思想的有機(jī)組成部分。

④網(wǎng)架散件組裝將網(wǎng)架散件吊運(yùn)至腳手平臺(tái)上，均勻地灘鋪，控制網(wǎng)架材料均勻鋪荷轉(zhuǎn)小于1kNm。仔細(xì)核對(duì)施工圖紙，按照設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行組裝。臨時(shí)支點(diǎn)設(shè)置在臨時(shí)支點(diǎn)的支的時(shí)候，以千斤頂為主要的設(shè)備，對(duì)數(shù)量、位置和高度要進(jìn)行統(tǒng)一的安排，確保支點(diǎn)下部及時(shí)的加固，防止支點(diǎn)受到施工因素的影響發(fā)生下沉現(xiàn)象。做好對(duì)注定的抽線和中心線的放樣和施工，并且采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢查。再?gòu)?fù)測(cè)各柱網(wǎng)間的幾何尺寸及標(biāo)高，結(jié)合設(shè)計(jì)要求進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)各個(gè)施工點(diǎn)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求之后進(jìn)行加固，加固焊接固定法。

法拉第在書(shū)信中對(duì)感應(yīng)電流方向的描述是：“當(dāng)兩平行導(dǎo)線其一通電時(shí)，在另一導(dǎo)線中首先產(chǎn)生相同方向(3)為突出起見(jiàn)，筆者使用黑體字示之。下同。的電流，但是，當(dāng)初始電流中斷時(shí)，在另一導(dǎo)線中由于感應(yīng)即產(chǎn)生回程強(qiáng)度相當(dāng)?shù)碾娏?，與通電時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向相反”這與他1831年8月29日的日記([10]，368頁(yè))中，對(duì)感應(yīng)電流方向的記錄是一致的。然而，在發(fā)表的“實(shí)驗(yàn)系列一”論文中，法拉第在相應(yīng)部分論及感應(yīng)電流時(shí)卻寫(xiě)道：“感應(yīng)電流，由誘導(dǎo)感應(yīng)的電流的第一作用所產(chǎn)生，其方向與后者相反，但是由誘導(dǎo)感應(yīng)的電流停止所產(chǎn)生的電流方向與誘導(dǎo)感應(yīng)電流的方向是相同的。”([12]，130頁(yè)；[13]， 7頁(yè))顯然，這與日記和致菲利普信中的說(shuō)法相互矛盾。

就我們所掌握的資料來(lái)看，法拉第1831年11月29日給菲利普的書(shū)信最早引用于瓊斯(Henry Bence-Jones， 1813～1873)在法拉第去世后不久出版的傳記中，但瓊斯對(duì)上述問(wèn)題未做任何評(píng)述[16]。而早期的著述者湯普森(Silvanus Phillips Thompson， 1851～1916)轉(zhuǎn)引了這封書(shū)信，并注意到這種描述中的錯(cuò)誤，但未認(rèn)識(shí)到其重要性，因而僅在腳注中做了簡(jiǎn)單的說(shuō)明[17]。湯普森認(rèn)為：“這是描述中的疏忽。原始電流在第二導(dǎo)線中所產(chǎn)生的瞬間感應(yīng)電流是反向的，當(dāng)原始電流停止時(shí)，隨后便產(chǎn)生順行的電流。”([17]，115頁(yè))在《法拉第日記》前言中，馬丁對(duì)法拉第的這種錯(cuò)誤沒(méi)有加以說(shuō)明。([10]，vii～xiii頁(yè))在其專著中，馬丁還從湯普森的著作里全文引用了法拉第給菲利普的書(shū)信和湯普森的注釋，但對(duì)上述問(wèn)題也沒(méi)有做進(jìn)一步討論([1]，89～94頁(yè))。即便在20世紀(jì)90年代出版的法拉第書(shū)信集中，編輯者對(duì)此仍然沒(méi)有做任何評(píng)論。([15]，589～591頁(yè))

實(shí)際上，無(wú)論是在1831年8月29日的日記中([10]，368頁(yè))，還是在11月29日給菲利普的書(shū)信中，甚至在12月15日皇家學(xué)會(huì)會(huì)議記錄中，法拉第關(guān)于感應(yīng)電流方向的描述都是：“電池通過(guò)導(dǎo)線輸出電流時(shí)，僅當(dāng)電路接通瞬間，在另一導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電流；當(dāng)電流突然中斷時(shí)，則產(chǎn)生相反方向的電流?！?[14]，91～92頁(yè))這些說(shuō)明，從實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流到“實(shí)驗(yàn)系列一”初稿完成，法拉第對(duì)感應(yīng)電流方向的認(rèn)識(shí)始終是錯(cuò)誤的。正如前文所述，1831年11月4日法拉第似乎感覺(jué)到確證感應(yīng)電流方向的必要性，并通過(guò)專門實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步觀察。然而，這些實(shí)驗(yàn)仍然沒(méi)有幫助他對(duì)感應(yīng)電流的方向做出正確的判斷。這便是法拉第在12月5日之后的實(shí)驗(yàn)中首先著力解決的問(wèn)題。

2 澄清感應(yīng)電流方向的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)及對(duì)有關(guān)問(wèn)題的進(jìn)一步研究

根據(jù)日記內(nèi)容及相關(guān)文獻(xiàn)，我們可以確定，法拉第是在完成“實(shí)驗(yàn)系列一”第一完整稿期間，意識(shí)到以前實(shí)驗(yàn)中有關(guān)感應(yīng)電流的方向存在模糊認(rèn)識(shí)的。1831年12月5日，法拉第就做了一些嘗試。([10]，391頁(yè))而在12月8日的日記中，法拉第更明確地寫(xiě)道：“精確觀察電流的方向等，因?yàn)樵谝郧暗娜沼浿写嬖谠S多混亂”。([10]，392頁(yè))在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象隨后的三個(gè)多月的實(shí)驗(yàn)研究和理論思考的過(guò)程中，法拉第在1831年12月初對(duì)所觀察到的有關(guān)感應(yīng)電流的方向的結(jié)論產(chǎn)生了懷疑，隨即決定重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加以確證，并對(duì)有關(guān)電磁感應(yīng)現(xiàn)象做了進(jìn)一步研究。

2.1 仔細(xì)觀察不同情形下產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向

按照日記內(nèi)容，1831年12月5日、8日和9日，法拉第集中重復(fù)了以前觀察產(chǎn)生感應(yīng)電流的各種實(shí)驗(yàn)，而此時(shí)的觀察側(cè)重點(diǎn)在于感應(yīng)電流的方向。

12月5日，法拉第為了“獲得方向”，從而在克利斯蒂實(shí)驗(yàn)室做了一系列的實(shí)驗(yàn)。([10]，391～392頁(yè))為了確定有關(guān)實(shí)驗(yàn)中感應(yīng)電流的方向，法拉第重復(fù)觀察了11月4日的一些完全相同的實(shí)驗(yàn)。他在日記里曾記錄道：

將平線圈隨同其所在平面向磁極或磁極面移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中線圈平面保持方位不變，對(duì)準(zhǔn)同一磁極，線圈如頁(yè)邊空白處圖所示。當(dāng)線圈靠近磁極過(guò)程中，磁針的標(biāo)識(shí)極轉(zhuǎn)向西；而線圈遠(yuǎn)離磁極過(guò)程中，磁針的標(biāo)識(shí)極轉(zhuǎn)向東。([10]，391頁(yè))

圖13 平線圈相對(duì)磁極運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)示意圖([10]，391頁(yè))

圖14 螺線圈在磁極間移動(dòng)實(shí)驗(yàn)示意圖([10]，391頁(yè))

同日，法拉第還重復(fù)了11月4日所做的另一典型實(shí)驗(yàn)，即將螺線圈插入或拖出磁極間觀察其中感應(yīng)電流的情況(圖14)。他記錄道：“重做那個(gè)實(shí)驗(yàn)?？拷鼤r(shí)，磁針標(biāo)識(shí)極轉(zhuǎn)向西；穿過(guò)兩磁極或退出時(shí)，標(biāo)識(shí)極轉(zhuǎn)向東。”([10]，391頁(yè))

這些重復(fù)實(shí)驗(yàn)附圖中，法拉第既沒(méi)有畫(huà)出檢流計(jì)的連接，也沒(méi)有畫(huà)出磁針的南北極，更不用說(shuō)明確標(biāo)出感應(yīng)電流的方向了。同時(shí)，與前此實(shí)驗(yàn)相關(guān)記錄相仿，有記錄磁鐵標(biāo)識(shí)極(北極)的，又有磁針標(biāo)識(shí)極(也應(yīng)該是指北極)的，又必須通過(guò)磁針標(biāo)識(shí)極或南極轉(zhuǎn)向東或轉(zhuǎn)向西來(lái)判斷感應(yīng)電流的方向，著實(shí)有些混亂。加之在實(shí)驗(yàn)記錄中對(duì)磁針極的轉(zhuǎn)向他還特地加重予以強(qiáng)調(diào)。所有這些表明，12月5日的這些重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不但使得法拉第意識(shí)到前此實(shí)驗(yàn)中有關(guān)感應(yīng)電流的方向認(rèn)識(shí)可能存在錯(cuò)誤，而且認(rèn)識(shí)到進(jìn)一步確證實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生感應(yīng)電流方向在認(rèn)識(shí)感應(yīng)電流屬性乃至探究電磁感應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制中的重要性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，法拉第在12月8日通過(guò)一系列重復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)感應(yīng)電流的方向做出了明確的判斷，不僅在附圖中一一標(biāo)出，而且在日記中分別加以說(shuō)明。

12月8日，法拉第開(kāi)始重新對(duì)“伏打感應(yīng)”中的感應(yīng)電流方向進(jìn)行非常仔細(xì)的觀察，在日記中做了詳細(xì)的說(shuō)明。在該日的第一條日記中，法拉第便寫(xiě)道：“我利用自己的儀器在家中從事實(shí)驗(yàn)，對(duì)電流的方向進(jìn)行精確的觀察，因?yàn)橐郧暗娜沼浿写嬖谠S多混亂”。([10]，392頁(yè))介紹儀器準(zhǔn)備情況之后，法拉第依次記錄了觀察感應(yīng)電流方向的結(jié)果：

193.連接好線圈，其中通電方向如圖所示。此時(shí)置于a處的磁針變?yōu)榇朋w，標(biāo)識(shí)極指向下。因此，通電瞬間感應(yīng)電流與施感電流的方向向左或相反，如圖b處線圈中電流方向所示。

194.斷開(kāi)伏打電流時(shí)，磁針?lè)聪驑O化，因此感應(yīng)電流與施感電流方向相同。([10]，393頁(yè))

圖15 “伏打感應(yīng)”電流方向觀察 實(shí)驗(yàn)示意圖([10]，393頁(yè)圖193)

實(shí)驗(yàn)電路如圖15所示。我們看到法拉第用箭頭標(biāo)明了電路中電流的方向。這是從8月29日發(fā)現(xiàn)“伏打感應(yīng)”以來(lái)，他首次對(duì)感應(yīng)電流方向做出明確的判斷和標(biāo)示。

法拉第同樣利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)分別觀察不同情況下的“磁電感應(yīng)”電流的方向，并在圖中一一標(biāo)明。對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)，他記錄道：

197.當(dāng)磁鐵標(biāo)識(shí)極插入線圈O時(shí)，如圖所示，磁針的標(biāo)識(shí)端轉(zhuǎn)向西；因此電流的方向如圖箭頭所示。

198.抽出磁鐵過(guò)程中，磁針的標(biāo)識(shí)端轉(zhuǎn)向東。當(dāng)線圈向磁鐵極間移動(dòng)時(shí)，如圖所示，磁針的標(biāo)識(shí)端轉(zhuǎn)向西；因此電流的方向如圖所示。

199.線圈從兩磁極間移出時(shí)，磁針的標(biāo)識(shí)端轉(zhuǎn)向東。([10]，393頁(yè))

條目197、198所附圖分別如圖16、圖17所示。法拉第不僅在文字記錄時(shí)加重強(qiáng)調(diào)，在圖中也分別標(biāo)出感應(yīng)電流的方向。

圖16 磁鐵插入或抽出螺線圈時(shí)感應(yīng)電流方向示意圖([10]，393頁(yè))

圖17 螺線圈在磁極間移動(dòng)時(shí)感應(yīng)電流方向示意圖([10]，393頁(yè))

圖18 平面線圈相對(duì)磁極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生 感應(yīng)電流方向示意圖([10]，393頁(yè))

不難看出，圖17與圖12、圖14所示的實(shí)驗(yàn)方法是相同的，所不同的就是圖17中明確標(biāo)出了實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果中感應(yīng)電流的方向。法拉第同樣重復(fù)上述圖11、圖13所示的實(shí)驗(yàn)(圖18)，此時(shí)在圖中也明確標(biāo)出了感應(yīng)電流的方向。他在日記中寫(xiě)道：

201.當(dāng)平面線圈向標(biāo)識(shí)磁極移動(dòng)時(shí)，如圖所示，磁極在線圈的另一側(cè)，磁針的標(biāo)識(shí)極轉(zhuǎn)向西，因此電流的方向如圖所示。

202.當(dāng)線圈遠(yuǎn)離磁極過(guò)程時(shí)，磁針的標(biāo)識(shí)極轉(zhuǎn)向東。 ([10]，393頁(yè))

我們還注意到，法拉第12月8日不僅重復(fù)了12月5日所做的實(shí)驗(yàn)，而且重復(fù)了11月4日的實(shí)驗(yàn)，所不同的是此時(shí)他特別關(guān)注感應(yīng)電流的方向，并在日記中一一加以強(qiáng)調(diào)說(shuō)明，在圖中加以明確標(biāo)示。他在重復(fù)11月4日已經(jīng)做過(guò)的銅板條在磁極間平動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流的實(shí)驗(yàn)時(shí)(圖19)，就強(qiáng)調(diào)說(shuō)明：

圖19 金屬板在磁極間平動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng) 電流方向示意圖([10]，394頁(yè))

205.標(biāo)識(shí)磁極位于上方，非標(biāo)識(shí)(unmarked)極位于下方，然后將金屬板穿過(guò)磁極間。磁針的標(biāo)識(shí)極轉(zhuǎn)向西，因此板中的電流由B向A。([10]，394頁(yè))

圖20 “阿拉果圓盤”實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生感應(yīng) 電流方向示意圖([10]，394頁(yè)圖206)

在該日最后幾項(xiàng)日記中，法拉第記錄重復(fù)“阿拉果圓盤”實(shí)驗(yàn)所觀察感應(yīng)電流的方向的結(jié)果，并附圖(圖20)加以說(shuō)明。他寫(xiě)道：

206.當(dāng)圓盤置于兩條形磁鐵異名磁極間旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鐵標(biāo)識(shí)極位于上方、圓盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，(磁針)標(biāo)識(shí)端轉(zhuǎn)向西。

207.當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，磁針標(biāo)識(shí)端轉(zhuǎn)向東。([10]，394頁(yè))

容易看出，法拉第在上述所有實(shí)驗(yàn)中對(duì)感應(yīng)電流的方向的描述與我們今天用“右手定則”判斷感應(yīng)電流的方向結(jié)果是一致的?？梢?jiàn)，法拉第其時(shí)重復(fù)此前的實(shí)驗(yàn)觀察，并在圖中一一表明感應(yīng)電流的方向，澄清了“以前日記中存在許多混亂”，掌握了導(dǎo)體(或線圈)在磁極周圍(或磁極間)沿不同方向(或方位)移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向的判斷方法，從而能夠確定不同情形下導(dǎo)體與磁極相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向跟感應(yīng)電流方向之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步總結(jié)“磁生電”的方式和條件，歸納出電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的一般規(guī)律，為其“磁曲線”思想的形成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。無(wú)疑，這是法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象過(guò)程中認(rèn)識(shí)的重要轉(zhuǎn)折。

有研究者認(rèn)為法拉第11月4日所做的實(shí)驗(yàn)就都得到有關(guān)感應(yīng)電流方向的明確結(jié)果([5]，25頁(yè))，這顯然與史實(shí)不符?；蛟S，這是作者既誤讀了法拉第11月4日的日記，又漏讀了其12月8日日記的相關(guān)內(nèi)容造成的。

2.2 形成“磁曲線”思想及對(duì)感應(yīng)電流產(chǎn)生機(jī)制的進(jìn)一步解釋

通過(guò)上述系列實(shí)驗(yàn)對(duì)感應(yīng)電流方向的觀察，法拉第非常高興。為了對(duì)之獲得更為全面的認(rèn)識(shí)，12月9日法拉第繼續(xù)進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)。在這些研究過(guò)程中，他形成了“磁曲線”思想，對(duì)電磁感應(yīng)機(jī)制獲得了新的認(rèn)識(shí)。在12月9日日記的第1條目中，他便寫(xiě)道：“今天仍然從事更一般性的工作，因?yàn)榍懊?實(shí)驗(yàn)觀察感應(yīng)電流)方向僅是部分(情況)，而我認(rèn)為獲得了非常滿意、一致的結(jié)果。”([10]，394頁(yè))

法拉第認(rèn)為更一般的情況便是通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)導(dǎo)線在磁極周圍不同位置做不同運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)一步觀測(cè)其中產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況，進(jìn)而總結(jié)出一般的規(guī)律。這些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)及觀測(cè)結(jié)果如圖21所示。法拉第說(shuō)明道：

圖21 導(dǎo)線在磁極附近不同運(yùn)動(dòng)情形下產(chǎn)生感應(yīng)電流方向示意圖([10]，394頁(yè))

210.如圖所示，當(dāng)導(dǎo)線BA在磁鐵標(biāo)識(shí)極的前面自左向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁針的標(biāo)識(shí)端轉(zhuǎn)向西。因此，(感應(yīng))電流的方向由上而下。

211.(感應(yīng)電流的)方向在如圖所示的另兩種情形是相同的。標(biāo)識(shí)端轉(zhuǎn)向西，因此，電流的方向由B至A。

212.當(dāng)導(dǎo)線BA沿圖中點(diǎn)畫(huà)線——→方向移動(dòng)時(shí)，標(biāo)識(shí)端轉(zhuǎn)向西。([10]，394頁(yè))

同日，法拉第還重復(fù)了對(duì)磁鐵插入或抽出線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向的觀測(cè)([10]，395頁(yè))，得到與前一天同樣的結(jié)果([10]，394頁(yè))。對(duì)于平線圈靠近或遠(yuǎn)離磁極產(chǎn)生感應(yīng)電流情況法拉第也同樣進(jìn)行了重復(fù)觀察，結(jié)果也是與先前實(shí)驗(yàn)相同(參見(jiàn)圖18)。尤為重要的是，通過(guò)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)(圖22)，法拉第萌生了“磁曲線”的思想。正如他在日記中所說(shuō)：

圖22 平面線圈相對(duì)磁極運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流方向 及磁極附近磁曲線示意圖([10]，395頁(yè)圖214)

線圈的任何一部分好像穿過(guò)如圖所示的生成物或磁曲線(magnetic curves)似的，因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)與前面單導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)210、211和212是一樣的。([10]，395頁(yè))

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)“磁曲線”思想，同日法拉第還重復(fù)了“阿拉果圓盤”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，他保持圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、磁極間的相對(duì)位置不變，而改變磁體相對(duì)于圓盤的方位(圖23)。通過(guò)觀察，他總結(jié)道：

圖23 磁體處于不同方位“阿拉果圓盤”實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生感應(yīng)電流方向示意圖([10]，395頁(yè)圖216)

因此，如果(磁極)位置和圓盤的運(yùn)動(dòng)保持一致，那么圓盤中所產(chǎn)生的(感應(yīng))電流的方向都是一樣的。不論磁體方位如何，只要保持同樣的磁極置于同樣的位置，即只要磁曲線被切割的方向一致，磁體中軸的位置對(duì)結(jié)果都毫無(wú)影響。([10]，395頁(yè))

正是通過(guò)這一系列的實(shí)驗(yàn)觀察，法拉第完全澄清了對(duì)感應(yīng)電流方向的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了他磁極周圍分布“磁曲線”思想的形成。這對(duì)他力線思想乃至場(chǎng)觀念的形成和發(fā)展都具有重要意義。

湯普森對(duì)法拉第12月5日之后的實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)表了評(píng)論：“12月5日他再次從事實(shí)驗(yàn)研究。他重新觀察感應(yīng)電流的方向，正如他在給菲利普信中的疏忽所顯現(xiàn)的，他思想中對(duì)此存在一些疑惑。”([17]，118頁(yè))隨即湯普森便論及法拉第12月14日關(guān)于地磁電感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀察，而對(duì)12月8日、9日法拉第為何再次研究感應(yīng)電流的方向問(wèn)題未做說(shuō)明。([17]，122～129頁(yè))由此可見(jiàn)，湯普森沒(méi)有認(rèn)識(shí)到法拉第在這期間思想認(rèn)識(shí)方面轉(zhuǎn)變的重要性。后續(xù)的研究者們也都同樣忽視了這個(gè)問(wèn)題。

還應(yīng)該指出的是，有學(xué)者說(shuō)明法拉第對(duì)感應(yīng)電流方向認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變時(shí)，強(qiáng)調(diào)12月8日的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而忽略了12月5日重復(fù)11月4日實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)法拉第這一認(rèn)識(shí)的轉(zhuǎn)變所起到的作用([8]，309頁(yè))。這在很大程度上也導(dǎo)致了他們將12月8日一天視為法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象第二階段的戲劇性的描述。([8]，331頁(yè))至于他們將法拉第對(duì)感應(yīng)電流方向此前認(rèn)識(shí)的錯(cuò)誤完全歸因于受安培的影響([8]，293、304～309、329～331頁(yè))，筆者也是難以茍同的。實(shí)際上，正如前文所述，法拉第前期實(shí)驗(yàn)觀察重點(diǎn)在于確定產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件和方法，而忽視了感應(yīng)電流的方向，加之實(shí)驗(yàn)中根據(jù)平面線圈使磁針偏轉(zhuǎn)情況反推感應(yīng)電流的方向也很容易出現(xiàn)誤判。法拉第1831年8月29日至11月4日的實(shí)驗(yàn)本身足以說(shuō)明這些問(wèn)題。

根據(jù)日記等文獻(xiàn)，我們有理由相信，法拉第在12月9日之后，糾正以前對(duì)感應(yīng)電流方向的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，并對(duì)“實(shí)驗(yàn)系列一”相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了修改。

2.3 糾正感應(yīng)電流方向的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)及對(duì)“實(shí)驗(yàn)系列一”文稿的修改

從1831年11月形成“實(shí)驗(yàn)系列一”初稿之后，法拉第結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行不斷的修改和完善。而12月9日之后，法拉第著重修改的應(yīng)該是有關(guān)感應(yīng)電流的方向及相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)已經(jīng)整理出版的法拉第“實(shí)驗(yàn)系列一”手稿及相關(guān)考證([8]，293～294、336～385頁(yè))，比對(duì)《法拉第日記》1831年12月5、8和9日的相關(guān)記錄以及 “實(shí)驗(yàn)系列一”發(fā)表文稿，我們不難發(fā)現(xiàn)法拉第在認(rèn)識(shí)感應(yīng)電流方向的錯(cuò)誤并反復(fù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確證之后，對(duì)“實(shí)驗(yàn)系列一”初稿中有關(guān)感應(yīng)電流方向的內(nèi)容進(jìn)行了修改，增加了1831年11月24日后完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使文稿得以進(jìn)一步完善。有關(guān)感應(yīng)電流方向的主要修改情況如表1所示，其中修改內(nèi)容用黑體突出顯示，以便比較，段落編號(hào)和頁(yè)碼與法拉第《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》第1卷中“實(shí)驗(yàn)系列一”[13]相對(duì)應(yīng)。

圖24 直導(dǎo)線在磁極附近運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流方向說(shuō)明示意圖([12]，131頁(yè)圖版III圖24)

應(yīng)該說(shuō)，通過(guò)“實(shí)驗(yàn)系列一”文稿的修改及后續(xù)的相關(guān)研究，法拉第對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)也不斷深入。在初稿中，法拉第就對(duì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律進(jìn)行了初步的總結(jié)說(shuō)明([8]，375頁(yè))，隨后經(jīng)過(guò)反復(fù)修改、完善。而我們今天稱其為“法拉第電磁感應(yīng)定律”的要旨，在他標(biāo)志性論著中卻僅給出了一種頗為冗長(zhǎng)的“操作性”表述。輔之以圖24，法拉第論說(shuō)道：

114.磁極、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線或金屬以及感應(yīng)電流的方向之間的關(guān)系，即支配磁電感應(yīng)電流的定律是非常簡(jiǎn)單的，盡管難以表述。在圖24中，如果PN表示通過(guò)標(biāo)識(shí)磁極一水平導(dǎo)線，它的運(yùn)動(dòng)方向與(圖中)曲線一致，由下至上；或如果它沿曲線的切線平動(dòng)，但總的方向沿箭頭方向；或如果它由其他方向通過(guò)磁極，但只要在總的相同方向上切割磁曲線(4)原文此處有一腳注：“所謂磁曲線，我意指磁力的線(the lines of magnetic forces),盡管其隱布于磁極周圍，但可以利用鐵屑加以顯現(xiàn)；或者借助非常小的磁針加以顯示，磁針(在磁曲線)各處將與之相切?！?，或在同一側(cè)磁曲線被沿著虛線方向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)線切割；——那么，導(dǎo)線中(感應(yīng))電流的方向由P至N。如果使其以相反的方向運(yùn)動(dòng)，(感應(yīng))電流則由N至P?；蛘呷绻麑?dǎo)線在垂直(于標(biāo)識(shí)磁極的)位置上，如(圖中)P′N′(所示)，使其沿類似方向運(yùn)動(dòng)，與水平虛曲線一致，只要在它的同一側(cè)切割磁曲線，(感應(yīng))電流則由P′至N′。，關(guān)于導(dǎo)線通過(guò)磁極(所產(chǎn)生的感應(yīng)電流)，可以直接簡(jiǎn)化為兩種相反的情形:其一，電流由P至N；其二，電流由N至P。([12]，154～155頁(yè)；[13]，32～33頁(yè))

表1 “實(shí)驗(yàn)系列一”文稿中與感應(yīng)電流方向相關(guān)內(nèi)容的修改

不難看出，法拉第的這種認(rèn)識(shí)直接來(lái)源于12月9日所完成的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(參見(jiàn)圖21)。這再次說(shuō)明，糾正感應(yīng)電流方向的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)之后，法拉第的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)程得以加速，系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明獲得感應(yīng)電流的條件或方法遵循統(tǒng)一的規(guī)則，為其“磁曲線”思想的形成奠定了重要的基礎(chǔ)。

與初稿([8]，324頁(yè))相比，“實(shí)驗(yàn)系列一”出版稿中的段落18和19([12]，128～129頁(yè)；[13]，5頁(yè))是根據(jù)1831年12月26日的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加的([10]，401頁(yè))。這是法拉第在12月14至21日完成有關(guān)地磁電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究(5)法拉第對(duì)地磁電感應(yīng)現(xiàn)象的觀察是“實(shí)驗(yàn)系列一”相關(guān)研究的延續(xù)和拓展，已有研究者對(duì)其做過(guò)專論[6]，故此不再贅述。和“電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究系列二”文稿([10]，399頁(yè))后，于12月23至26日重復(fù)一些實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容([10]，400～407頁(yè))。此外，法拉第“實(shí)驗(yàn)系列一”手稿中標(biāo)有“安排印刷，1832年2月9日”，這一時(shí)間是皇家學(xué)會(huì)秘書(shū)添加的([8]，359頁(yè))。在手稿最后他本人注釋的時(shí)間為“1832年2月29日”([8]，385頁(yè))。而在發(fā)表的“實(shí)驗(yàn)系列一”論文中，長(zhǎng)篇尾注([12]，162頁(yè)；[13]，41頁(yè))則又是他在“1832年4月”撰寫(xiě)的。

所有這些表明，從1831年11月至1832年4月，法拉第對(duì)“實(shí)驗(yàn)系列一”進(jìn)行了不斷的修改和完善。因此，在終稿里我們看到，他將1831年11月24日之后的有關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容寫(xiě)入其中，便不難理解。這既說(shuō)明了法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程之艱難，又反映了其間他對(duì)這種新現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的思想變化之曲折。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)法拉第日記、文稿和書(shū)信等文獻(xiàn)的對(duì)比分析，我們就能夠更好地理解他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其思想轉(zhuǎn)變的過(guò)程，并對(duì)其中相關(guān)問(wèn)題獲得更為全面的認(rèn)識(shí)。

(1)在1831年8至12月的第一階段研究中，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并對(duì)其產(chǎn)生的各種條件做了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀察，逐步形成了“電緊張態(tài)”概念，并力圖藉此對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機(jī)制做出合理解釋，完成“實(shí)驗(yàn)系列一”論文初稿，但對(duì)感應(yīng)電流的方向存在錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，未能完全總結(jié)出電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的一般規(guī)律。

關(guān)于法拉第的這一發(fā)現(xiàn)，有研究者曾論說(shuō)道：“1831年11月24日，法拉第在皇家學(xué)會(huì)宣讀了他的《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》(ExperimentalResearchesinElectricity)第一輯的四篇文章，公布了他發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并根據(jù)他的發(fā)現(xiàn)，解釋了阿喇戈圓盤實(shí)驗(yàn)。產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件包括變化著的電流、變化著的磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵及在磁極附近運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體等，感應(yīng)電流的方向由導(dǎo)體切割磁力線的方式來(lái)確定?！盵18]諸如此類未經(jīng)認(rèn)真研究并帶有明顯輝格式的描述，在我國(guó)相關(guān)論著中具有代表性，理應(yīng)努力予以糾偏。

(2)在1831年12月至1832年4月的第二階段研究中，法拉第通過(guò)更為細(xì)致的實(shí)驗(yàn)觀察，糾正了前一階段對(duì)感應(yīng)電流方向的認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤，形成了“磁曲線”思想，完成了“實(shí)驗(yàn)系列一”論文修改稿和“電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究系列二”論文稿，總結(jié)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的一般規(guī)律。尤其在1831年12月5至9日，法拉第重做了第一階段的許多實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)感應(yīng)電流方向判定方法的準(zhǔn)確把握，激發(fā)了他對(duì)感應(yīng)電流產(chǎn)生機(jī)制的全新感悟，促進(jìn)了他的“磁曲線”思想形成。這是法拉第研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象過(guò)程中認(rèn)識(shí)的一次飛躍，為其力線思想的形成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)其場(chǎng)觀念的形成和發(fā)展起到了重要的作用。

(3)毋庸置疑，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象在物理學(xué)史上具有劃時(shí)代的意義。他創(chuàng)造性地利用“電緊張態(tài)”概念和“磁曲線”思想來(lái)解釋這種現(xiàn)象，開(kāi)啟了電磁場(chǎng)理論發(fā)展之先河。

然而，我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，19世紀(jì)上半葉安培電動(dòng)力學(xué)理論在電磁領(lǐng)域是處于統(tǒng)治地位的，在當(dāng)時(shí)的英國(guó)也同樣得到許多著名科學(xué)家的肯定。因此，法拉第的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)及其理論解釋一時(shí)難以被科學(xué)界全面接受亦屬情理之中。正如有的學(xué)者所說(shuō)：“當(dāng)法拉第因發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象而名聲鵲起時(shí)，他的力線理論即便在英國(guó)也沒(méi)有達(dá)到完全被認(rèn)同的程度。”[19]

此外，法拉第的思想本身同樣存在著難以逾越的歷史局限性。愛(ài)因斯坦(A. Einstein， 1879～1955)就曾指出：“偉大的變革是由法拉第、麥克斯韋和赫茲帶來(lái)的——事實(shí)上這是半不自覺(jué)的，并且是違反他們的意志的。所有這三位，在他們的一生中都始終認(rèn)為自己是力學(xué)理論的信徒?！盵20]

致 謝王元春女士從美國(guó)代購(gòu)的新版《法拉第日記》和王洛印博士惠贈(zèng)學(xué)位論文《法拉第的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)研究——根據(jù)〈法拉第日記〉進(jìn)行的分析》，為本研究提供重要的基礎(chǔ)；文獻(xiàn)調(diào)研過(guò)程中得到中國(guó)國(guó)家圖書(shū)館和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館工作人員的熱情幫助；審稿專家對(duì)本文初稿提出的許多寶貴意見(jiàn)對(duì)文稿的修改和完善大有裨益。特致謝忱。