電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)歷程及其啟示

汪小平

(銅陵市第一中學(xué) 安徽 銅陵 244000)

胡小龍

(銅陵市實驗高級中學(xué) 安徽 銅陵 244000)

1820年奧斯特的發(fā)現(xiàn)第一次揭示了電能產(chǎn)生磁，從而開辟了一個全新的研究領(lǐng)域.從發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)之日起人們便關(guān)心它的逆效應(yīng)：既然電能產(chǎn)生磁，磁是否也能產(chǎn)生電？針對磁生電問題盡管人們作出了很多努力，然而很多人都以失敗而告終.

1 安培的“自信”

1822年，法國著名物理學(xué)家安培做了一個本可以發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實驗，如圖1所示，將一個圓形線圈豎直放置(圖1中的DRE，F(xiàn)和B是線圈的引線)，在線圈中懸掛起一個小活動銅環(huán)(圖1中的HIG)，并且有一塊馬蹄形磁鐵靠在附近，當(dāng)線圈接通電流時，發(fā)現(xiàn)銅環(huán)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后慢慢還原.

圖1 安培的實驗

很顯然，電磁感應(yīng)現(xiàn)象已經(jīng)展示在安培的面前,但是,當(dāng)時安培卻沒有認(rèn)識到該實驗的重大意義，他甚至在報告中寫道:“感應(yīng)能夠產(chǎn)生電流的事實本身很有趣，但它與電動力的總體理論是無關(guān)的.”[1]顯然,安培對于自己的理論太過于“自信”，對電磁感應(yīng)的實驗現(xiàn)象沒有認(rèn)真對待，以至于使他與電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)失之交臂.

2 阿拉果的“困惑”

1822年在英國格林威治的一座小山上，阿拉果與洪堡在測量地磁強度時偶然發(fā)現(xiàn)磁針附近的金屬物體對磁針的振動有阻尼作用，但是當(dāng)時阿拉果并不能解釋該實驗現(xiàn)象，也沒有重視該實驗，直到兩年以后阿拉果才認(rèn)識到該實驗的重要意義[2].因此阿拉果在1824年又重新設(shè)計了一個新的“銅圓盤”實驗：他將一個銅圓盤裝在一個垂直軸上，讓其可以自由旋轉(zhuǎn)，在銅圓盤上方懸吊一根可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖2所示.他發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時，磁針跟著一起旋轉(zhuǎn)，但稍有滯后；反之，當(dāng)磁針旋轉(zhuǎn)時，銅盤也隨之旋轉(zhuǎn)，此即著名的“阿拉果圓盤實驗”[2].

圖2 阿拉果圓盤實驗

阿拉果圓盤實驗一方面引起了電磁學(xué)界的轟動，另一方面他們對該實驗現(xiàn)象也很“困惑”，因為對于剛剛發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的科學(xué)界來說，是無法解釋該“圓盤”實驗現(xiàn)象的，因此又把阿拉果的實驗發(fā)現(xiàn)稱之為“神秘的實驗”[3].

實際上阿拉果圓盤的電磁驅(qū)動現(xiàn)象是由渦流引起的典型的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但是該實驗主要觀察到圓盤的力學(xué)效應(yīng)，它并沒有直接觀察到電流的電學(xué)效應(yīng)，因而未能把它和磁生電現(xiàn)象聯(lián)系起來，只感到它們是無從理解的新現(xiàn)象.直到1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象并深入地研究后，阿拉果圓盤實驗的本質(zhì)才被揭示.值得一提的是阿拉果圓盤實驗對后面法拉第發(fā)現(xiàn)直流發(fā)電機原理也起到了重要作用.

3 科拉頓的“遺憾”

1825年，瑞士物理學(xué)家科拉頓進行過一個有趣的實驗，如圖3所示,他把磁鐵插入螺線管中或從其中拔出，想看看由此閉合的螺線管是否產(chǎn)生感應(yīng)電流.由于當(dāng)時沒有電流計，需要用小磁針來判斷導(dǎo)線中是否存在電流，為了避免磁鐵棒和小磁針之間的影響，他把小磁針放到了隔壁的房間來觀察實驗現(xiàn)象.每次科拉頓把磁鐵棒插入(拔出)螺線管后再到鄰屋觀看小磁針是否偏轉(zhuǎn)，結(jié)果毫無動靜.實際上，科拉頓已經(jīng)設(shè)計出了產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實驗，但是由于觀察和操作不當(dāng)，成功仍然與其擦肩而過，可謂是十分的“遺憾”.

圖3 科拉頓實驗示意圖

4 法拉第的“堅持”

1821 年，一個偶然的機會把法拉第吸引到電學(xué)研究的領(lǐng)域：他一個朋友請他為《哲學(xué)雜志》寫一篇關(guān)于奧斯特的發(fā)現(xiàn)公布以來電磁理論和實驗研究進展的綜述文章.對該課題的調(diào)研立即喚起了他對電磁現(xiàn)象研究的巨大熱情.因此法拉第思考，既然電流能產(chǎn)生磁，磁也應(yīng)該能產(chǎn)生電流.1823年以后法拉第做了一系列實驗，企圖找到由電生磁的方法，然而均以失敗告終，主要原因在于他在實驗中使用的都是恒定電流產(chǎn)生的磁場，看看這樣的磁場是不是會在某個電路產(chǎn)生電流.

雖然經(jīng)歷了多次的失敗，法拉第并沒有被失敗所打倒，以其堅忍不拔的毅力，把實驗持續(xù)堅持做了下去，直到1831年8月29日，法拉第又進行新的實驗.他實驗的日記記錄如下[4]：

1831年8月29日

(1)從磁產(chǎn)生電的實驗，等等.

(3)一個由 10 對 4 平方英寸極板組成的電池充電，B側(cè)線圈連接成一個線圈，末端用銅線連接.銅線恰好伸到不遠(yuǎn)處一個小磁針(距離圓環(huán)3英尺)的上方，然后把 A 側(cè)一段線圈的末端與電池連接，小磁針立刻產(chǎn)生一個可察覺的效應(yīng)，擺動以后回歸到原來位置，斷開 A 側(cè)與電池連接的時候，小磁針又會擺動.

法拉第圓環(huán)實驗的示意圖如圖4所示，該實驗所展示的就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但是法拉第并沒有立即明白其中的道理.這在他同年9月的一封信中有所表露[5]：“他認(rèn)為自己在研究中抓住了一些好東西，但是還不能說明白，認(rèn)為這可能是雜草而不是魚，但他有決心，要竭盡全力，終究可以把它拉起來.”

圖4 法拉第圓環(huán)實驗示意圖

法拉第進一步通過實驗分析了該實驗的成功因素，并在此基礎(chǔ)上做了大量的相關(guān)實驗，希望可以發(fā)現(xiàn)磁生電現(xiàn)象背后的規(guī)律.他發(fā)現(xiàn)只要回路中電流發(fā)生變化，就會有電磁感應(yīng)現(xiàn)象.同年9月24日法拉第將線圈繞在一根鐵棒上，連接電流計，并把鐵棒放在兩根條形磁鐵的中間，他發(fā)現(xiàn)拉動鐵棒時電流計指針將會擺動，如圖5所示.10月17日，他將一個螺線管與電流計連接，將一根條形磁鐵插入螺線管中來回拉動磁鐵時，指針也會左右擺動[6]，如圖6所示.10月28日，法拉第將銅盤置于馬蹄形磁鐵之間，從銅盤軸心和邊緣引出導(dǎo)線與電流計連接，使銅盤不停地轉(zhuǎn)動，就會有持續(xù)的電流通過電流計，如圖7所示，這其實是世界上第一臺原始的直流發(fā)電機[6,7]. 通過以上實驗法拉第終于發(fā)現(xiàn)了作為電流磁效應(yīng)的逆效應(yīng)——電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并且認(rèn)識到電磁感應(yīng)是一種在變化和運動中才出現(xiàn)的非恒定的暫態(tài)效應(yīng).

圖5 鐵棒拉進或拉出，電流計指針有擺動

圖6 條形磁鐵插入或抽出螺線管，電流計指針有擺動

圖7 法拉第圓盤發(fā)電機

1831年11月24日，法拉第在英國皇家學(xué)會宣讀了他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的論文，即《電學(xué)的實驗研究》第一輯中的4篇論文，題目分別為《論電流感應(yīng)》《論從磁產(chǎn)生電》《論物質(zhì)的一種新的電狀態(tài)》和《論阿拉果的磁現(xiàn)象》[8].法拉第根據(jù)他所做的實驗把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況概括成5類[6]：(1)變化中的電流；(2)變化中的磁場；(3)運動的穩(wěn)恒電流；(4)運動中的磁鐵；(5)在磁場中運動的導(dǎo)線.至此，法拉第把他的發(fā)現(xiàn)正式命名為電磁感應(yīng).

5 亨利的 “忙碌”

早在1830年8月美國物理學(xué)家亨利已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了感應(yīng)原理，即一個線圈里的電流怎樣通過產(chǎn)生磁場而使另一個線圈里出現(xiàn)電流.當(dāng)時亨利在奧爾巴尼學(xué)院擔(dān)任數(shù)學(xué)教授，一方面由于缺少實驗用房，他的研究是在學(xué)院大廳進行的；另一方面由于“繁重”的教學(xué)任務(wù)使其只能在每年的8月(學(xué)校放假期間)進行實驗，于是在1830年的8月底，亨利便匆忙地結(jié)束了他的研究，準(zhǔn)備留待第二年8月繼續(xù)實驗.轉(zhuǎn)眼到了1831年的8月，亨利此時準(zhǔn)備好了一系列詳盡無遺的實驗，他開始做了一塊大很多的磁鐵，還做了一個大“卷筒”，目的是想得到一架能大量做功的機器——他在為做一架直流發(fā)電機而努力，但是在他實驗做完之前假期又結(jié)束了，他不得不投入到繁重的教學(xué)活動當(dāng)中.很快到了1832年的6月，亨利偶然在一本雜志上看到了一段話，說到法拉第已經(jīng)證明了磁能產(chǎn)生電，但是亨利當(dāng)時也不清楚法拉第比他領(lǐng)先多大的程度，他立即利用他的舊儀器重復(fù)了一些實驗，并且急忙寫出一篇論文，發(fā)表在1832年7月《美國科學(xué)雜志》上，該文章包含了他聽到的法拉第之前的實驗，也包含了他之后做的實驗[5]，很顯然亨利是先于法拉第完成了關(guān)鍵性實驗，但是法拉第卻首先公布，亨利的“忙碌”使其錯失了“先機”.

6 后人的“啟示”

從1820年奧斯特的電生磁到1831年法拉第的磁生電，雖然只有短短的十幾年，但是這可是電磁學(xué)發(fā)展史上關(guān)鍵性的十幾年，梳理這十幾年電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程，給我們后人帶來了很多有益的啟示.

6.1 破除思維定式勇于開拓創(chuàng)新

在科學(xué)研究中要有打破思維定勢，樹立創(chuàng)新的意識，對未知的東西要抱有好奇心、主動探究的欲望.科拉頓以及早期的法拉第等都認(rèn)為磁生電是一個“穩(wěn)態(tài)”現(xiàn)象，因此他們設(shè)計實驗時往往從“穩(wěn)態(tài)”的角度來設(shè)計，但是恰恰電磁感應(yīng)現(xiàn)象是一個“暫態(tài)”的現(xiàn)象，這樣很顯然會導(dǎo)致他們的實驗不成功.在科學(xué)研究中，對待每個實驗現(xiàn)象，我們都不要帶著“有色眼鏡”去觀察，更不要輕易地肯定或否定什么，而要學(xué)會客觀理性的分析.安培未能發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的深層次原因在于安培把他的分子電流理論看得極為重要，這是因為，如果他承認(rèn)他已經(jīng)在實驗中產(chǎn)生的同軸電流，那么他之前的寶貴理論就無立足之地了，他在1822 年寫的實驗報告的結(jié)論也表明：無論他觀察到什么,他都會堅持把它解釋成分子電流或者至少是分子樣大小的電流存在的證據(jù)[1].

6.2 唯有持之以恒才能收獲成功

堅韌不拔的精神和持之以恒的毅力是科學(xué)研究中必不可少的素養(yǎng)，法拉第之所以能夠成功，與他的堅持是密不可分的.在研究電磁感應(yīng)前后長達十幾年的時間里，我們可以從《法拉第日記》中看到太多的心酸和失敗，但是法拉第依靠其過人的智慧和持之以恒的毅力，最終獲得成功.

6.3 人力物力保障溝通交流合作

“兵馬未動、糧草先行”，科學(xué)研究同樣也需要人力和物力的保障.實際上科拉頓研究的失敗，以及亨利研究的滯后，一個很重要的原因就是人力和物力的匱乏.如果科拉頓有一個助手幫他在隔壁觀察實驗現(xiàn)象，抑或亨利有足夠的實驗場地開展研究的話，那么發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的歷史將會改寫.實際上法拉第在知道安培的實驗后, 也重復(fù)了安培實驗，可惜他所依據(jù)的資料，誤把安培的圓環(huán)畫為圓盤， 所以法拉第重復(fù)了多次沒有得到結(jié)果.如果當(dāng)時法拉第可以和安培細(xì)致地溝通和交流，法拉第就能準(zhǔn)確地了解安培的實驗, 他很可能會比 1831年早好幾年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，那樣我們?nèi)祟悓崆安饺搿半娏r代”.

在科學(xué)研究的征途上，每一次的發(fā)現(xiàn)都不簡單.奧斯特的發(fā)現(xiàn)使人類首次揭示了“縱向力”的作用；法拉第的發(fā)現(xiàn)使人類首次觸及電磁領(lǐng)域的暫態(tài)過程，他們的發(fā)現(xiàn)都是在現(xiàn)有事實和以往認(rèn)知中不斷地沖突、比較和取舍，迂回式的前行.他們的每一次失敗或成功都反映了人類感性的追求和理性的執(zhí)著.人類也正是在這一次次的失敗或成功中不斷地突破和超越.