科普下法拉第电磁感应定律的发展历程

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电磁感应定律简介

1． 电磁感应定律也称为法拉第电磁感应定律。 电磁感应现象是指由于磁通量的变化而产生感应电动势的现象。

2. 感应电流：当闭合电路的一部分导体在磁场中移动以切断磁力线时，导体中会产生电流，产生的电流称为感应电流。

3. 右手定则：电磁感应定律中电动势的方向可由楞次定律或右手定则确定。 右手伸直，使大拇指与四指垂直，掌心朝向磁场N极，大拇指方向与导体运动方向一致，四指指向的方向 是导体中感应电流的方向。

电磁感应定律的发展

I． 基础知识

法拉第电磁感应定律基于法拉第在 1831 年的实验。约瑟夫·亨利大约在同一时间发现了这种效应，但法拉第发表得更早。

二、提问

1820年，奥斯特发现电流的磁效应后，许多物理学家提出了磁能产生电磁，还是能作用于电的问题。

三． 发展

1822年，阿拉戈和洪堡在测量地磁强度时，发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。

1824年，阿拉戈做了铜盘实验，发现旋转的铜盘会带动其上方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜盘不同步。 电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的电磁感应现象，但由于没有直接表现为感应电流，所以当时没有解释。

四个。 定律结论

感应电流

1831年8月，法拉第进行电磁实验，发现感应电流。

电磁效应

经过大量实验，总结出五种感应电流的情况：变电流、变磁场、动恒流、动磁、导体 在磁场中运动，并将这些现象正式命名为电磁感应。

感应电动势

法拉第发现在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的电导率成正比，他意识到感应电流为 感应电动势的产生与导体的性质无关。 即使没有回路，没有感应电流，感应电动势仍然存在。

结论

纽曼和韦伯给出了确定感应电流方向的楞次定律和描述电磁感应定量定律的法拉第电磁感应定律。

延伸阅读：

天才直觉：法拉第是如何发现电磁感应的？

世界上有句谚语欧内斯特·卢瑟福说过：“这个世界上有两种自然科学，一种叫做物理学，一种叫做集邮”。 一直没能找到这句话的确切出处，不过从意思上来说，就算卢瑟福说了这句话，也不影响它的精辟。

是的，物理学与许多其他自然科学最显着的区别在于，物理学所追求的不是“多”而是“少”。 物理学认识世界的方式，不是从不同的现象中收集大量的“原理”和“知识点”（虽然这本身也是很有价值的东西，也是真正追求物理学的前提），而是 探索它们背后的“相同”和“最简单”的规律是隐藏的。 从物理学的角度来说，从树上掉下来的苹果和地球绕着太阳转是一回事！

从这个角度看我们这些年研究的所谓“物理”，我们真的是在研究物理吗？ 我们学到了很多概念、定理、定律……然而，在我们的心目中，它们似乎更像是“邮票册”中的“邮票”。 为什么其中一些概念、定理和定律如此“先进”？ 有些甚至是“反常识”。 那么为什么我们仍然愿意接受这些“令人困惑”的物理学呢？

当把这些物理概念、定理、定律放回人类认识世界的漫长过程中，去了解它们是如何发芽的，又是如何在“纯粹理性”之间相互验证的过程中 和“实验事实”只有发展和完善，才能看到物理学的大厦是如何一砖一瓦精心搭建起来的，只有看到过程中的每一个“脚手架”，才能理解物理学家是如何想出这样一套 “深刻”甚至“深刻”的反常识”的东西。当你了解建筑的每一块砖瓦的形状、位置和修复过程时，它是如何经过深刻的理性思考和严格的实验验证的，包括返工和 在反复检查和检查的过程中重建，你能说服自己接受这一套在情感上可能不容易接受的东西。

——陈征

（国家教师 实验教学德 北京交通大学物理示范中心，毛以生北京市青年科技奖获得者）

写作∣马尔科姆朗格

译者∣向寿平、郑九人、朱冬培、袁 叶飞

法拉第及其力线——没有数学的数学

1812年，戴维（Humphry Davy）（1770～1845）在皇家学院演讲。利波先生的一位客户，送给法拉第一张听讲的门票，让他去听讲。事后，法拉第把他的课堂笔记整理并装订好后送给戴维，表示如果有空缺职位，他可以填补，但接下来没有任何消息。然而，同年10月，戴维因使用的危险化学品氯化硝酸盐（nitrate of chlorine）发生爆炸而暂时失明，需要有人记录下他的思想。法拉第被推荐承担这项任务。随后，1813年3月1日，他得到了一个永久性职位——戴维在皇家学院的助理。他在那里一直工作到晚年。

在法拉第接受任命之后不久，戴维决定访问欧洲大陆的科学机构，法拉第作为科学助理随行。接下来的18个月，在巴黎，他们遇到了当时最著名的科学家——安培、洪堡特（Humboldt）、盖-吕萨克（Gray-Lussac）、阿拉戈（Arago）和其他许多人；在意大利，他们遇到了伏特；而在热那亚（Genoa）还观看了电鳐（torpedo）实验，它能电击鱼。

1820年，奥斯特发现电与磁之间的联系，并引来一系列相关的科学活动。科学期刊收到了许多描述电磁效应和试图解释它们的有关文章，哲学杂志的编辑请法拉第进行评审。面对这样大规模的实验现象和推断，法拉第开始系统地研究电磁现象。

接着，法拉第重复做了文献报道过的所有实验。特别是，他研究了小磁铁的磁极在载流导线附近的运动。安培已经发现，作用在磁极上的力好像是要让它围绕载流导线做圆周运动。另外，如果磁铁被固定，则载流导线会感受一种力量，让它围绕磁铁做圆周运动。法拉第用两个漂亮的实验证实了这些现象（图1）。图1右边所示为第一个实验：磁铁被直立放置在一个水银盘中，一个磁极在水银面的上方。导线的一端与一个浮在水银面上的小软木塞相连，而另一端则固定在磁铁的一端。当有电流通过导线时，导线围绕磁铁的轴旋转，和法拉第的预期一样。图1左边所示为第二个实验：载流导线固定，磁铁围绕导线自由旋转。这是人们制造的第一个电动机。

图1 显示载流导线和磁铁之间的作用力的法拉第实验：在图的右边，磁铁垂直固定，载流导线绕垂直轴旋转；在图的左边，载流导线垂直固定，磁铁绕导线旋转。这是人们制造的第一个电动机第一个电动机（英国皇家学会提供）

这些实验致使法拉第有了磁力线这一关键性的概念，这是在他观察铁屑围绕磁铁的分布情况（图2）时突然浮现出来的。磁力线或磁场线磁力线或磁场线，代表把磁极放置在一个磁场中时作用在磁极上的力的方向。在垂直于磁力线的平面上，通过单位面积的磁力线愈多，作用在磁极上的力愈大。法拉第非常重视将磁力线作为观测静止磁场效应及时变磁场效应的一个直观手段。

图2 法拉第的条形磁铁的磁力线

两个磁极之间的磁力线沿着两极之间的连线，载流导线的环形力线怎么能与此相一致呢？法拉第的照片面临一个难题。法拉第展示（图3），把载流导线弯曲成一个环路可以模拟磁铁产生的所有效应。他认为，磁力线在环路内会被压缩，结果是环路的一侧有一个极性，另一侧有相反的极性。他用实验证明：所有与导线中的电流相关的力都可以按磁力线理解。磁偶极子与环路电流完全等效磁偶极子与环路电流完全等效是法拉第的深刻见解。事实上，如附录A5.7所证明的，从这一见解出发，可以导出关于静止磁铁和电流之间的作用力的所有定律。

图3 法拉第说明电流磁场和条形磁铁等价的理由：左侧的长直导线被弯曲成右侧的环路时，磁力线被压入环路内

重大的进步发生在1831年。法拉第坚信自然界的对称性对称性，他推测，既然电流产生磁场，磁场产生电流也必定是可能的。1831年，他获悉亨利（Joseph Henry）在纽约奥尔巴尼（Albany）做的实验。在这个实验中，亨利使用了电磁力非常强的电磁铁。法拉第立即有了观测力线使电磁材料产生应变的想法。他把绝缘导线缠绕在粗铁环上，从而能在铁环内产生强磁场。应变效应能用另一个缠绕在环上的线圈探测到，这个绕组与一个电流计连接以测量产生的电流。法拉第装置的原照片如图4所示。

图4 法拉第首次证明电磁感应的仪器（感谢英国皇家协会）

实验在1831年8月29日进行，这在法拉第的实验室笔记本上有精心记载。结果完全不是法拉第所预期的那样。当初级绕组闭合的时候，在次级绕组中的电流计的指针有一个偏转——缠绕在铁环介质上的次级电路中有感生电流。但只在电磁铁内接通或断开电流时观察到电流计的指针有偏转，流过电磁铁的稳定电流对电流计没有作用。换句话说，作用似乎只与变化的电流有关，因而只与变化的磁场有关。至此，法拉第发现了电磁感应。

在接下来的几周，随之而来的是，在一系列确切的实验中，电磁感应的性质都成立。法拉第在改进装置的灵敏度后，还观测到，在电流接通和断开时，在次级电路中所产生的电流是在相反方向流动的。下一步，他在线圈具有不同形状和大小的实验过程中发现，产生这种效应不需要有铁棒。1831年10月17日，他进行了一个新的实验：向一个连接有电流计的长线圈（或螺线管）移动圆柱形磁铁时，在线圈中产生了电流。然后，1831年10月28日，他在伦敦皇家学会做了一个著名的实验，证明在社会上购买的“大马蹄形磁铁”的磁极之间旋转一个铜圆盘时，可以产生持续电流。铜圆盘的轴和边缘与电流计滑动接触，铜圆盘旋转时，指针偏转。1831年11月4日，法拉第发现在磁铁两极之间简单移动铜导线时可以产生电流。这样，在4个月内，他发明了变压器与发电机变压器与发电机。

早在1831年，法拉第依据力线概念创立了定性的电磁感应定律：在电流环路中感生的电动势直接与切割磁力线的速度相关。补充一句，这些磁力线指的是铁屑描绘的磁力。

他当时意识到，“电”意味着许多不同的东西。除他刚刚发现的磁电外，还有静电，在远古就已经知道，它可以由摩擦产生。伏特电与在伏特电堆中的化学效应相关。在热电中，不同类型的材料接触放置，接触的端点保持在不同温度，会产生电势差。此外还有动物电，如法拉第和戴维一起旅行时所看到的电鳐（torpedo）和电鳗（electric eels）等鱼类产生的电。对具有“后见之明”的现在的我们来说，他问了一个可能是显而易见但在当时能说明他具有深刻洞察力的问题：这些不同形式的电是一样的东西吗？1832年，他做了一系列漂亮的实验，结果证明：不管电的来源是什么，包括电鱼，都可以产生同样的化学的、电磁的以及其他的效应。

虽然电磁感应定律在早期阶段就已被发现，但为了证明该定律的普遍有效性，法拉第还是用了几年时间才完成了所有必要的实验工作：无论磁通量的起源是什么，闭合回路中的总磁通量的变化速率都决定了环路中的感应电动势的大小。1834年，楞次（Heinrich Friedrich Emil Lenz）（1804～1865）宣布澄清了电路中感应电动势的方向问题：在电路中，电动势的方向反抗磁通量的变化（楞次定律楞次定律）。

法拉第没有表达出电磁现象的数学理论，但他确信，力线这一概念是理解电磁现象的关键。1846年，他在皇家学会的演讲中，推测光可能是某种沿磁场力传播的扰动。他在论文《对射线振动的思考》中公布了这些看法，但受到了相当大的怀疑。然而，法拉第确实说对了。我们将在下一节中看到，1864年，麦克斯韦推断出光确实是一种电磁辐射。麦克斯韦用优异的物理直觉和数学能力，把法拉第的思想和发现放入数学表达式中，推导出在真空中传播的任何电磁波都以光速行进。正如麦克斯韦本人在发表于1865年的伟大论文《电磁场的动态理论》中确认的：

“

横向磁场扰动的传播概念，是法拉第教授在他的《对射线振动的思考》中特别阐述过的思想。除了在1846年没有数据计算传播速度外，他提出的光的电磁理论与我在本文中已经开始形成的理论在本质上是相同的。

”

虽然法拉第没有表达出电磁现象的数学理论，但他对电场和磁场行为的深刻感悟给数学家（如麦克斯韦）发展电磁场的数学理论提供了所需要的本质见解。麦克斯韦说：

“

当我继续进行法拉第的研究时，我认为他构思理解现象所设想的方法也是一种数学模型方法，虽然在形式上没有用传统的数学符号表现……我还看出，在数学家发现的一些最富活力的研究方法中，有比法拉第采用原始形式表达法拉第思想好得多的方法。

”

我（本文作者）必须承认，当我第一次学习电磁力线时，力线对我理解电磁现象是一个障碍，主要是因为没有给我解释清楚，它们只是一种工作模型。在实验中实际测量的那些东西是在空间不同点的力矢量，虚拟的力线只是代表这些矢量场的概念模型。

在我们离开对法拉第的描述之前，我们必须进一步描述一个关键性的发现，它影响了麦克斯韦对电磁性质的思考。法拉第对自然力的统一有一种本能的信仰，特别是认为光、电、磁等现象之间应该有密切联系。在1845年年末的一系列实验中，法拉第试图看到强电场对光的偏振的影响，但未能看到。改用磁场，他让光线通过强磁场，实验在很长一段时间内也一直没有显示存在这种影响。1825～1830年，为了制造天文仪器，伦敦皇家学会选购了一些优质光学玻璃——硼酸盐玻璃（borate glass）。它们很沉重，有极大的折射指数。法拉第让光线通过强磁场中的硼酸盐玻璃时，他想看到的现象终于出现。现在把这种现象称为法拉第旋转法拉第旋转:当光线沿磁场方向在一个透明介质中行进传播时，线偏振光的偏振平面发生旋转。汤姆孙（William Thomson）(1824～1907） [后来的开尔文勋爵（Lord Kelvin）]认为，这一现象是磁场引起分子电荷做旋转运动的证据。继早些时候安培的提议之后，开尔文设想，磁性本质上是一种旋转性质。这对麦克斯韦建立自由空间中的磁场模型有强烈影响。

在这里，我们必须留意：一个没有接受过数学训练的、有天赋的、细致严密的实验工作者，绝不可能以数学形式表达他的研究成果。法拉第是一个突出的例子。在他的著作中，没有单一的数学公式。然而，他对实验和对实验结果设计经验概念模型有天才般的直觉。这些模型体现了表达电磁场理论所需要的数学知识。

本文节选自中科大出版社的《物理学中的理论概念》

来源：返朴

编辑：GUOmazing

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