電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)與場的概念的提出

作者：劉玉明 文章來源：現(xiàn)代物理知識

邁克爾·法拉第是19世紀(jì)偉大的物理學(xué)家，他對物理學(xué)最卓越的貢獻(xiàn)就是通過實驗發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律.當(dāng)時法拉第受德國古典哲學(xué)中辯證思想的影響，認(rèn)為電、磁、光、熱之間是相互聯(lián)系的.1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流對磁針的作用，法拉第敏銳地認(rèn)識到了它的重要性.法拉第認(rèn)為:既然磁鐵能使附近的鐵塊感應(yīng)帶磁，靜電荷能使附近的物體中感應(yīng)出符號相反的電荷，那么，當(dāng)把一導(dǎo)體放人電流所產(chǎn)生的磁場中時，有可能在這導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流.他做了一個圓筒，把二個線圈重疊地繞在一起，使它們相互挨得很近，并且用絕緣體(例如紙)將它們彼此電隔離.然后將第一個線圈與伽伐尼電池相連接.其中電池由10對平板組成，每塊平板的面積為258平方厘米，并且銅板是雙層的.第二個線圈與一靈敏電流計相連接.當(dāng)?shù)谝痪€圈通電后，檢查第二個線圈有沒有電流流過.實驗的結(jié)果令法拉第很失望，因為他發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體中的電流并不能使第二個線圈中產(chǎn)生任何可觀察到的電流.后來，法拉第又用兩根各長61.8米的銅線緊挨著繞在一個很大的木頭圓筒上，兩根銅線用電介質(zhì)絕緣(用細(xì)繩包纏住).法拉第將第一線圈與充足了電的電池相連接，電池由100塊面積為25，8平方厘米的雙層銅板組成，另一個線圈連接到電流計上.實驗結(jié)果令法拉第大為驚奇，他寫道:“當(dāng)接通電路時，觀察到電流計有突然的但很弱的擺動，將連接電池的電路斷開時也有類似的微弱效應(yīng).”當(dāng)電流穩(wěn)定后，效應(yīng)就消失了.這一現(xiàn)象說明了磁和電的關(guān)系是動態(tài)的而非靜態(tài)的，一個線圈中感應(yīng)電流不是由穩(wěn)定電流感生的，而是由變化電流感生的.接著法拉第又做了一個驚人的實驗，他用退了磁的鐵指針代替電流計，將它放入由第二個線圈組成的螺線管內(nèi).如果有電流流過螺線管，電流將激勵起磁場，并使鐵指針磁化.這樣他就有了新的發(fā)現(xiàn)電流的可靠手段，用它代替電流計指針的瞬時偏轉(zhuǎn).其次，他還能夠證實，當(dāng)接通電路時，第二個線圈中的電流是往相反方向流動的，因為他發(fā)現(xiàn)，指針的磁場有相反的極性(由原來指向北極變?yōu)橹赶蚰蠘O).

法拉第在他著的《電的實驗研究》一書中，設(shè)計了多種電磁感應(yīng)方案，實驗證明了當(dāng)鄰近導(dǎo)線中的電流發(fā)生變化時，在第二回路中會產(chǎn)生電流.這種電磁感應(yīng)現(xiàn)象還表現(xiàn)在:當(dāng)穿過某一回路的磁場發(fā)生變化時，在回路中產(chǎn)生電流;當(dāng)導(dǎo)線附近的磁場發(fā)生變化時，導(dǎo)線中產(chǎn)生電場;當(dāng)回路在恒定磁場中旋轉(zhuǎn)時在回路中產(chǎn)生電流;當(dāng)導(dǎo)線在磁場中移動時導(dǎo)線中產(chǎn)生電場.電磁感應(yīng)還能以外表不同的其他形式表現(xiàn)出來，但這些現(xiàn)象都可用一個統(tǒng)一的定性結(jié)論加以描述為:交變磁場會產(chǎn)生電場;也可表述為:不論采用何種方式，只要穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生感生電流.這就是著名的電磁感應(yīng)定律.法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律是發(fā)電機的理論基礎(chǔ)，這種發(fā)電機所提供的電能是伏打電堆產(chǎn)生的電能所無法比擬的.它的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了人類利用電力的新時代.

知道了電磁感應(yīng)定律，但電和磁的作用是怎樣傳遞的?電磁感應(yīng)現(xiàn)象的物理性質(zhì)和機制是什么?當(dāng)時對這些問題有不同的解釋和回答一種是以超距作用來解釋，這種觀點認(rèn)為:電磁的作用與存在于兩物體之間的物質(zhì)無關(guān)，而是以無限大速度在兩物體間直接傳遞的.1837年法拉第提出了場的概念，指出:電荷與電荷、磁極與磁極之間的相互作用不是超距的，而是通過帶電體或磁性物質(zhì)周圍的場而發(fā)生的.他用電力線和磁力線表示電場和磁場的空間分布.電力線是描述電場分布情況的曲線，曲線上各點的切線方向，與該點的電場方向一致.曲線密集的程度與該處的電場強度成正比.磁力線是描述磁場分布情況的曲線，曲線上各點的切線方向，與該點的磁場方向一致.曲線密集程度反映了磁場強弱，磁力線是閉合的曲線.用電力線和磁力線可以形象地描述電磁感應(yīng)現(xiàn)象:當(dāng)導(dǎo)線切割磁力線時就引起感應(yīng)電流，反之，電力線的運動就產(chǎn)生磁場.

法拉第在科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，發(fā)揮了生動想象力，創(chuàng)造了力線的物理圖象.他做過這樣的實驗:把一塊紙板放在磁棒之上，把鐵屑散布在紙板上，這些鐵屑將集合成許多線，表明磁力是沿著這些線而起作用的.力場概念使非常抽象的場，獲得了形象化的直觀表示.電磁場理論的發(fā)展，受益于力線形象的啟發(fā)確實是很大的.法拉第提出場的概念是牛頓以后物理基本概念的重要發(fā)展，當(dāng)時幾乎所有物理學(xué)家都把它看成離經(jīng)叛道的妄想.直到后來英國青年理論物理學(xué)家麥克斯韋接受了這種大膽的思想，他利用19世紀(jì)20年代和30年代數(shù)學(xué)家在理論力學(xué)方面的研究，把法拉第的電磁場的直覺翻譯為精確的定量的數(shù)學(xué)方程式.

今天當(dāng)我們再照樣地作法拉第的實驗時，是這樣的簡單明了.但當(dāng)初法拉第是經(jīng)過十年(1822一1831)的時間才得到的.是法拉第奠定了電磁學(xué)的實驗基礎(chǔ).