1、選修1-1.3.1 電磁感應現象 教案 71.劃時代的發現   電磁感應的發現和研究是法拉第的最重要的物理學貢獻之一，法拉第尋找電磁感應現象也經過了漫長的探索和多次失敗。1820年, 奧斯特發現電流磁效應的時候, 法拉第正在忙于化學研究, 沒有顧及到新的電磁現象。1821年, 法拉第的一位朋友請法拉第為皇家學會的刊物哲學雜志撰寫一篇文章, 評介電磁學領域取得的新成果, 這一偶然機會, 把法拉第吸引到電磁學研究領域。對奧斯特效應的理論解釋, 當時最有影響的是安培的理論, 但是在法拉第的文章中, 卻表示出了對安培觀點的懷疑, 他認為安培的分子電流假設是靠不住的, 應該

2、從更多的實驗現象中去尋找答案。法拉第認為電和磁是一對和諧對稱的自然現象,他堅定地相信存在著奧斯特效應的逆過程, 即磁力轉化為電力的可能。他認為既然電荷可以在導體上產生感應電荷, 電流也應該可以在導體上產生感應電流。 早在1822年, 法拉第在筆記本中就記下了這樣的信念: “一定要轉磁為電”, 并且還記錄下幾個試圖用磁體使線圈帶電的不成功的實驗嘗試。起初，他試圖用強磁鐵靠近閉合導線或用強電流使鄰近的閉合導線中產生出穩定的電流，但都一次次地失敗了。在電磁感應現象發現之前6年, 法拉第仿照靜電感應, 在日記中就使用了“感應”這個詞。從法拉第的日記中我們可以看到, 明確記載的失敗就有三次（ 1824年

3、12月28日; 1825年11月28日; 1828年4月22日 ）, 每次失敗, 他都記上“沒有效果”。例如: 1825年11月28日他做了以下幾個實驗: 實驗1. 兩根長4米長的導線平行放置, 用兩張厚紙將它們隔開, 先把其中的一根導線接到電池的兩端通電,再把另一根與電流計相連。電流計的指針沒有發生任何轉動。實驗2. 將空心螺線管接到電池的兩極, 把一直導線引進螺線管, 直導線兩端與電流計相連, 沒有任何效應發生。實驗3. 將實驗2中的直導線與電池兩極相連, 螺線管與電流計連接, 仍無任何效應。實驗4. 把兩根導線互相纏繞著, 先把其中的一根的兩頭接到電池上通電, 把另一根的兩頭接到電流計上

4、。沒有觀察到任何現象。1825年, 法拉第也重復過阿拉果圓盤實驗, 他想利用這個實驗來尋找電磁感應現象, 但是, 他沒有獲得任何進展。1822年，法拉第曾經成功地實現了電磁轉動。法拉第一直思考著這一現象的物理本質，法拉第直覺地意識到環繞著載流導線有一個圓形的作用“線”；他設想這是當電流通過導線時在導線內的分子和周圍的媒質中引起的某種“緊張”（strain）狀態，這種狀態是從張力的源載流導線向周圍傳播開去的。是否可以合理地猜想，如果這種張力能夠加強和集中，它將能在鄰近的導線內引起同樣的緊張狀態呢？他探尋使磁體產生最大張力的最好形狀是什么，最后得出結論說，可能是很厚的環。為了制作高效率的電磁鐵,

5、他把銅線繞在一個鐵環上。在新的實驗探索中，法拉第使用了自己制作的靈敏的電流檢流裝置。1831年8月29日, 法拉第在他的日記中留下了第一次成功的記錄。這一次法拉第訂做了一個軟鐵環, 厚度大約2厘米, 外徑約15厘米, 圓環上繞兩個彼此絕緣的線圈A 和B , B 邊的兩端用一條銅導線連接, 形成一個閉合回路。在銅線下面, 平行放置一個小磁針。然后把A邊與一組由10只電池組成的電池組相連接。法拉第在日記中記述道:“這時立刻觀察到磁針上的效應, 它振動起來并且最后停在原來的位置上。在斷開A 邊與電池的接線時, 磁針又受到擾動。”這表明，一個電流通過鐵環介質而感應出了另一個電流。法拉第把這一現象稱為“

6、伏打電感應”。這個實驗通常被稱為電磁感應的發現，但事實上并不完全如此。因為法拉第雖然想到了這就是他尋找了將近十年的由磁產生電流的現象，但還沒有明確地領悟到這一現象的暫態性的本質特點。在這個發現之后，法拉第立即想到，鐵環和線圈A是不是產生這一效應的必要條件，他很快就用實驗找到了答案。10月17日他在一個圓紙筒上繞了多層線圈，將一個圓柱形的磁棒插入線圈的一端。然后把磁棒迅速地塞入螺線圈中，這時線圈所連的電流計的指針動了；抽出磁棒時，指針又動了，但偏轉的方向相反。每次把磁棒塞進或抽出時，這種效應都會重現。這就是所謂“磁電感應”現象。最后，10月28日，法拉第把巴羅輪反過來運行。他轉動一側夾在馬蹄形磁

7、鐵當中的銅盤，便可以在銅盤軸心和周緣兩處引出電流。這實際上就是最早的發電機的雛型。考慮到電流的磁效應，這項發現也給阿拉果和塞貝克的衰減實驗提供了解釋。至此，法拉第不僅實現了由永久磁體產生電流的設想，而且完全弄明白了這種轉化的暫態性，這是他能夠宣布已經證明了奧斯特發現的逆效應的確切日期；1831年11月24日，法拉第在向皇家學會提交的一個報告中，把這種現象定名為“電磁感應”，并概括了可以產生感應電流的五種類型：變化著的電流，變化著的磁場，運動的穩恒電流，運動的磁鐵，在磁場中運動的導體。開始的時候，法拉第把上述的“伏打電感應”和“磁電感應”看做兩類獨立的現象。后來，他用導體切割磁力線的概念，統一了

8、包括隨時間變化的電流，在空間中運動的電流，以及磁鐵和導體的相對運動等所產生的感應現象，統稱之為電磁感應。法拉第又在1851年寫出論文論磁力線，系統地闡述了他所用到的概念，總結了電磁感應定律。發現第一個效應以后，法拉第用了大約1年的時間, 對它作了專門的詳細研究, 他做了各種各樣的實驗, 這一段時間, 他在日記中共寫了441條有關電磁感應的記錄, 并畫了不少草圖。應該指出，關于電磁感應的探索，在當時是具有國際性的。除了菲涅耳、安培和法拉第之外，日內瓦年輕的科拉頓（Jeans Deniel Colladon,1802-1892）在1825年曾試圖用一塊磁鐵在螺線管中移動使線圈中產生出感應電流。為了

9、排除磁鐵移動對靈敏電流計的影響，他用很長的導線把連接于螺線管的電流計放在另一個房間內，他在兩個房間里跑來跑去進行實驗和觀察，這當然是觀察不到感應電流的。有人說, 如果科拉頓有一個助手專門來看管檢流計, 也許歷史就要改寫了。當然, 歷史不能假設, 我們在為科拉頓感到惋惜時, 同樣清楚地看到科拉頓認識的局限。科拉頓發生錯誤的關鍵, 并不是由于缺少助手, 其主要原因還是未預料到磁產生電現象的暫態性, 沒想到產生的電流會很快消失, 即沒有預料到只有變化的磁才能產生電流, 必須在磁發生變化時才能觀察到檢流計指針的偏轉。美國物理學家亨利（J.Henry,1799-1878）在這一時期同樣提出了磁能不能產生

10、電的問題。1829年他在實驗電磁鐵的提舉力并用這種裝置進行電報機的早期實驗時，意外地發現了通電線圈在斷開時所產生的強烈的電火花。1830年8月，他繼續對這一現象進行研究。他將一個線圈連接到電流計上，把線圈放在電磁鐵的兩端之間，發現在電磁鐵接通和斷開電流時，電流計的指針都會突然發生偏轉。由于繁重的教學工作，他的實驗一度停頓下來。直到1832年7月他才發表了一篇論文，敘述了他在聽到法拉第的工作以前和以后所作的實驗。關于感應電流的方向，法拉第只是有過一些零碎的敘述。俄國物理學家楞茨（H.F.E.Lenz, 18041865）在獲悉法拉第的發現之后，很快考察了電磁感應現象的全過程。1832年11月，他

11、得出了感應電動勢與繞組導線的材料和直徑無關，也與線圈的直徑無關的結論。1833年11月，他又得出了著名的“楞茨定律”，明確提出了確定感生電流方向的基本法則。這個定律表明，感生電流所產生的磁場的作用，總是補償施感磁場的變化，即阻礙磁體的運動。1847年赫姆霍茲（H·Von Helmholtz,1821-1894）揭示出，楞茨定律正是電磁現象符合能量轉化與守恒定律的具體表現。法拉第終于成功了, 如果我們把他1831年成功的實驗與他1825年失敗的實驗, 以及科拉頓等人的實驗進行一下比較, 我們會看到這些實驗有很多相似的地方。那么為什么以往的實驗都失敗了呢？最主要的原因是, 對于電磁感應現

12、象的暫態特性沒有認識。科拉頓、阿拉果等人，包括法拉第在早期都沒有這樣的思想基礎, 而在1831年法拉第對于暫態現象已經有了很深刻的理解和濃厚的興趣。這一年他進行的多項研究課題都涉及暫態現象，而且都需要把不明顯的弱效應變強。如: 對與脆裂現象的研究, 觀察物體在脆裂的瞬間裂痕是如何形成的; 極光對指南針影響的研究, 觀察隨著極光的增加, 指南針指向的變化; 關于聲音振動圖形的研究, 他把各種各樣的液體涂到振動的金屬盤上, 來確定不斷變化的振動怎樣影響液體的運動。這些都使法拉第對變化瞬間出現的情況更加敏感。電磁感應現象與靜電感應現象相比, 它的最大特點就是過程的暫態性, 只有變化的電流, 才能在另

13、一個閉合回路中感應出電流, 正是沒有能夠把握住這一點, 才使前人失去了發現的機遇。其次, 在尋找磁生電的10 年研究中, 法拉第更堅定地認為電與磁的這種聯系一定存在, 他積極地尋找、創造磁生電的條件, 他設法使現象更明顯, 他意識到進行磁產生電流的研究要使用強磁性磁體。1830年前后, 亨利（ J. Henry, 1799-1878 ）等人制成了強馬蹄形電磁鐵, 法拉第所使用的環形軟鐵正是受了他們工作的啟發。法拉第最終的成功主要是由于他：相信自然現象之間普遍聯系的堅定信念；高超的實驗技巧，尤其是變化現象的敏銳捕捉能力；對科學新進展的關注與跟蹤，利用新科學成果，推進研究工作。2. 電磁感應現象3.電磁感應的產生條件產生電磁感應現象的條件，歸根結底，是穿過閉合電路的磁通量發生變化關鍵在“變化”兩字上，這是指穿過閉合電路的磁