13.3

電磁感應現象及應用

1.劃時代的發現

偉大的物理學家法拉第偉大的物理學家法拉第英國物理學家。十三歲時，他就到一家裝訂和出售書籍的鋪子里當學徒。這為他讀書創造了條件。他的老板也鼓勵他讀書，后來有一位顧客送給他一些倫敦皇家學院講演的聽講證。1812年冬季，他來到了倫敦皇家學院，要求和著名的院長戴維見面談話。作為自薦書，他帶來了聽戴維講演時記下的筆記。筆記裝訂得整齊美觀，給戴維留下了很好的印象。戴維正好缺少一位助手，不久他就雇用了他。1821年受任為皇家研究所試驗室主任。偉大的物理學家法拉第法拉第所研究的課題廣泛多樣，按編年順序排列,有如下各方面：鐵合金研究（1818－1824）；氯和碳的化合物（1820）；電磁轉動（1821）；氣體液化（1823，1845）；光學玻璃（1825－1831）；苯的發明（1825）；電磁感應現象（1831）；不同來源的電的同一性（1832）；電化學分解（1832年起）；靜電學，電介質（1835年起）；氣體放電（1835年）；光、電和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；"射線振動思想"（1846年起）；重力和電（1849年起）；時間和磁性（1857年起）。在大約1830年以前，法拉第主要是一位化學家。1827年出版了六百多頁的巨著《化學操作》。那時他已成為很有成就的專業分析化學家和實際顧問，已贏得了國際聲譽。偉大的物理學家法拉第1830至1839年是法拉第成就最大的時期，是對現代電學發現作出貢獻的第一流科學家。1821年他對奧斯特發現的電流磁作用的研究，導致他十年后的重大發現。1924年，當選為英國皇家學會會員；1925年任皇家學院實驗室主任。法拉第一生發明極多，他發現了電磁感應現象，建立了電磁感應定律；發明了第一臺電動機和發電機；發現了電流的化學作用的規律，即法拉第電解定律；提出了電場和磁場等重要概念；1845年，他發現了抗磁性；他的巨著《電學的實驗研究》中有三千多個條目，成功與失敗的實驗16041個。法拉第一生熱衷科學事業，不好功名利祿。英國女王曾多次想對他封爵，都被他謝絕；晚年，英國首相想給他每年300英鎊的退休金時，被他推辭；1858年英國史學家廷德爾提議讓他擔任皇家學會會長，他也堅決推辭。2.產生感應電流的條件

法拉第發現電磁感應從1824年到1828年，法拉第做了無數次電磁效應實驗，收集了各種電磁實驗的資料，經仔細分析思考，他認為既然有電流對磁、磁對磁、電流對電流的相互作用，那么為什么就沒有磁對電的作用呢？于是他確信“由電能產生磁，由磁也能產生電”。為此，法拉第堅持了長達10余年的苦心實驗研究。日復一日的實驗、思考、總結和改進。例如他先將磁鐵放入一個線圈內，再將線圈兩端接在檢流計上，未發現指針偏轉等。實驗一：1828年如圖，右側為一銅線圈，左側為一平衡球，中間用線懸掛起來。然后在右側銅線圈內放一條形磁鐵,他認為這時線圈內應產生感生電流，然后再用另一塊磁鐵靠近銅線圈，線圈就會轉動。但什么現象也沒發生。這時，英國物理學家斯特金發明了電磁鐵，即在一塊原來沒有磁性的軟鐵上繞以導線，通電以后，軟鐵就成了具有強磁性的磁鐵。后來，美國物理學家亨利改進了斯特金的電磁鐵，用彼此絕緣的銅導線代替銅裸線，制成能吸引三百千克鐵的電磁鐵。這些對法拉第的進一步研究有一定的啟發和幫助。實驗二：1831年8月29日，法拉第又進行了一個新的實驗：他用軟鐵做成右圖所示的環，其上繞有A、B兩線圈，B線圈接檢流計，A線圈和十個電池組連接，當接通或斷開電源時，發現電流計指針擺動。當維持通電狀態時，指針則無反應。法拉第稱之為“伏打電感應”。這時法拉第才認識到，磁感應現象是和變化聯系在一起的實驗三：如圖：當上下方磁棒張合之際，電流計指針也不斷擺動。實驗四：1831年10月17日，法拉第將220英尺的銅線分層繞在一個用紙做的空心圓筒上，繞了八個線圈，再連成一個大線圈，接到檢流計上，然后將一大的長圓形磁鐵棒插入到圓筒中，結果指針擺動了，他不由自主的急忙將磁鐵棒從圓筒中抽出來，檢流計指針又擺動了一下。法拉第得出結論：“要產生感生電流，磁鐵必須運動。”后來，法拉第又發現無論是磁鐵還是線圈運動，都產生電流。1831年11月24日，法拉第總結了一系列實驗研究，向英國皇家學會提交了論文。后來概括出五類情況可以產生感生電流：

①變化著的電流；

②運動的恒穩電流；

③變化的磁場；

④運動的磁鐵；

⑤在磁場中運動的導體。

在此基礎上，法拉第發明了人類歷史上第一臺感應發電機。只要通過閉合導體回路的磁通量發生變化,閉合導體回路中就會產生感應電流。在法拉第工作的前后，還有不少物理學家從事電磁感應的研究：瑞士物理學家科拉頓在1825年曾做過類似上述法拉第實驗6的實驗，他用一塊磁鐵在螺線管中移動，觀察線圈中是否有感生電流產生。為了排除磁鐵對靈敏電流計的影響，他把很長的導線把連接于螺線管的電流計放在另一個房間，他在兩個房間跑來跑去進行實驗和觀察，因此未能觀察到磁電感應現象。他同樣沒想到效應的暫態性。1830年，美國物理學家亨利曾先于法拉第發現電磁感應現象，但他沒有立即發表實驗結果。1832年，俄國物理學家楞次受法拉第啟發，開始做這方面的研究，并發現了感應電流方向的規律。小結當法拉第在演示他的電磁感應現象