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电磁感应的伟大发现
１９世纪最伟大的实验科学家当推英国的法拉第。１８２１年,法拉第成功地使一根小磁针绕着通电导线不停地转动。这使他相信,电流对磁铁的作用力本质上是圆形的。事实上,这个装置就是历史上的第一台电动机,虽然它还只是玩具,但不久就改变着世界。法拉第也象许多其他科学家一样,相信不仅有电流的磁效应,而且也有磁的电流效应。
１８２４年,他曾设计了一个实验以检验这种效应。他让两根导线平行放置,然后在一根导线中通电,看看另一根导线中会不会有电流感应。他当时希望看到导线中产生稳定的电流,结果瞬间的电流感应未被他注意。以后多次实验均无结果。
１８３１年,他又设计了一个新的实验。他在一个软铁环上绕了两段线圈,一段线圈与电池相连,另一段则与电流计相连。这时他发现,当电池接通时,电流计产生强烈的振荡,但不久回复到零位置,当电池断开时,电流计又发生同样的现象。他将与电流计相连的线圈绕在一个铁圆筒上,又发现每当磁铁接近或离开圆筒时,电流计都有短暂的反应。这表明,磁确实可以产生电,虽然只是短暂的。同年１０月１日,法拉第又将两根绝缘铜线分别绕在同一根木头上,形成两组线圈,一组与电流相连,另一组与电池相连。情况依旧,当电池接通或断开时,电流计指针跳动,随后就回到零位。法拉第进一步发现,仅仅用一根永磁棒插入或拔出线圈,就能从与线圈相连的电流计中发现指针偏转。他已经用实验证明了感生电流的存在。
感生电流的发现有着重大的意义,它意味着通过连续的运动磁体可以不间断地得到电流。据说法拉第本人很快就做了一个模型发电机。电动机和发电机的问世预示着人类电气时代的到来。
１８３４年,法拉第发现了自感现象。单独一个线圈在接通或断开电流的一瞬间总会产生一个很强的“额外”电流,这个额外电流在断电时与原电流方向相同,试图加强它,在通电时与通电电流方向相反,试图反抗它。应该提到,另外还有一个人与法拉第同时作出了电磁感应的伟大发现,他就是美国物理学家亨利。１８２７年,亨利因为试制电磁铁而发现了自感现象,１８３０年,他又初步发现了电流引起的磁场在通电或断电时能产生瞬间的电流。亨利的实验时间均在法拉第之前,但他的实验结果一直没有发表,人们还是将电磁感应现象的发现归功于法拉第。这本来也是历史的公正。法拉第不仅独自发现了电磁感应现象,其研究的深度和广度无人能及,而且运用他自己创造的“场”和“力线”概念,建立了电磁感应定律。
在法拉第以前,人们已经发现了许多物理作用力不是直接接触实现的。如牛顿的万有引力、库仑的静电力、磁极之间的作用力,以及新近发现的电流之间的磁作用力等,而且它们均遵守距离的平方反比关系。牛顿本人相信,引力是即时作用即既不需要传播媒介也不需要时间,是一种超距作用,后来的科学家均持有这种观点。法拉第却认为,电磁作用力均需要媒介传递,因为他从实验中得知,电介质影响带电体之间的电磁作用,因此,他设想带电体或磁体周围有一种由电磁本身产生的连续的介质,来传递电磁相互作用。他把这种看不见、摸不着的介质叫做“场”。为了直观地显示“场”的存在,他又引入了“力线”的概念。电力线或磁力线由带电体或磁体发出,散布于空间,作用于其中的每一电磁物体。演示磁力线的实验今天已经家喻户晓,将铁屑撒在一张纸上,纸下放一块磁铁,轻轻弹动这张纸,纸上的铁屑就会排成一个规则的图形。法拉第认为,铁屑所排成的形状就是磁力线的形状。有了力线的概念,法拉第就能够进一步解释电磁感应现象。他在发表于１８５１年的《论磁力线》一文中说,只要导线垂直地切割磁力线,导线中就有电流产生,电流的大小与所切割的磁力线数成正比。这就正式将电磁感应现象确立为一条定律。
早在１８３２年,法拉第就提到电力和磁力的传播需要时间,他认为,磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动。打算把振动理论应用于磁现象,就像对声音所作的那样,而且这也是光现象最可能的解释。实际预言了电磁波的存在。１８４５年,法拉第发现了磁的旋光效应即著名的法拉第效应。次年,他又提出光的本性是电力线和磁力线的振动。这一看法后来被麦克斯韦发展成为光的电磁说。