3.7?法拉第發(fā)覺電磁感應(yīng)?1820年起，電磁熱風(fēng)靡亞洲，研究結(jié)果大量發(fā)表，眾說紛紜，真假難辨。1821年德國哲學(xué)學(xué)報(bào)（Annalof）刊物編輯約法拉第寫一篇關(guān)于電磁問題的述評，這件事造成法拉第開始了電磁學(xué)的研究。法拉第當(dāng)時(shí)正在德國皇家研究所做物理研究工作。他原先是文具店學(xué)徒工，從小熱愛科學(xué)，奮發(fā)自學(xué)。因?yàn)槲锢砑掖骶S的幫助，進(jìn)到皇家研究所的實(shí)驗(yàn)室當(dāng)了戴維的助手，1821年受任為皇家研究所實(shí)驗(yàn)室處長。法拉第在整理電磁學(xué)文獻(xiàn)時(shí)，為了判定各類學(xué)說的真假，親自做了許多實(shí)驗(yàn)，其中包括奧斯特和安培的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中他發(fā)覺了一個(gè)新現(xiàn)象：假如在載流導(dǎo)線附近只有吸鐵石的一個(gè)極，吸鐵石都會(huì)圍繞導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)：反之，假如在磁體周圍有載流導(dǎo)線，這導(dǎo)線也會(huì)繞磁體旋轉(zhuǎn)，如圖3－9。這就是電磁旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。與此同時(shí)，法拉第對安培的“分子電壓”理論提出不同見解。他設(shè)計(jì)了一個(gè)演出。取一支玻璃管，在里面纏以絕緣導(dǎo)線，弄成螺線管，水平地半浸于水底。之后在海面上懸浮一只長n極。根據(jù)安培的觀點(diǎn)，載流螺線管對應(yīng)于長條吸鐵石，螺線管的一端相當(dāng)于北極，另一端相當(dāng)南極。n極假如是北極指著螺線管的南極，應(yīng)當(dāng)會(huì)吸向螺線管的南極并停于南極的一端。
法拉第強(qiáng)調(diào)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。他做的實(shí)驗(yàn)是n極的北極繼續(xù)穿過螺線管，直到n極的北極接近螺線管的北極。法拉第論證說，假如n極是單極的，它還會(huì)沿磁力線無休止地運(yùn)動(dòng)下去，如同電磁旋轉(zhuǎn)器那樣。法拉第覺得，和載流螺線管對應(yīng)的不是實(shí)心磁極，而應(yīng)是圓筒形吸鐵石。?安培則指責(zé)說，圓筒形吸鐵石和螺線管并不一樣。根據(jù)他的分子電壓假定，圓筒形吸鐵石中的電壓是一小圈一小圈，而線圈中的電壓是順著大圈的（如圖3－10）。為了證明圓筒形吸鐵石中的電壓是相互抵消的，他當(dāng)街作了一個(gè)演出：把絕緣導(dǎo)線繞許多圈，弄成線圈，在線圈內(nèi)部放一個(gè)用薄銅片弄成的圓環(huán)，取一磁棒放在圓環(huán)近旁，假如銅環(huán)里有宏觀電壓，磁棒都會(huì)驅(qū)使銅環(huán)偏轉(zhuǎn)。否則，只可能有分子電壓。安培的實(shí)驗(yàn)表明銅環(huán)里只有分子電壓。這是1822年的事。假如安培悉心做下去，肯定會(huì)發(fā)覺，在線圈通斷電的頓時(shí)，銅環(huán)里會(huì)出現(xiàn)宏觀電壓。遺憾的是安培一心只是想證明他的分子電壓學(xué)說，竟錯(cuò)過了發(fā)覺電磁感應(yīng)的機(jī)會(huì)。?據(jù)文獻(xiàn)記載①，法拉第在曉得安培的答辯后，也重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。可惜他所根據(jù)的資料把安培的圓環(huán)誤畫為圓盤，所以法拉第重復(fù)了多次沒有得到結(jié)果。其實(shí)，法拉第發(fā)覺電磁感應(yīng)并不是碰巧的機(jī)遇，而是他一貫追求科學(xué)真理的結(jié)果。
他和奧斯特一樣，信奉自然力的統(tǒng)一，早就在找尋“磁生電”的征兆了。從1824年到1828年，法拉第多次進(jìn)行電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)。他仔細(xì)剖析電壓的磁效應(yīng)，覺得電壓與磁的互相作用不僅電壓對磁、磁對磁、電流對電壓，還應(yīng)有磁對電壓的作用。他想，既然電荷可以感應(yīng)周圍的導(dǎo)體使之帶電，吸鐵石可以感應(yīng)鐵質(zhì)物體使之磁化，為何電壓不可以在周圍導(dǎo)體中感應(yīng)出電壓來呢？于是他做了一系列實(shí)驗(yàn)，想找尋導(dǎo)體中的感應(yīng)電壓，其中有：線圈接電瓶通電，一根導(dǎo)線放在線圈近旁，導(dǎo)線兩端接電壓計(jì)構(gòu)成回路。結(jié)果在電壓計(jì)中未發(fā)覺感應(yīng)電壓。令導(dǎo)線穿載流線圈而過，再接于電壓計(jì)，也未發(fā)覺感應(yīng)電壓。再將導(dǎo)線繞成線圈放在載流線圈內(nèi)，尚未發(fā)覺感應(yīng)電壓……。雖然“磁轉(zhuǎn)化為電”的征兆還未找到，法拉第的信念仍然沒有動(dòng)搖。他在實(shí)驗(yàn)日記里多次記錄了不成功的嘗試法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，頑強(qiáng)的意志躍于紙上。1831年8月29日，法拉第總算取得突破性進(jìn)展。此次他是用一個(gè)軟鐵圓環(huán)，環(huán)上繞兩個(gè)相互絕緣的線圈A和B，如圖3－11。法拉第在日記中寫道①：?“使一個(gè)有10對極板，每燴面積為4平方英寸的電瓶充電。用一根銅導(dǎo)線將一個(gè)線圈，或更準(zhǔn)確地說把B邊的線圈的兩個(gè)端點(diǎn)連接，讓鋁線通過一個(gè)距離，正好經(jīng)過一根n極的上方（距鐵圈3公尺遠(yuǎn)）。
之后把電瓶連接在A邊線圈的兩端；這時(shí)立刻觀察到n極的效應(yīng)，它振蕩上去，最后又停在原來的位置上，一旦斷掉A邊與電瓶的連結(jié)，n極再度被擾動(dòng)。”法拉第繼續(xù)試驗(yàn)，注意到假如維持通電狀態(tài)，n極毫無反應(yīng)。法拉第這才猛省，原先這類感應(yīng)現(xiàn)象有特殊性，是和頓時(shí)變化的過程聯(lián)系在一起的。接著，法拉第又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他取來一根木棍，在木棍上繞以線圈，再和電壓計(jì)相接。木棍兩端各放一根磁棒，如圖3－12。當(dāng)磁棒張合之際法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，電壓計(jì)的n極也不斷擺動(dòng)。?一個(gè)月后，法拉第對各項(xiàng)試驗(yàn)作了總結(jié)，向法國皇家學(xué)會(huì)報(bào)告說：形成感應(yīng)電壓的情況可以分為五類：1.變化中的電壓；2.變化中的磁場；3.運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電壓；4.運(yùn)動(dòng)中的吸鐵石；5.運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)線。法拉第只是定性地用文字?jǐn)⑹隽穗姶鸥袘?yīng)現(xiàn)象。1833年楞茨（Lenz）進(jìn)一步發(fā)覺楞茨定則，說明感應(yīng)電壓的方向。1845年才由紐曼（F.E.，1798—1895）以定理的方式提出電磁感應(yīng)的定量規(guī)律，即感應(yīng)電動(dòng)勢為：法拉第對電磁學(xué)的貢獻(xiàn)除了是發(fā)覺了電磁感應(yīng)，他還發(fā)覺了光磁效應(yīng)（也別稱拉第效應(yīng)）、電解定理和物質(zhì)的抗磁性。他在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了力線思想和場的概念，為麥克斯韋電磁場理論奠定了基礎(chǔ)。?①L.P.，Am.J.Phys.54（1986），p.306.①′，Bell，（1932）Vol.1，p.279