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第20章 法拉第和楞次的发现

1819年,丹麦物理学家奥斯特发现了电流能够产生磁场后,不少科学家都曾试图揭开电流能否由磁场的作用产生的谜题。1831年法拉第发现,当处在磁场中的导体作切割磁力线运动时,导体中就会产生电动势,这种现象就是电磁感应。这个电动势叫做感应电动势,导体回路中产生的电流叫感应电流。

法拉第是英国物理学家、化学家,由于他爱好科学研究,专心致志,受到英国化学家戴维的赏识,1813年3月,戴维举荐他到皇家研究所任实验室助手。法拉第主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究,并在这些领域取得了一系列重大发现。法拉第对科学坚韧不拔的探索精神,为人类文明进步的无私献身精神,以及他对科学的杰出贡献,永远为后人敬仰。

法拉第研究最初的冲动就来自奥斯特发现电流的磁效应,他坚信自然是和谐对称的。他认为既然电流具有磁效应,磁场也应该能产生电流。为此,他整整付出了十年宝贵的时间,终于在1831年发现了电磁现象。1831年10月17日,法拉第准备了一根21.6厘米长、10.9厘米厚的圆形磁棒,用61.8米长的铜线绕在一个空的圆筒内,铜线的两端串接一个电流计,铜线是不通电的。他将磁石的一端挨近铜线,电流计的指针不动。他再把磁石完全插入铜线圈内,电流计的指针却突然动起来了。他急忙又把磁石抽了回来,指针又动了一下。电磁感应就这样发现了。科学的发展是众多科学家思想的结晶,今天看来,法拉第发现电磁感应现象及其规律,也曾受益于奥斯特、库仑等科学家的启迪。

任何科学成果都来之不易。千万不要认为观察电磁感应现象很容易,本质规律总是隐藏在千千万万非本质现象之中,要知道法拉第前后用了十年时间,才敏锐地从众多非本质现象中总结出电磁感应定律。我们今天运用比当时先进得多的实验器材,如灵敏度更高的检流计,磁性更强的磁铁等进行实验,才可以观察到电磁感应的发生。

法拉第将整个电磁实验总结为电磁感应,定律如下:

当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时,不论这种变化是什么原因引起的,回路中都会建立起感应电动势,且此感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。数学表达式为:E=nΔ/Δt(其中,n为线圈匝数,Δ/Δt为磁通量的变化率)。

我们不妨做一做法拉第理论的一些实验,以便更好地了解电磁感应现象。假如在导电回路中串接一只灵敏的检流计,导体的一段悬置在强磁铁的磁场中。当导体在磁铁的两极间向下运动时,检流计的指针就发生偏转,这表明导体中产生了电流。当导体在磁场中停止运动时,检流计指针就回到了零点,表明电流消失了。由此可知,感应电流与导体在磁场中的运动有关。

当导体在两极间向上运动时,检流计的指针又产生偏转,不过这次偏转的方向与导体向下运动时的方向正好相反。由此可以得知,导体中感应电流的方向跟导体运动的方向有关。

法拉第发现,在静止的磁场中移动导体或者在静止的导体附近移动磁场,都能在导体中产生感应电动势。他看到,当导体的运动方向或磁场的运动方向改变时,导电回路中感应电流的方向也就随着改变。并且,导体在磁场中运动的速度愈快,检流计偏转的角度也就愈大。

假想在磁场中分布着磁力线,那么导体在磁场中运动,可以看做是“切割”磁场的磁力线。通过实验将会看到,如果导体在磁场中沿着磁力线运动,就没有感应电动势产生,检流计也不会偏转。

实质上,当导体切割磁力线时,与导体匝连的磁通量发生了变化。广义上来说,不论通过什么方式,只要能使导体和磁场之间的相对运动引起匝连导体的磁通量变化时,就会在导体中产生感应电动势。

1833年,楞次在概括了大量实验事实的基础上,总结出一条判断感应电流方向的规律,称为楞次定律:

闭合回路中感应电流的方向,总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。其公式为:E=-d(N)dt(其中E为电感,N是线圈匝数,是磁通量)。

感应电流的效果,总是反抗引起感应电流的原因。

楞次定律充满了辩证法原理,例如因果律、反馈律等,楞次定律实际上是一种正反馈。

使穿过闭合回路所围面积的磁通量增大是形成感应电流的原因,感应电流的效果,总是反抗引起感应电流的原因。所以感应电流产生的磁场使原磁通量减小,即感应电流产生的磁场方向向外。

运用法拉第电磁感应定律时,感应电流方向的判断非常重要。判断其方向可采用如下程序:(1)确定回路的环绕方向,判断穿过闭合回路的磁通量的正负;(2)判断正负,若为正,则感应电流方向与回路环绕方向相反,若为负,则感应电流方向与回路环绕方向相同。

感应电动势的大小取决于以下因素:

(1)磁场的强弱:磁场强,感应电动势大,反之则小。

(2)磁场变化速度:磁场变化速度愈快,感应电动势愈大。

(3)线圈的匝数:线圈匝数愈多,产生的感应电动势愈大。

(4)导体或磁场移动的方向:只有导体和磁场相互切割时,才能产生感应电动势,垂直切割产生的感应电动势最大。