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电磁场发展简史

   电和磁的发展简史
 

    电磁学是研究电、磁和电磁的相互作用现象及其规律和应用的物理学分支学科。根据近代物理学的观点,磁的现象是由运动电荷所产生的,因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容。所以,电磁学和电学的内容很难截然划分,而“电学”有时也就作为“电磁学”的简称。
    由于磁现象曾被认为是与电现象独立无关的,同时也由于磁学本身的发展和应用,如近代磁性材料和磁学技术的发展,新的磁效应和磁现象的发现和应用等等,使得磁学的内容不断扩大,所以磁学在实际上也就作为一门和电学相平行的学科来研究了。

下边我们来回顾一下历史看看电和磁的发展。
   人类对“电”的认识,可以追溯到遥远的古代。古希腊人已经知道摩擦过的琥珀能吸引微小的草屑和毛发等。我国古籍中也有“琥珀拾芥”的记载。之后很长时间没有什么大的进展。直至十七世纪初,英国女王伊丽莎白的御医吉尔伯特发现,除了琥珀以外,像玻璃、硫磺等东西,跟丝绸摩擦,也能吸引轻而小的物体。他把这种现象叫做“电”。在英文中,“电”这个词就是吉尔伯特借用了希腊文里的“琥珀”而产生的。
     吉尔伯特还把电现象和磁现象加以比较,指出了这两种现象的区别。例如,他指出:磁是磁体本身具有的一种性质,它只对铁类物质产生力的作用;而电则需要通过摩擦才能得到,并且可以吸引任何轻小的物体。他仔细地对比了电现象和磁现象后断言,电和磁是两种截然不同的现象,它们之间没有什么关系。此后,许多科学家都认为电和磁没有什么关系。电和磁之间到底有没有联系呢?

奥斯特的发现

    尽管古尔伯特断言电和磁是没有什么联系的,后来甚至还有一些著名的科学家,例如,一生热心于研究电现象和磁现象的库仑也曾证明过电和磁不可能有什么联系。但是,电和磁是不是有联系这个问题却一直是某些科学家们探索的课题。可是奥斯特一直相信电、磁、光、热等现象相互存在内在的联系,尤其是富兰克林曾经发现莱顿瓶放电能使钢针磁化,更坚定了他的观点。当时,有些人做过实验,寻求电和磁的联系,结果都失败了。奥斯特分析这些实验后认为:在电流方向上去找效应,看来是不可能的,那么磁效应的作用会不会是横向的? 
    在1820年4月,有一次晚上讲座,奥斯特演示了电流磁效应的实验。当伽伐尼电池与铂丝相连时,靠近铂丝的小磁针摆动了。这一不显眼的现象没有引起听众的注意,而奥斯特非常兴奋,他接连三个月深入地研究,在1820年7月21日,他宣布了实验情况。 
    奥斯特将导线的一端和伽伐尼电池正极连接,导线沿南北方向平行地放在小磁针的上方,当导线另一端连到负极时,磁针立即指向东西方向。把玻璃板、木片、石块等非磁性物体插在导线和磁针之间,甚至把小磁针浸在盛水的铜盒子里,磁针照样偏转。
    奥斯特认为在通电导线的周围,发生一种“电流冲击”。这种冲击只能作用在磁性粒子上,对非磁性物体是可以穿过的。磁性物质或磁性粒子受到这些冲击时,阻碍它穿过,于是就被带动,发生了偏转。
    导线放在磁针的下面,小磁针就向相反方向偏转;如果导线水平地沿东西方向放置,这时不论将导线放在磁针的上面还是下面,磁针始终保持静止。 他认为电流冲击是沿着以导线为轴线的螺旋线方向传播,螺纹方向与轴线保持垂直。这就是形象的横向效应的描述。 奥斯特对磁效应的解释,虽然不完全正确,但并不影响这一实验的重大意义,它证明了电和磁能相互转化,这为电磁学的发展打下基础。
    消息传开:,不少人重复了奥斯特的实验,并得到同样的结果。以前人们只知道磁铁能使磁针偏转,那是因为磁铁具备磁性;奥斯特的实验使人们确信;电流也能使磁针偏转,也具有磁性,达就足说,电能产生磁。
从前,电和磁是互不相关的两种现象,现在发现了电能产生磁,看来,电和磁之间是有联系的。人们自然要想到:“磁能不能产生电呢?”不少科学家提出了这个激动人心的问题。
安培的成功与失败
    安培比奥斯特大两岁,当他得知奥斯特的实验以后,立刻意识到实验结果的重要性。他不但重复了奥斯特的实验,还发展了奥斯特的实验。他将两根直导线平行地挂起来,然后同时通以电流,他发现当这两根平行的直导线中通过的电流方向相同的时候,这两极导线就互相吸引;如果通过的电流的方向相反,这两根导线就互相推斥。他再换用两个通电的活动线圈来做实验,也观察到相同的结果。于是他得出结论:电流不但对磁针产生磁力的作用,电流对电流也产生磁力的作用。
    电流产生的磁力大小跟哪些因素有关系呢?安培通过实验来研究,同时又用数学来证明这个问题。最后,他得出结论:就每一小段电流而言,它在离开它距离为r远的地方所产生的磁力,跟r的平方成反比,这就是著名的安培定律。安培定律的磁力跟距离的关系,和人们已经知道的库仑定律,也就是两个点电荷之间的电力和这两个电荷之间距离的平方成反比,是何等相似呀!
    值得指出的是:安培在获悉奥斯特的发现之后,就集中力量研究电流之间的相互作用,并在不到三个月的时间内,就得到了以他的名字命名的安培定律,这是安培的一大成就。
    奥斯待的发现和安培的成就,当然更促使人们去进一步探索电与磁之间的关系,去研究磁能不能产生电的问题。
    安培也想到这个问题,他设想用强电流通过线圈,从而在线圈附近产生磁力,然后再利用这个磁力来产生电。在1821年,四十六岁的安培就按这个想法在法国的巴黎做了实验。他用导线在一个绝缘的圆筒上绕上很多匝,做成了一个线圈。线圈绕上很多匝的目的,是想在通以电流的时的线圈产生的磁力强一些。他又用铜导线做了一个小线圈,这个小线圈的大小做得使它在大线圈里刚好能自由转动,再用一根细的悬丝把这个小线圈吊起来,并使大小线圈的平面互相平行。
    他想,当大线圈中通过强电流的时候,这个强电流的磁就能在小线圈中产生电流,当然,在小线圈中产生的电流可能很弱。为了检验这个弱电流的存在,他想用一块磁铁靠近小线圈,使它发生偏转。因为有电流的小线圈相当于一个磁体,将与磁铁相互作用。一切准备好以后实验开始了,他先将大线圈接上电源,然后拿一块磁铁靠近小线圈,结果使他失望,小线圈并没有发生偏转。他认为,这是因为磁铁不大(当然磁性也弱)、小线圈中电流不够强,也就是实验装置的灵敏度不够的缘故。
    1822年,安培来到了瑞士的日内瓦。在日内瓦,有一块磁性强的大磁铁,他请当地的二十一岁的物理学家德拉里夫帮助,重做那个实验。事后他说,在大线圈中有强电流通过的时候,强磁铁似乎使小线圈偏转了;而当大线圈中没有电流的时候,小线圈又恢复到原来的位置。但是,他的这个说法并没有被世人接受,而他的研究兴趣,也转移到了另外的课题上,于是对于这一问题的研究,安培以失败告终。
科拉顿“跑”失良机
    1825年的一天,日内瓦年轻的物理学家德拉里夫的助手科拉顿正在实验室里做“磁生电”的实验。
    科拉顿的实验是这样做的:他用导线绕成一个线圈,再用一只灵敏的电流计来检查线圈中是否有电流存在,如果线圈中有电流,跟线圈连在一起的灵敏电流计的指针就会偏转。他不象安培那样,用通过强电流的大线圈来产生磁场,而是直接用一个磁铁来产生磁场。他想,当这个磁铁插进线圈的时候,可能会在线圈中产生电流。由于灵敏电流计的指针是很容易摆动的,为了避免磁铁对灵敏电流计的影响,他把灵敏电流计放到另外一个房间里,然后用导线将灵敏电流计跟隔壁房间里的线圈连接。周围没有人,没有一点声响,科拉顿似乎听到自己心脏的跳动,他稳定一下自己的情绪,将一块磁铁插进了线圈,然后放下磁铁,让它留在线圈里,迅速奔向另一个房间。当他跑到灵敏电流计面前的时候,灵敏电流计的指针仍然停在零点位置,他没有看到他所期望的指针偏转的现象。
    在科拉顿从一个房间奔向另一个房间的过程中,指针偏转的现象早已经结束了。多可惜啊!他就这样跑来跑去,不仅辛苦,而更重要的是,失去了观察到指针偏转的良机。有人说,这是一次“遗憾的失败”。因为科拉顿如果有个助手在另外那间房里,或者科拉顿就把电流计放在同一间房里看得见的地方,那么成功的桂冠肯定是属于科拉顿的。那磁产生电的问题就可能提前六年得到答案。这样,发现电磁感应现象的荣誉将不属于法拉第,而是落在二十三岁的科拉顿头上了。
     有人说,这是一次“真正的失败”。因为科拉顿没能转变思想,没有从“稳态”的猜想转变到“暂态”的考虑上来,所以他想不到请个助手帮一下忙、或者把电流计拿到同一间房里来。事实也正是如此,法拉第总结了别人和他自己以前失败的教训,他决定不再固守“稳态”的猜想,终于在1831年8月,观察到了电磁感应现象。科拉顿只能留下永远的遗憾。
法拉第的成功
    奥斯特的论文发表后,在欧洲科学中引起了强烈的反响,投入了大量的人力、物力对电磁现象进行研究。既然电与磁有密切关系,电能产生磁,那么很自然地会想到它的逆效应;“磁能产生电”吗?为此科学家们开始进行了长期的实验探索。自1820年至1831年的十多年间中,当时许多著名的科学家,如安培、菲涅耳、阿拉果、德拉里夫等一大批科学家都投身于探索磁与电的关系之中,他们用很强的各种磁场试图产生电流,但均无结果,究其原因是抱住稳态条件不放,而没有考虑暂态效应,因此十余年中研究进展不大。
     在这其间,法拉第(M.Faraday,英,1791-1867)受命于他的老师戴维(H.Davy)也开始转向电磁学方面的研究。他仔细分析了电流的磁效应等现象,认为电流与磁的作用应分几个方面:那就是电流对磁、电流对电流,磁对电流等。现在已经发现了电流产生磁的作用,电流对电流的作用,那么反过来,磁也应该能产生电。法拉第认为既然磁铁可以使近旁的铁块感应带磁,静电荷可以使近旁的导体感应出电荷,那么电流也应当可以在近旁的线圈中感应出电流。他本着这种信念,在发现电磁感应现象之前六年的日记中就写下了他的光辉思想:“磁能转化为电”。并使用了“感应”(Induction)这个词,可见他对于电磁感应的存在是坚信不疑的。但如何从实验中去发现这种感应现象,却非易事。起初,法拉第也简单地认为用强磁铁靠近导线,导线中就会产生稳定的电流,或者在一根导线里通以强大的电流,那在邻近的导线中也会产生稳定的电流,他作了大量的试验,但均以“毫无结果”而告终。
     法拉第经过十年的试验、失败、再试验、再失败,于1831年夏又重新回到磁产生电流这一课题上来,终于取得了突破性的进展。1931年8月29日法拉第发现了电磁感应的第一个效应,即以一个电流产生另一个电流。关于这一实验,法拉第的日记中作了详细记载,现摘录如下

1831年8月29日
1.关于磁生电的实验等等,等等。
2.将一个软铁作一个厚7/8英寸,外径6英寸的园铁环。在园环的半边,绕上三根纱包钢线,每根铜线长为24英尺,绕匝之间用麻线和白布包裹、隔开。使用时,既可将三根导线连成一根,也可以三根单独使用。用电池试验时,这三根导线彼此是绝缘的。我们将铁环的这半边叫做A,隔开一定间隔,在圆环的另一边,绕上两根总长为60英尺的两根铜导线,绕行方向与A边线圈相同,这边我们叫做B。
3.用由10对4平方英寸的金属片组成的电池供电。用一导线将B边线圈的两端连接起来,铜线放在离铁环3英尺远处的一个磁针的上方。然后把A侧的一个线圈与电池接通。接通时,小磁针立即产生一明显的效应,小磁针来回摆动,最后又停在原来的位置上。当断开A边与电池的连线时,小磁针再次出现扰动……”
这是法拉第首次获得成功的实验。他对于这个实验的评价,在9月23日给他的朋友的信中是这样写的:“我正再度忙着研究电磁学。我想,我捞到了一点好东西,可是没有把握,或许我花费了那么多的劳动,捞到的不是一条鱼,而是一团水草。”其实,何止是一条鱼,这不仅是十九世纪的伟大发现,也是整个科学史上一个伟大的划时代的发现。法拉第是多么的谦虚、多么的谨慎啊!
法拉第又想,上面的实验中如果不用铁芯能不能产生电流呢?接着,他做了这样一个实验。
在一个木筒上绕上两个沙包钢线的线圈,他将一个线圈与电流计连接,另一个线圈与电池连接,他发现在电池接通和断开的瞬间,电流计的指针同样会发生偏转的现象。
法拉第进一步想,上面的实验都是用电流(有电源)来产生电流的,能否不用电流直接用磁铁的磁性来产生电流呢?
法拉第在9月24日做了下面的实验。
用纱包铜线在一根铁质圆柱体上绕上许多圈,并用导线将线圈跟一只电流计连接起来,将铁质圆柱体放在两根条形磁铁的两个磁极之间。他发现每当铁质圆柱体跟磁极接触或者分离的时候,电流计的指针就偏转一下,并且很快又回到原来的位置。这时法拉第已经意识到,磁感应出电是一种“暂态”现象,只能在磁场发生变化和相对运动的时候才能发生。
10月17日,法拉第又做了一个与科拉顿相类似的实验。他在一个纸筒上绕上一个线圈(即螺线管),将线圈与一只电流计连接起来,然后把磁铁迅速插入螺线管,发现了电流计指针偏转再迅速把磁铁拔出,电流计指针又有偏转,并且偏转的方向相反。
法拉第“把磁转变成电”的理想变成了现实。为了同伏打电池产生的电有所区别,人们把这种由于磁感应产生电的现象叫做“电磁感应”现象。
由于法拉第在探索电磁感应过程中,逐步地认识到了磁感应生电是个暂态效应,所以当他重复做科拉顿的实验的时候,立即看到了电流计指针的偏转。
1831年,四十岁的法拉第发观了电磁感应现象,开辟了电学史上一个新的纪元,电磁理论正是在这些实验的基础上才有了新的突破,电气设备也是在这个实验的基础上才获得了很多的发展。
法拉第曾经说道这样一段活:“自然哲学家应当是这样一种人,他愿意倾听每一种意见,却下决心要自己作出判断。他应当不被表面现象所迷惑,不对某一种假设有偏爱,不属于任何学派,在学术上不盲从大师。他应该重事不重人。真理应当是他的首要目标。如果有了这些品质,再加上勤勉那么他确实可以有希望走进自然的圣殿。”
由于他在科学上的成就,人们钦佩法拉第,赠给他的各种学位头衔达九十四个之多。思格斯称赞法拉第是“迄今为止最伟大的电学家。”而法拉第对自己的评价却仍然是:一个平凡的迈克尔•法拉第。
 

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