汪小平

(銅陵市第一中學(xué) 安徽 銅陵 244000)

胡小龍

(銅陵市實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué) 安徽 銅陵 244000)

1820年奧斯特的發(fā)現(xiàn)第一次揭示了電能產(chǎn)生磁，從而開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域.從發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)之日起人們便關(guān)心它的逆效應(yīng)：既然電能產(chǎn)生磁，磁是否也能產(chǎn)生電？針對(duì)磁生電問(wèn)題盡管人們作出了很多努力，然而很多人都以失敗而告終.

1 安培的“自信”

1822年，法國(guó)著名物理學(xué)家安培做了一個(gè)本可以發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，將一個(gè)圓形線(xiàn)圈豎直放置(圖1中的DRE，F(xiàn)和B是線(xiàn)圈的引線(xiàn))，在線(xiàn)圈中懸掛起一個(gè)小活動(dòng)銅環(huán)(圖1中的HIG)，并且有一塊馬蹄形磁鐵靠在附近，當(dāng)線(xiàn)圈接通電流時(shí)，發(fā)現(xiàn)銅環(huán)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后慢慢還原.

圖1 安培的實(shí)驗(yàn)

很顯然，電磁感應(yīng)現(xiàn)象已經(jīng)展示在安培的面前,但是,當(dāng)時(shí)安培卻沒(méi)有認(rèn)識(shí)到該實(shí)驗(yàn)的重大意義，他甚至在報(bào)告中寫(xiě)道:“感應(yīng)能夠產(chǎn)生電流的事實(shí)本身很有趣，但它與電動(dòng)力的總體理論是無(wú)關(guān)的.”[1]顯然,安培對(duì)于自己的理論太過(guò)于“自信”，對(duì)電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象沒(méi)有認(rèn)真對(duì)待，以至于使他與電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)失之交臂.

2 阿拉果的“困惑”

1822年在英國(guó)格林威治的一座小山上，阿拉果與洪堡在測(cè)量地磁強(qiáng)度時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)磁針附近的金屬物體對(duì)磁針的振動(dòng)有阻尼作用，但是當(dāng)時(shí)阿拉果并不能解釋該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也沒(méi)有重視該實(shí)驗(yàn)，直到兩年以后阿拉果才認(rèn)識(shí)到該實(shí)驗(yàn)的重要意義[2].因此阿拉果在1824年又重新設(shè)計(jì)了一個(gè)新的“銅圓盤(pán)”實(shí)驗(yàn)：他將一個(gè)銅圓盤(pán)裝在一個(gè)垂直軸上，讓其可以自由旋轉(zhuǎn)，在銅圓盤(pán)上方懸吊一根可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖2所示.他發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁針跟著一起旋轉(zhuǎn)，但稍有滯后；反之，當(dāng)磁針旋轉(zhuǎn)時(shí)，銅盤(pán)也隨之旋轉(zhuǎn)，此即著名的“阿拉果圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)”[2].

圖2 阿拉果圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)

阿拉果圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)一方面引起了電磁學(xué)界的轟動(dòng)，另一方面他們對(duì)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也很“困惑”，因?yàn)閷?duì)于剛剛發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的科學(xué)界來(lái)說(shuō)，是無(wú)法解釋該“圓盤(pán)”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的，因此又把阿拉果的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)稱(chēng)之為“神秘的實(shí)驗(yàn)”[3].

實(shí)際上阿拉果圓盤(pán)的電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象是由渦流引起的典型的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但是該實(shí)驗(yàn)主要觀(guān)察到圓盤(pán)的力學(xué)效應(yīng)，它并沒(méi)有直接觀(guān)察到電流的電學(xué)效應(yīng)，因而未能把它和磁生電現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，只感到它們是無(wú)從理解的新現(xiàn)象.直到1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象并深入地研究后，阿拉果圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)才被揭示.值得一提的是阿拉果圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)對(duì)后面法拉第發(fā)現(xiàn)直流發(fā)電機(jī)原理也起到了重要作用.

3 科拉頓的“遺憾”

1825年，瑞士物理學(xué)家科拉頓進(jìn)行過(guò)一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，如圖3所示,他把磁鐵插入螺線(xiàn)管中或從其中拔出，想看看由此閉合的螺線(xiàn)管是否產(chǎn)生感應(yīng)電流.由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有電流計(jì)，需要用小磁針來(lái)判斷導(dǎo)線(xiàn)中是否存在電流，為了避免磁鐵棒和小磁針之間的影響，他把小磁針?lè)诺搅烁舯诘姆块g來(lái)觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.每次科拉頓把磁鐵棒插入(拔出)螺線(xiàn)管后再到鄰屋觀(guān)看小磁針是否偏轉(zhuǎn)，結(jié)果毫無(wú)動(dòng)靜.實(shí)際上，科拉頓已經(jīng)設(shè)計(jì)出了產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，但是由于觀(guān)察和操作不當(dāng)，成功仍然與其擦肩而過(guò)，可謂是十分的“遺憾”.

圖3 科拉頓實(shí)驗(yàn)示意圖

4 法拉第的“堅(jiān)持”

1821 年，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)把法拉第吸引到電學(xué)研究的領(lǐng)域：他一個(gè)朋友請(qǐng)他為《哲學(xué)雜志》寫(xiě)一篇關(guān)于奧斯特的發(fā)現(xiàn)公布以來(lái)電磁理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展的綜述文章.對(duì)該課題的調(diào)研立即喚起了他對(duì)電磁現(xiàn)象研究的巨大熱情.因此法拉第思考，既然電流能產(chǎn)生磁，磁也應(yīng)該能產(chǎn)生電流.1823年以后法拉第做了一系列實(shí)驗(yàn)，企圖找到由電生磁的方法，然而均以失敗告終，主要原因在于他在實(shí)驗(yàn)中使用的都是恒定電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，看看這樣的磁場(chǎng)是不是會(huì)在某個(gè)電路產(chǎn)生電流.

雖然經(jīng)歷了多次的失敗，法拉第并沒(méi)有被失敗所打倒，以其堅(jiān)忍不拔的毅力，把實(shí)驗(yàn)持續(xù)堅(jiān)持做了下去，直到1831年8月29日，法拉第又進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn).他實(shí)驗(yàn)的日記記錄如下[4]：

1831年8月29日

(1)從磁產(chǎn)生電的實(shí)驗(yàn)，等等.

(3)一個(gè)由 10 對(duì) 4 平方英寸極板組成的電池充電，B側(cè)線(xiàn)圈連接成一個(gè)線(xiàn)圈，末端用銅線(xiàn)連接.銅線(xiàn)恰好伸到不遠(yuǎn)處一個(gè)小磁針(距離圓環(huán)3英尺)的上方，然后把 A 側(cè)一段線(xiàn)圈的末端與電池連接，小磁針立刻產(chǎn)生一個(gè)可察覺(jué)的效應(yīng)，擺動(dòng)以后回歸到原來(lái)位置，斷開(kāi) A 側(cè)與電池連接的時(shí)候，小磁針又會(huì)擺動(dòng).

法拉第圓環(huán)實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖4所示，該實(shí)驗(yàn)所展示的就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但是法拉第并沒(méi)有立即明白其中的道理.這在他同年9月的一封信中有所表露[5]：“他認(rèn)為自己在研究中抓住了一些好東西，但是還不能說(shuō)明白，認(rèn)為這可能是雜草而不是魚(yú)，但他有決心，要竭盡全力，終究可以把它拉起來(lái).”

圖4 法拉第圓環(huán)實(shí)驗(yàn)示意圖

法拉第進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了該實(shí)驗(yàn)的成功因素，并在此基礎(chǔ)上做了大量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，希望可以發(fā)現(xiàn)磁生電現(xiàn)象背后的規(guī)律.他發(fā)現(xiàn)只要回路中電流發(fā)生變化，就會(huì)有電磁感應(yīng)現(xiàn)象.同年9月24日法拉第將線(xiàn)圈繞在一根鐵棒上，連接電流計(jì)，并把鐵棒放在兩根條形磁鐵的中間，他發(fā)現(xiàn)拉動(dòng)鐵棒時(shí)電流計(jì)指針將會(huì)擺動(dòng)，如圖5所示.10月17日，他將一個(gè)螺線(xiàn)管與電流計(jì)連接，將一根條形磁鐵插入螺線(xiàn)管中來(lái)回拉動(dòng)磁鐵時(shí)，指針也會(huì)左右擺動(dòng)[6]，如圖6所示.10月28日，法拉第將銅盤(pán)置于馬蹄形磁鐵之間，從銅盤(pán)軸心和邊緣引出導(dǎo)線(xiàn)與電流計(jì)連接，使銅盤(pán)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)有持續(xù)的電流通過(guò)電流計(jì)，如圖7所示，這其實(shí)是世界上第一臺(tái)原始的直流發(fā)電機(jī)[6,7]. 通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)法拉第終于發(fā)現(xiàn)了作為電流磁效應(yīng)的逆效應(yīng)——電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并且認(rèn)識(shí)到電磁感應(yīng)是一種在變化和運(yùn)動(dòng)中才出現(xiàn)的非恒定的暫態(tài)效應(yīng).

圖5 鐵棒拉進(jìn)或拉出，電流計(jì)指針有擺動(dòng)

圖6 條形磁鐵插入或抽出螺線(xiàn)管，電流計(jì)指針有擺動(dòng)

圖7 法拉第圓盤(pán)發(fā)電機(jī)

1831年11月24日，法拉第在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)宣讀了他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的論文，即《電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》第一輯中的4篇論文，題目分別為《論電流感應(yīng)》《論從磁產(chǎn)生電》《論物質(zhì)的一種新的電狀態(tài)》和《論阿拉果的磁現(xiàn)象》[8].法拉第根據(jù)他所做的實(shí)驗(yàn)把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況概括成5類(lèi)[6]：(1)變化中的電流；(2)變化中的磁場(chǎng)；(3)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流；(4)運(yùn)動(dòng)中的磁鐵；(5)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)線(xiàn).至此，法拉第把他的發(fā)現(xiàn)正式命名為電磁感應(yīng).

5 亨利的 “忙碌”

早在1830年8月美國(guó)物理學(xué)家亨利已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了感應(yīng)原理，即一個(gè)線(xiàn)圈里的電流怎樣通過(guò)產(chǎn)生磁場(chǎng)而使另一個(gè)線(xiàn)圈里出現(xiàn)電流.當(dāng)時(shí)亨利在奧爾巴尼學(xué)院擔(dān)任數(shù)學(xué)教授，一方面由于缺少實(shí)驗(yàn)用房，他的研究是在學(xué)院大廳進(jìn)行的；另一方面由于“繁重”的教學(xué)任務(wù)使其只能在每年的8月(學(xué)校放假期間)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，于是在1830年的8月底，亨利便匆忙地結(jié)束了他的研究，準(zhǔn)備留待第二年8月繼續(xù)實(shí)驗(yàn).轉(zhuǎn)眼到了1831年的8月，亨利此時(shí)準(zhǔn)備好了一系列詳盡無(wú)遺的實(shí)驗(yàn)，他開(kāi)始做了一塊大很多的磁鐵，還做了一個(gè)大“卷筒”，目的是想得到一架能大量做功的機(jī)器——他在為做一架直流發(fā)電機(jī)而努力，但是在他實(shí)驗(yàn)做完之前假期又結(jié)束了，他不得不投入到繁重的教學(xué)活動(dòng)當(dāng)中.很快到了1832年的6月，亨利偶然在一本雜志上看到了一段話(huà)，說(shuō)到法拉第已經(jīng)證明了磁能產(chǎn)生電，但是亨利當(dāng)時(shí)也不清楚法拉第比他領(lǐng)先多大的程度，他立即利用他的舊儀器重復(fù)了一些實(shí)驗(yàn)，并且急忙寫(xiě)出一篇論文，發(fā)表在1832年7月《美國(guó)科學(xué)雜志》上，該文章包含了他聽(tīng)到的法拉第之前的實(shí)驗(yàn)，也包含了他之后做的實(shí)驗(yàn)[5]，很顯然亨利是先于法拉第完成了關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)，但是法拉第卻首先公布，亨利的“忙碌”使其錯(cuò)失了“先機(jī)”.

6 后人的“啟示”

從1820年奧斯特的電生磁到1831年法拉第的磁生電，雖然只有短短的十幾年，但是這可是電磁學(xué)發(fā)展史上關(guān)鍵性的十幾年，梳理這十幾年電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，給我們后人帶來(lái)了很多有益的啟示.

6.1 破除思維定式勇于開(kāi)拓創(chuàng)新

在科學(xué)研究中要有打破思維定勢(shì)，樹(shù)立創(chuàng)新的意識(shí)，對(duì)未知的東西要抱有好奇心、主動(dòng)探究的欲望.科拉頓以及早期的法拉第等都認(rèn)為磁生電是一個(gè)“穩(wěn)態(tài)”現(xiàn)象，因此他們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)往往從“穩(wěn)態(tài)”的角度來(lái)設(shè)計(jì)，但是恰恰電磁感應(yīng)現(xiàn)象是一個(gè)“暫態(tài)”的現(xiàn)象，這樣很顯然會(huì)導(dǎo)致他們的實(shí)驗(yàn)不成功.在科學(xué)研究中，對(duì)待每個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們都不要帶著“有色眼鏡”去觀(guān)察，更不要輕易地肯定或否定什么，而要學(xué)會(huì)客觀(guān)理性的分析.安培未能發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的深層次原因在于安培把他的分子電流理論看得極為重要，這是因?yàn)?，如果他承認(rèn)他已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的同軸電流，那么他之前的寶貴理論就無(wú)立足之地了，他在1822 年寫(xiě)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)論也表明：無(wú)論他觀(guān)察到什么,他都會(huì)堅(jiān)持把它解釋成分子電流或者至少是分子樣大小的電流存在的證據(jù)[1].

6.2 唯有持之以恒才能收獲成功

堅(jiān)韌不拔的精神和持之以恒的毅力是科學(xué)研究中必不可少的素養(yǎng)，法拉第之所以能夠成功，與他的堅(jiān)持是密不可分的.在研究電磁感應(yīng)前后長(zhǎng)達(dá)十幾年的時(shí)間里，我們可以從《法拉第日記》中看到太多的心酸和失敗，但是法拉第依靠其過(guò)人的智慧和持之以恒的毅力，最終獲得成功.

6.3 人力物力保障溝通交流合作

“兵馬未動(dòng)、糧草先行”，科學(xué)研究同樣也需要人力和物力的保障.實(shí)際上科拉頓研究的失敗，以及亨利研究的滯后，一個(gè)很重要的原因就是人力和物力的匱乏.如果科拉頓有一個(gè)助手幫他在隔壁觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，抑或亨利有足夠的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地開(kāi)展研究的話(huà)，那么發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的歷史將會(huì)改寫(xiě).實(shí)際上法拉第在知道安培的實(shí)驗(yàn)后, 也重復(fù)了安培實(shí)驗(yàn)，可惜他所依據(jù)的資料，誤把安培的圓環(huán)畫(huà)為圓盤(pán)， 所以法拉第重復(fù)了多次沒(méi)有得到結(jié)果.如果當(dāng)時(shí)法拉第可以和安培細(xì)致地溝通和交流，法拉第就能準(zhǔn)確地了解安培的實(shí)驗(yàn), 他很可能會(huì)比 1831年早好幾年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，那樣我們?nèi)祟?lèi)將會(huì)提前步入“電力時(shí)代”.

在科學(xué)研究的征途上，每一次的發(fā)現(xiàn)都不簡(jiǎn)單.奧斯特的發(fā)現(xiàn)使人類(lèi)首次揭示了“縱向力”的作用；法拉第的發(fā)現(xiàn)使人類(lèi)首次觸及電磁領(lǐng)域的暫態(tài)過(guò)程，他們的發(fā)現(xiàn)都是在現(xiàn)有事實(shí)和以往認(rèn)知中不斷地沖突、比較和取舍，迂回式的前行.他們的每一次失敗或成功都反映了人類(lèi)感性的追求和理性的執(zhí)著.人類(lèi)也正是在這一次次的失敗或成功中不斷地突破和超越.