物理学史之电磁学篇

1、问苍天巧借雷电，向暴君争取民权富兰克林及其电荷守恒定律和电的本质的发现从远古开始，无论是中国还是西方都有对电、磁现象观察的记载。16世纪后半叶以后，实验风气逐渐兴起，人们发明了产生电荷和储存电荷的起电机、 莱 顿瓶，发现了电流，制成了最早的电源一一电堆。 这不仅加深了人们对电现象和 磁现象的认识，并且为进一步探索电磁现象的规律作好了物质准备。在静电学发展过程中不得不提到一位美国物理学家的重要贡献，那就是本节的主人公一一富 兰克林。富兰克林本杰明.富兰克林(Benjamin Franklin, 1706-1790) 出生于美国马萨诸塞州波士顿一个贫穷的制烛工人家 庭，在家里十七个孩子中排行十五，

2、是美国政治家、物 理学家，同时也是出版商、印刷商、记者、作家、慈善 家；更是杰出的外交家及发明家。他是美国独立战争时 重要的领导人之一，参与了多项重要文件的草拟，并曾 出任美国驻法国大使，成功取得法国支持美国独立。富兰克林的初期创造才能表现在许多发明上， 尤其著名的是改进火炉和双焦 眼镜。但他的最大成就是在电学方面，其中他对静电学的最重要贡献是发现了电 荷守恒定律。1746年，居于美国费城的富兰克林收到了英国皇家学会朋友赠送 的一只莱顿瓶及使用方法，这样莱顿瓶带来的电学知识很快就传播到了北美。富兰克林利用莱顿瓶做了大量的静电方面的实验，他发现，两个带有不同性质电荷的带电体相互接触后可以呈现中性

3、。根裾这种相消性和数学上的正、负数的概念， 他把“阳电”称为正电，把“阴电”称为负电，并进一步从电荷的相消性，推出 如下结论：正电和负电，在本质上不应有什么差别；摩擦起电过程中，总是 形成等量的异种电荷；摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷 在数量上相等。于是，在上述推论的基础上，他总结出一个普遍的原理：电荷既 不能创生也不能消灭，只不过是从某一个带电体转移到另外一个带电体；在电荷转移过程中，电荷的总量是不变的。这就是电荷守恒定律的最原始的表述方式。电荷守恒定律是物理学中一条比较普遍的守恒定律， 富兰克林为电磁学大厦建立了第一块颇为重要的奠基石。富兰克林的科学成就使得他于1756年

4、当选为英国 皇家学会的会员。富兰克林在公众中的名声除发现电荷守恒定律外还有他的大气电实验，并以发现避雷针而达到了顶峰。当时人们关于火、燃 烧、闪电、火花和放电等现象 的认识还很不清楚。特别对雷电的危害性之大有一种惧怕的心理，大多数人认为雷电是“上帝之火”，是天神发怒的结果。富兰克林为破除这股迷信，一直思考着 雷电的电与摩擦电本质上是否一样， 区别在什么地方，从而导致了他所做的著名 的天电实验。1752年7月的一天，天气闷热，乌云密布，电闪雷鸣，就在这大雷雨就要 来临的时候，美国费城郊区上空升起了一只神奇的风筝，它是用丝绸做成的，顶部安装一根尖细的铁丝，风筝用麻纯系住，麻绳末端挂着一把钥匙，兴致

5、勃勃地 放风筝的那两个人就是富兰克林和他的儿子。他们放风筝不是为了玩，而是冒着 遭受雷击丧生的危险，在进行吸取“大电”的实验，他把从云端“吸取”的电荷 收集在莱顿瓶中，并进行实验。他发现由此得来的电火可以使酒精燃烧， 并可用 来进行别的有关电的实验；而这些实验平常是靠摩擦小球或小管来做的。”从而使雷电和摩擦起电统一了起来。富兰克林写了一篇论闪电和电气的相同的论文，阐述了雷电的本质。他 明确指出：雷电现象不是“雷公雷母的发怒”，它是自然界一种大规模的放电现 象，耀眼的火花就是电闪，震耳欲聋的声音就是打雷。电闪不但可以在天空中离 得很近的带异种电荷的云块之间发生，也可以在云地之间发生。当云地之间发

6、生 闪电的时候，在极强的闪电经过的路上，树木、房屋、人畜等就被击毁或者烧焦。 富兰克林还根据风筝上尖细铁丝能够吸引天电的发现，提出了制造避雷针的设想使建筑物免遭雷击。富兰克林的避雷针能使云层安全放电， 因而能保护建筑物本 身。避雷针确实是灵验的，富兰克林以他电学上划时代的研究成果，成为蜚声世 界的第一流科学家。关于避雷针在欧洲的普及和形状的设计还有一个插曲：1769年，意大利威尼斯的一座教堂被雷击毁，引起地下室火药爆炸，导致3000多人丧生。1772年, 英国成立了讨论仓库免遭雷击对策委员会， 首先提出制造避雷针方案的富兰克林 作为英国皇家学会会员也被任命为委员，在讨论中对避雷针的顶端形状发生

7、了尖 头、圆头之争。有人想当然地认为圆头避雷针好；但富兰克林坚持尖头的，他力 排众议，言之有理，最后被采纳了。1776年，美国独立战争爆发以后，富兰克林因为积极参加独立运动，又是 独立宣言的起草人之一，被作为叛逆者的领导人，而到英国人的憎恶，连他发明 的避雷针也受到冷遇，横遭摒弃。英王乔治三世带头把宫殿和弹药仓库上的尖头 避雷针砸掉，命令一律换为圆头避雷针，为了寻找扼杀富兰克林发明的“科学依 据”，使尖头避雷针在英国绝迹，偏执而愚蠢的国王还亲自向皇家学会会长普林 格尔施加压力，要他公开宣布圆头避雷针比尖头更安全。好在普林格尔正直且坚 持真理，拒绝执行国王的圣旨，义正辞严地说 ：“陛下，许多事情

8、都可以按您的 愿望去办，但是，不能做违背自然规律的事啊！ ”美国独立战争期间，年老的富兰克林代表初创的美国出使法国， 利用英法之 间的矛盾争取法国的援助，事实证明，他是担任这项使命的理想人选。 或许这与 人类进人了理性时代，有知识的法国人完全拜倒在这位曾经驯服了空中闪电， 并 将它引到地面的伟人脚下有很大关系。富兰克林集科学与政治成就于一身，他发明了摇椅，避雷针，改进了路灯， 对气象、地质、声学及海洋航行等方面都有研究，并取得了不少成就；制定了新 闻传播法，最先组织了消防厅，创立了近代的邮信制度，创立了议员的近代选举 法。他把政治活动作为一种公民义务占据了他一生中的主导地位。这位“问苍天借雷电

9、，向暴君取民权”的英雄1790年卒于费城，终年84岁，费城人民为他举 行了空前的葬礼。岁月难掩遗珠光泽能称量地球质量的“科学怪人”卡文迪什和库仑定律18世纪中叶以后，人们在已知同种电荷相互排斥和异神电荷相互吸引的基 础上，提出了相互作用力的测量问题。 人们借助已经确立的万有引力定律， 对电 力和磁力的规律做出种种猜测。有人从实验上加以证明。其中最早的是一位英国 著名的科学家卡文迪什(Henry Cavendish, 1731 1810)。卡文迪什出身贵族豪门，照例卡文迪什这等身份的人或者出入官场， 扬威域 内，或者放浪形骸，寄情声色犬马之中，可是他生性古僻，平时连生人都不愿见到一个，在剑桥大学

10、攻读四年，由于害怕教授而不参加考试。临终时甚至固执地 要求单独死去。这个怪癖的人有一个而且仅有一个爱好，那就是科学研究，他倾尽毕生精力，独自进行研究度过了几乎 60年。这是一个纯粹的爱好，因为卡文 迪许并不关心他研究的成果是否发表和他是否能得到荣誉，也不关心与他的好奇 心无关的任何事情，他将详细记录一系列实验数据和结论的手稿及论文锁在柜子 里直至他离开这个世界。卡文迪什终身未婚，他的侄子继承了一大笔财产和一大 柜手稿后，捐钱给剑桥大学彼得豪斯学院实验室， 这个实验室就是后来名闻天下 的卡文迪什实验室，人类在那里第一次揭开原子的秘密， 从1904年至1989年的 85年间一共产生了 29位诺贝尔

11、奖得主，占剑桥大学诺奖总数的三分之一。其实早在1773年，在库仑之前12年卡文迪什就发现了 “库仑定律”，甚至 其实验的精度超过后者。直到1879年，作为卡文迪什实验室的第一任主任的麦 克斯韦出版了一本题为尊敬的亨利卡文迪什的电学研究一书，才杷卡文迪 什的工作公布于世：是他最早精确测定了万有引力的常数， 是他最早提出了电荷 间的作用力和距离平方成反比，是他在法拉第之先用实验演示了电容器的电容和 填充的物质相关，早在欧姆定律公开发表的三十年前他就发现了导体两端的电势 和流过的电流成正比。在化学上他甚至享有“化学家中的牛顿”的美誉，是他最 早提出水是由氢氧两种元素组成的。麦克斯韦在书中说：“这些论

12、文证明卡文迪什几乎预料到电学上所有的伟大事实，这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学 家们的著作而闻名于科学界。”人们公认库仑定律是在1785年被发现的，库仑定律是电磁学中的一个基本 定律，它的建立使电磁学进人了定量的研究，从而使电磁学真正成为一门科学， 并为后人研究电磁学打开了道路，为继续发展电动力学奠定了基础，因此它在静 电学中的地位相当于力学中的万有引力定律。库仑(Charles Augustin de Coulomb 1736 -1806 ),法国工程师、物理学家。1736年6月14日 生于法国昂古莱姆富裕家庭。在青少年时期，他就受到 了良好的教育，1761年毕业于巴黎军事工程学院，并

13、作为军事工程师服役多年。后因健康日坏，被迫回家， 因此有闲暇从事科学研究。由于他写的一篇题为简单机械论的报告而获得法国科学院的奖励，并由此于1781年当选为法国科学院院士。法国大革命时期，他辞去公职，在布卢瓦附近乡村过隐居生活，拿破仑执 政后，他返回巴黎，继续进行研究工作。1806年8月23日在巴黎逝世。库仑制造的扭秤的构造是：在一个直径和高度均为12英寸（30厘米）的玻璃圆筒上，盖一块直径为13英寸的玻璃板，板的正中钻有一孔，并装上高为 24（60厘米）英寸的玻璃管，管子上端装有扭转测微计。端部中间有一只夹子， 夹持一根极细的银丝，银丝连着一根浸过西班牙蜡的 横秆，杆的一端有一小木髓球，另一

14、端贴一小纸片与 之平衡，使横秆呈水平位置，这一部分都装在玻璃筒 内。在玻璃盖板上另开有侧孔，孔内放入另一只小木 髓球，它可以与横杆上的小木髓球接触。这样，只要 使侧孔处的小木髓球带电，然后与横杆上的另一只小 木髓球接触，两只小球就带同种电荷，相互排斥而分 开，银丝就呈现扭转。多次实验结果表明，扭转角的 大小与扭力成正比，库仑在论文中举了一组数据：两小球相距36个刻度、18个刻度和8.5个刻度，即间距大体上是4: 2: 1,得到 银丝分别扭转了 36个刻度、144个刻度和576个刻度。即电力约为1: 22: 42。于是库仑得出了 “带同号电的两球之间的斥力，与两球中心之间的距离的平方成 反比”的

15、结论。库仑虽然直接测量了电荷之间作用力与距离的关系，但精确度毕竟有限，如果用平方反比关系表示，其指数偏差可达 0.04 o显然他是在模仿万有引力定律 库仑在另一篇论文中还提到磁力的平方反比关系，写道：“看来，磁流体即使不在本质上，至少也在性质上与电流体相似。 基于这种相似性，可以假定这两种流 体遵从若干相同的定律。也就是说，库仑在研究电力和磁力时也是把它们跟万有引力类比，事先建立了平方反比的概念。从库仑定律的发现经过我们可以看到类比在科学研究中所起的作用。如果不是先有万有引力定律的发现，单靠实验具体数据的积累 ，不知要到何年才能得到 严格的库仑定律的表达式。实际上，整个静电学的发展，都是在借鉴

16、和利用引力 理论的已有成果的基础上取得的。在库仑之后，科学家们沿着牛顿引力理论开辟 的道路继续走下去。欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、泊松、格林、高斯等人相继在 电学理论上取得了成就。科学之路多波折，三尺讲台逐真理欧姆、奥斯特和安培18世纪末，电学从静电领域发展到电流领域。这个大飞跃发端于动物电的 研究，意大利学者伽伐尼和伏打在这方面起了先锋作用。1800年，伏打进一步把锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中，重复地叠成一堆，形成了很强的电源， 这就是著名的伏打电堆。 把锌片和铜片插入盐水或稀酸杯中， 也可以形成电源， 叫做伏打电池。伏打为了尊重伽伐尼的先驱性工作， 在自己的著作中总是称之为 伽伐尼电池。

17、所以，以他们两人名字命名的电池，实际上是一回事。伏打电堆（电 池）的发明，提供了产生恒定电流的电源，使人们有可能从各方面研究电流的各 种效应。从此，电学进入了一个飞速发展的时期一一研究电流和电磁效应的新时 期。电学基本定律之一欧姆定律，发现于 1826年。乔治西蒙欧姆，德国物 理学家。1789年3月16日生于德国埃尔朗根城，虽然欧姆的父母从未受过正规 教育，但是他的父亲是一位受人尊敬的人，自学了数学和物理方面的知识并且高 水平的自学程度足以让他给孩子们出色的教育。16岁时欧姆进入埃尔朗根大学研究数学、物理与哲学，由于经济困难，中途辍学，到 1813年才完成博士学业。 欧姆长期担任中学教师，由于

18、缺少资料和仪器，给他的研究工作带来不少困难， 但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学研究，自己动手制作仪器。欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即所称的电动势。欧姆花了很大的精力在这方面进行研究。 开始他用伏打电堆作电源，但 是因为电流不稳定，效果不好。后来他接受别人的建议改用温差电池作电源，从而保证了电流的稳定性。但是如何测量电流的大小，这在当时还是一个没有解决 的难题。开始，欧姆利用电流的热效应，用热胀冷缩的方法来测量电流

19、，但这种方法难以得到精确的结果。后来他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤结 合起来，巧妙地设计了一个电流扭秤，用一根扭丝悬挂一磁针，让通电导线和磁 针都沿子午线方向平行放置；再用钿和铜温差电池，一端浸在沸水中，另一端浸 在碎冰中，并用两个水银槽作电极，与铜线相连。当导线中通过电流时，磁针的 偏转角与导线中的电流成正比。欧姆实验仪示意图实验中他用粗细相同、长度不同的八根铜导线进行了测量，得出了如下的等X=a/(b+x)式中X为磁效应强度，即电流的大小；a是与激发力(即温度差)有关的常 数，即电动势；x表示导线的长度，b是与电路其余部分的电阻有关的常数，b+x 实际上表示电路的总电阻。这个结果

20、于 1826年发表。1827年欧姆又在动电电 路的数学研究一书中，把他的实验规律总结成如下公式：S=T E。式中S表示电流；E表示电动力，即导线两端的电势差，T为导线对电流的传导率，其倒数 即为电阻。欧姆定律发现初期，科学界仍不承认欧姆的科学发现，许多人对他还抱有成 见，甚至认为定律太简单，不足为信。当然这也有时代背景，欧姆定律诞生于德 国理论物理学产生的前夕。19世纪末，德法的政治矛盾使德国科学家对法国数 学物理方法采取排斥的态度，在老年的实验物理学家中间更为盛行， 而欧姆定律 所采用的温差电池和丝悬磁针扭力实验是最新颖实验手段，而其定律的基本理论部分也模仿了法国物理学家傅里叶的热分析方法。

21、 欧姆定律在当时的德国得不到 公开承认是必然的。这一切使欧姆感到万分痛苦和失望，直到 1841年，英国皇 家学会授予他科普利金质奖章，并且宣称欧姆定律是“在精密实验领域中最突出 的发现”，他得到了应有的荣誉。1854年欧姆与世长辞。十年之后英国科学促 进会为了纪念他，决定用欧姆的名字作为电阻单位的名称。 使人们每当使用这个 术语时，总会想起这位勤奋顽强、卓有才能的中学教师。电和磁有没有联系？ “顿牟缀芥，磁石引针”说明电现象和磁现象的相似性。 电力和磁力都遵守平方反比定律，说明它们有类似的规律。但是相似性并不等于 本质上有联系。17世纪初，吉尔伯特就断言，它们之间没有因果关系，库仑也 持同样观

22、点。然而实际事例不断吸引人们注意。例如： 1731年有一名英国商人 诉述，雷闪过后，他的一箱新刀叉竟带上了磁性。1751年富兰克林发现在莱顿瓶放电后，缝纫针磁化了。电真的会产生磁吗？这个疑问促使 1774年德国一家研 究机构悬奖征解，题目是：“电力和磁力是否存在实际和物理的相似性？”许多 人纷纷作实验进行研究，但是，在伏打发明电堆以前，这类实验很难成功，因为 没有产生稳恒电流的条件。不过，即使有了伏打电堆，也不一定能立即找到电和 磁的联系。1820年7月末，磁学领域宣布了一条激动人心的消息；电流使原来和它平行 的磁针发生了偏转。于是开辟了一个前景远大的新领域，这个消息来自于丹麦哥 本哈根大学物

23、理学教授奥斯特(H.C. Oersted, 1777 1851)。奥斯特是丹麦一个小镇上药店商人的儿子，12岁时他已受过很好的教育， 在店里担任他父亲的助手，这项工作激发了他对科学的兴趣。 按照常理，这种早 期教育应将他直接引向化学行业， 但却导致他研究物理学。青年时，他在哥本哈 根大学学习医学、物理学和天文学。18世纪和19世纪之交，当全欧洲正处于骚 动之中时，他在哥本哈根开始了药剂师的职业生涯。当他听到伏打的发现后，立即开始电流实验。1801年，他进行了传统的欧洲游历，1803年他回到了哥本哈 根，希望能在大学里当物理学教授，三年后他如愿以偿。他是一位热情洋溢重视 科研和实验的教师，他说：

24、“我不喜欢那种没有实验的枯燥的讲课， 所有的科学 研究都是从实验开始的”。1819年冬到1820年春，奥斯特在哥本哈根开办了一个讲座，专门为精通哲 学和具备相当物理知识的学者讲授电、电流和磁方面的知识。1820年4月的一个晚上，奥斯特在讲课中，突然想起，过去许多人在电流方向上寻找电流对磁体 的效应都没有获得成功，电流对磁体的作用很可能是“横”向的， 而不是“纵”向的。于是，他“把导线和磁针平行放置”进行试验。当他接通电源时，果然发 现导线附近的小磁针向垂直于导线的方向摆动起来了。小磁针的摆动，对听课的听众来说，几乎无动于衷，但对奥斯特来说，实在太重要了！他激动万分，他意识到自己已作出了重大发现

25、。奥斯特为了进一步弄清楚电流对磁针的作用， 于1820年4月 到7月，花了 三个月的时间，做了六十多个实验，并把小磁针放在不同方位，使他得到了明确 的结果。1820年7月21日，奥斯特用拉丁文以四页的篇幅简洁地报告了他的实 验结果，随即论文很快被译成法文，英文和德文传便了整个欧洲。奥斯特发现电 流磁效应，是电学史上的新篇章。这以后的一二十年，成了电磁学大发展的辉煌 时期。1908年丹麦自然科学促进协会建立“奥斯特奖章”，以表彰做出重大贡 献的物理学家。1934年以“奥斯特”命名 CGSi1位制中的磁场强度单位。1937 年美国物理教师协会设立“奥斯特奖章”，奖励在物理教学上做出贡献的物理教 师

26、。奥斯特发现电流磁效应的消息传到世界各地， 在瑞士参加曰内瓦科学会议的 法国物理学家阿拉果得知此消息后，随即赶回法国。于同年 9月11日在法国科 学院重复了奥斯特的实验，引起了法国数学家安培(A.M. Amp6fe, 17751836) 的兴趣：既然磁体和磁体之间有相互作用， 电流和磁体之间也有相互作用，如此 说来电流和电流之间也应该有相互作用呀。安德烈玛丽安培(Andr eMarie Amp ere , 1775年1月20日 一1836年6月10日),里昂人， 法国物理学家、化学家和数学家。安培是一位很有 才能的数学家，掌握了各种现代的分析工具，他在 巴黎理工大学教授数学。安培马上集中精力研

27、究， 几周内就提出了安培定则即右手螺旋定则。随后很 快在几个月之内连续发表了 3篇论文，并设计了 9 个著名的实验，其中安培做了关于电流相互作用的 四个精巧的实验，并运用高度的数学技巧总结出电流元之间作用力的定律，描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小、间距 以及相对取向之间的关系。后来人们把这定律称为安培定律。安培是第一位把研 究动电的理论称为“电动力学”的科学家。 1827年安培将他的电磁现象的研究 综合在电动力学现象的数学理论 一书中。这是电磁学史上一部重要的经典论 著。为了纪念他在电磁学上的杰出贡献，电流的单位“安培”以他的姓氏命名。1821年安培根据磁是由运动的电荷产生的这一观点

28、来说明地磁的成因和物 质的磁性，提出了著名的分子电流假说。安培认为构成磁体的分子内部存在一种 环形电流一一分子电流。由于分子电流的存在，每个磁分子成为小磁体，两侧相 当于两个磁极。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的，它们产生的磁场互相抵消，对外不显磁性。当外界磁场作用后，分子电流的取向大致相同， 分子间相邻的电流作用抵消，而表面部分未抵消，它们的效果显示出宏观磁性。安培的分子电流假说在当时物质结构的知识甚少的情况下无法证实， 它带有 相当大的臆测成分。在今天已经了解到物质由分子组成， 而分子由原子组成，原 子中有绕核运动的电子，安培的分子电流假说有了实在的内容， 已成为认识物质 磁性

29、的重要依据。自学成才科学先锋何必问出处淡泊名利平民巨匠必定有缘由一一法拉第与电磁感应定律1812年冬季的一天，正当拿破仑军队在俄罗斯平原上遭到溃败的时候，一 位21岁的青年人来到了伦敦皇家学院，他要求和院长戴维见面谈话，作为自荐 书，他带了一本装订好的听戴维演讲的笔记，这本笔记装订得非常精致美观，直接发挥出装订工的最大才能，这位青年给戴维留下很好的印象。戴维正好缺少一 位助手，不久他就雇用了这位申请者，他就是历史上最伟大的物理学家之一一法 拉第。不久戴维就注意到了法拉第的才能，法拉第进人伦敦皇家学院后成为实验 室的助理实验员，并一直在这里工作了整整 55年。法拉第(Michael Farada

30、y , 1791 1867),出生于英国伦敦，1791年9月 22日出生萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭。他的父亲是个铁匠，体弱多病，收 入微薄，仅能勉强维持生活的温饱。但是父亲非常注意对孩子们的教育，要他们勤劳朴实，不要贪图金钱地位，要做一个正直的人。这对法拉第的思想和性格产 生了很大的影响。由于贫困，法拉第家里无法供他上学，因而法拉第幼年时没有受过正规教育, 只读了两年小学。1803年，为生计所迫，他上街头当了报童。第二年又到一个 书商兼订书匠的家里当学徒。订书店里书籍堆积如山，法拉第带着强烈的求知欲 望，如饥似渴地阅读各类书籍，汲取了许多自然科学方面的知识，尤其是大英 百科全书中关于电学的文

31、章，强烈地吸引着他。他努力地将书本知识付诸实 践，利用废旧物品制作静电起电机，进行简单的化学和物理实验。他还与青年朋 友们建立了 一个学习小组，常常在一起讨论问题，交换思想。重视实践尤其是科 学实验的特点，在法拉第一生的科学活动中贯彻始终。法拉第不放过任何一个学 习的机会，在哥哥的资助下，他有幸参加了青年科学组织-伦敦城哲学会。 通 过一些活动，他初步掌握了物理、化学、天文、地质、气象等方面的基础知识， 为以后的研究工作打下了良好基础。从他 22岁起做上了戴维的实验助手，法拉 第开始了他的科学生涯。戴维虽然在科学上有许多了不起的贡献， 但他说他对科 学最大的贡献是发现了法拉第。法拉第勤奋好学，

32、工作努力，在戴维指导下做独立的研究工作并取得了几项 化学研究成果。1820年，奥斯特发现电流的磁效应，受到科学界的关注，1821年，英国哲学年鉴的主编约请戴维撰写一篇文章，评述自奥斯特的发现以来 电磁学实验的理论发展概况。戴维把这一工作交给了法拉第。法拉第在收集资料 的过程中，对电磁现象产生了极大的热情，并开始转向电磁学的研究。他仔细地 分析了电流的磁效应等现象，认为既然电能够产生磁，反过来，磁也应该能产生 电。1822年法拉第在奥斯特发现的启发下发现了电磁转动现象，这即是原始的 电动机，也是法拉第在电学实验研究方面迈出的第一步。此后他集中思考的一个 重大问题，就是如何把奥斯特的发现倒转过来，

33、使磁转变为电。实际上，当时有 这种思想的并不只是法拉第一人。例如安培所做的实验甚至离发现磁转变为电仅 一步之差；法国科学家阿拉果也发现了在磁铁下面迅速转动的铜盘会引起磁针转 动的现象，其中显然已显示了磁转变为电的契机。 但这些都未能真正揭示电磁感 应的本质，法拉第才完成了这一伟大的发现。根据历史记载，1830年美国科学家亨利也发现了这一现象，但他未公开发表。在发现电磁转动现象后，法拉第就经常在口袋里放着一个小线圈， 以提醒自 己不断思考磁变为电的问题。他为此艰苦探索了近10年之久，做过许多次实验， 但日记上的记录都是“失败”。只有到了 1831年8月29日，他才在这个问题上有了重大突破，找到了

34、正确的实验方法。法拉第又进行了新的实验。如图所示，他用软铁做成一个外径6英寸，厚7/8英寸的环，其上绕有 A、S两组线圈。B线圈接检流计，A线圈和十个电池组连接，刚接通和断开电源时，发现电流计指计摆动。这就是电磁感应现象，但是法拉第并没有立即明白其中的道理。 这在 他的同年9月的一封信中有所表露，他认为自己在研究中抓住了一些好东西， 但 还不能说明白，认为这可能是杂草而不是鱼，但他有决心，要竭尽全力，终究可 以把它拉起来。1831年10月17日t法拉第将220英尺铜线分层绕在空心圆筒上，绕了八个 线圈，再连成一个大线圈，并接到检流计上。他制做了一根长7.2英寸和直径0.72英寸的长圆形磁铁棒，

35、如图所示。当法拉第将磁铁一端放在铜线圈附近时， 检流计的指针丝毫不动；但是，当他将磁铁棒迅速地插人到绕有铜丝的圆筒中时，突然，他十年来梦寐以求的现象出现了一一检流计的指针摆动了一下。他不由自主地急忙将磁铁棒从铜线圈中抽了出来， 检流计的指针又摆动了 一下。反复的实 他都显示了相同的现象一一在磁铁棒插入线圈或从线圈中抽出的一刹那间，检流计的指针也随着摆动。法拉第为之再三思索，得出结论：“要产生感应电流，磁铁必须运动 W为以前的试验，磁铁和线圈都是静止的，而只有磁铁插入到线圈的 瞬间（运动时）才有感应电流产生。”接着，法拉第又发现，无论是磁铁运动插 人到静止的线圈内，还是将线圈运动套到静止的磁铁上

36、去， 只要两者之中有一个 运动，就有感应电流产生。接着，他试验能否产生大量的电流。他向皇家学会借了一块大的U形磁铁,又做了一个铜线圈，线圈上装有一个柄。他把铜线圈与检流汁相接，然后放在U形磁铁中间旋转，这时检流计上的指针移动了，线圈中感应出电流来了。1831年11月24日，法拉第总结了一系列有关的实验研究，向英国皇家学 会提出了论文。法拉第概括出有五类情况可以产生感应电流：变化着的电流；运动的稳恒电流；变化的磁场；运动的磁铁； 在磁场中运动的导体这就是法拉第发现的电磁感应现象。 这是一个划时代的伟大发现，使人类第 一次掌握了电和磁相互转变以及由机械能和电能相互转变的方法和手段，成为现代一切发电

37、机、电动机和变压器的基础，为现代强大的电力工业、电子学工业和 无线电工业的兴起和发展开辟了广阔道路， 使人类历史迈入了电学世纪，其意义 之重大深远，怎么估价也不过分。法拉第在上述重大发现之后接着研究的问题是 各种电的同一性。当时产生电的方法不只一种，例如有摩擦起电、伽伐尼电、伏 打电和法拉第自己发现的电磁感应电等等， 这些不同方法产生的电是不是相同 的，一直成为人们关心和讨论的对象。法拉第通过细心研究各种不同方法产生的 电的磁作用、热效应、电解作用、生理效应以及电火花等，获得了充分的证据， 证明了这些电是完全相同的，从而一举扫除了在这个问题上的种种迷雾。法拉第的思想非常深刻，具有创造性并富有高

38、度的想象力。他以长期埋头从 事实验研究的实践中所形成的逻辑思维方法和科学直觉， 能够不用数学语言而洞 察出客观事物的本质。麦克斯韦曾经指出：“法拉第的思想本身是数学化的，可以用数学语言表示 出来”。19世纪欧洲著名的数学物理大师亥姆霍兹也指出：“法拉第的不少理论， 必须用高深的数学分析方法才能推导出来， 而他竟然未求助一个数学公式，仅仅 依靠直觉就发现了它们，这是极其令人惊异的。”这些论述，十分深刻地揭示了 法拉第思想最突出的特点，因此有人说：“法拉第能闻出真理。”最典型的是法拉第依据磁铁附近的铁屑分布状态， 提出了磁力线和电力线的 概念。他在电磁感应、电化学、静电感应和磁感应的研究中进一步深化和发展了力线思想，并进而提出了电场和磁场的概念。 法拉第应用力线描述电和磁的作用 及其传播方式，不但能够形象而真实地反映空间任何一点上电作用和磁作用的强 度和方向，而且深刻地揭示出它们在空间内的传播方式：电力和磁力以线形式在空间内连续传播。法拉第还认为原子是力线的中心，力线本身是物质，起传播电 力和磁力的作用。在此之前，人们主要研究力对物质的作用，一度受超距作用观 点的支配，而现在法拉第则把研究的重心转到了力在物质粒子之间以及空的空