法拉第电磁感应定律

论文题目：法拉第与电磁感应定律论文摘要：电磁感应现象的发现是电磁学发展史上的一个重要的成就，它进一步揭示了自然界中电现象和磁现象间的联系。本文简要地介绍了电磁感应现象的发现过程和法拉第电磁感应定律的确立，重点阐述了电磁感应现象的探索研究及其发现历程。关键词电磁感应现象；电现象；磁现象；电磁感应定律Faraday'slawofelectromagneticinductionPaperAbstract:Thediscoveryofthephenomenonofelectromagneticinductionisthehistoryofthedevelopmentofelectromagnetismanimportantachievement,itfurtherrevealsthenatureofthephenomenonofelectricandmagneticphenomenalinkages.ThispaperdescribesthephenomenonofelectromagneticinductionandFaraday'sdiscoveryoftheestablishedlawofelectromagneticinduction,focusesonthephenomenonofelectromagneticinductionandfoundthatthecourseofexplorationandresearch.Keywords：Thephenomenonofelectromagneticinduction;Electricalphenomenon;Magneticphenomena;Lawofelectromagneticinduction.法拉第电磁感应定律引言电磁感应现象的发现是电磁学发展史上的一个重要的成就，它进一步揭示了自然界中电现象和磁现象之间的内在本质联系。促进了电磁理论的发展，证实了自然科学中统一的哲学观点。同时由于电磁感应定律的确立，使得电能得以广泛的应用，引发了第二次科技革命。使得现代的电力工业和电工以及电子技术得以建立和发展。1科学家对电磁感应现象的探索1.1电流的磁效应（奥斯特）在物理学的发展史上有很长一段时期内未找到电与磁的联系，那个时候电现象与磁现象是被分别进行研究的尤其是物理学家吉尔伯特与库仑都认为电与磁是两种截然不同的现象。它们之间没有任何联系和一致性，也正是这样的思想一直充斥着人们的大脑，使电磁的研究一直不能有更好的进展。电与磁之间究竟有没有联系呢？电真的不能生成磁吗？虽然有库仑那样的物理巨匠否认电现象与磁现象间的关联，可是丹麦物理学家奥斯特一直相信着电与磁之间一定有着某种联系，并且开始了电磁统一性的试验研究。1820年4月的一天晚上奥斯特做完了他的有关电和磁的演讲后，做了一个对以后电磁学发展有着重要意义的试验，正是这个试验从此打开了电磁研究的大门，让一个个震惊世界的理论问世。整个试验的过程是这样的：他在一个小伽伐尼电池的两极间接上一根很细的铂丝，在铂丝的正下方放一枚小磁针，然后接通电源，小磁针微微的晃动，转到了与铂丝垂直的方向。就这一下小小的摆动，动摇了整个物理界的传统的观点，尤其是库仑等人的观点：电与磁是两种截然不同的现象。当时的奥斯特看到了小磁针的摆动这一情况，他震惊了。随后他又改变了电流的方向，发现小磁针向相反的方向偏转。这说明了电与磁之间是有着某种内在的本质的联系。而且电流的方向与磁针的转动之间也有着一定的联系。为了进一步揭示电流与小磁针间的内在的联系，弄清楚它们之间的关系。奥斯特随后又费了三个月的时间做了六十多个试验，他把小磁针分别放置在通有电流的导线的上方和下方，考察电流对小磁针作用的方向；把小磁针放置在距导线不同的距离，考察电流的强弱对小磁针的作用；还把一些介质放置在电流导线与小磁针之间，考察电流对小磁针的影响。经过奥斯特的不懈努力反复试验，最后终于查明了电流的磁效应沿着导线的螺旋方向。1820年7月21日，奥斯特发表了自己的论文，“8月26日终于获得成功。这次实验因为是用伏打电池在给一组线圈通电的瞬间，在另一组线圈获得的感生电流，他称之为“伏打电感应”。同年10月作为19世纪伟大实验物理学家的法拉第。他并不满足于现象的发现，还力求探索现象后面隐藏着的本质；他既十分重视实验研究，又格外重视理论思维的作用。1837年他发现电介质对静电过程的影响，提出了以近距“邻接”作用为基础的静电感应理论。不久以后，他又发现了抗磁性。在这些研究工作的基础上，他形成了“电和磁作用通过中间介质、从一个物体传到另一个物体的思想。”于是，介质成了“场”的场所，场这个概念正是来源于法拉第。正如爱因斯坦所说，引入场的概念，是法拉第的最富有独创性的思想，是牛顿以来最重要的发现。牛顿及其他学者的空间，被视作物体与电荷的容器；而法拉第的空间，是现象的容器，它参与了现象。所以说法拉第是电磁场学说的创始人。他的深邃的物理思想，强烈地吸引了年轻的麦克斯韦。麦克斯韦认为，法拉第的电磁场理论比当时流行的超距作用电动力学更为合理，他正是抱着用严格的数学语言来表述法拉第理论的决心闯入电磁学领域的。法拉第一生热爱真理，热爱人民，真诚质朴，作风严谨，这样的感人事迹很多。他说：“一件事实，除非亲眼目睹，我决不能认为自己已经掌握。”“我必须使我的研究具有真正的实验性。”在1855年给化学家申拜因的信中说：“我总是首先对自己采取严厉的批判态度，然后才给别人以这样的机会。”在一次市哲学会的讲演中他指出：“自然哲学家应当是这样一些人：他愿意倾听每一种意见，却下定决心要自己作判断；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；他应当重事不重人，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。”他是这样说的，也确实是这样做的。1857年，皇家学会学术委员会一致决议聘请他担任皇家学会会长。对这一荣誉职务他再三拒绝。他说：“我是一个普通人。如果我接受皇家学会希望加在我身上的荣誉，那么我就不能保证自己的诚实和正直，连一年也保证不了。”同样的理由，他谢绝了皇家学院的院长职务。当英王室准备授予他爵士称号时，他多次婉言谢绝说：“法拉第出身平民，不想变成贵族”。1867年后世的人们，选择了法拉作为电容的国际单位，以纪念这位物理学大师。在电学方面，法拉第研究负载直流电的导体与附近磁场之间的关系，在物理学中建立起磁场这个概念。他发现了电磁感应、抗磁性及电解。另外，他也发现磁场能对光线产生影响，进而发现两者间的基本关系。另外，法拉第还发明了一种依电磁转动的装置，为电动机的前身。虽然法拉第只受过很少的正式教育，这使得他的数学程度相对有限，但不可否认，法拉第仍是历史上最伟大的科学家之一。法拉第电磁感应定律陈述——随时间改变的磁场会创造与磁场强度成正比的电动势。2.2法拉第电磁感应定律的发现过程法拉第在1831年发现电磁感应现象不是偶然的，同他的坚持不懈是分不开的。从实验的一次次失败到失败，最终发现了电磁感应现象。1820年奥斯特发现电流的磁效应后，磁与电之间的关系就被人们的广泛的关注着。我们再追溯到1821年，当时的法拉第正在英国皇家研究院做化学助理实验员。而就在这个时候英国《哲学年鉴》的主编约请戴维撰写一篇关于奥斯特的发现以来电磁学的实验理论发展概况的文章，而戴维就把这项工作交给了当时的法拉第。法拉第在准备文章的过程中收集整理了大量的电磁学文献资料。正是这个过程使法拉第对电磁现象产生了极大地热情，并且开始了他的电磁学的研究。法拉第在仔细的分析了电流的磁效应等现象后，认为既然电能够产生磁，反过来根据自然界的对称性，磁也同样是能够产生电的。正是由于法拉第坚信这一理念，使他最终发现了电磁感应现象，这一想法也为日后人类利用电能奠定了基础。在法拉第发现电磁感应现象之前，他也有着许多的错误的指导思想。法拉第就曾经这样认为：既然磁铁可以使邻居的铁矿感应上磁，静电荷也可以使临近的导体中感应出电荷，那么电流也可以使临近的线圈中感应出电流。虽然这种指导思想的错误，但是他本着磁能生电的信念，在他发现电磁感应现象的六年前的日记中就写下了他伟大光辉的思想：“磁能转化电”。并且开始使用了“感应”这个词。实验的开始阶段，由于法拉第错误的认为用磁铁靠近导线，导线就会产生稳定的电流，或者在一根导线里通以强大的电流，那么在它临近的导线中也会产生稳定的电流。所以实验没有什么进展。此时我们发现法拉第他只是关注了稳态的条件，没能想到感生电流产生的暂态条件。进过多次的努力的结果是失败了。没能向他想象的那么产生了感生电流。在1825年1月由于法拉第的错误的指导，致使他的三个实验全都以失败告终。实验一：法拉第将两根直导线扭在一起，其中一根接在电池两极上，另外一根接在电流计上。本着法拉第自己的想法，在一根直导线中通以电流，那么在它临近的线圈中也会有感生电流产生，这样在另外的一根导线中就应该能有电流产生，电流计指针就要偏转。也就是他自己认为的“电流感生电流”的推理，另外一根导线中有电流产生，电流计指针就要偏转。而实验的结果是电流计指针纹丝不动。实验二：把一空心的螺线管的两端接在电池的两极上，再把一根直导线引进螺线管中，直导线的两端联结在电流计上。观察导线中的电流的有无，令法拉第失望的是他还是没看到自己预想的结果，没有看到电流计指针的偏转。直导线中没有感生电流的产生。实验三：这个实验类似于实验二，同样是把一空心螺线管的两端接在了电池的两极，不同的是这次法拉第把直导线放在了螺线管的外面，直导线的两端也同样两着电流计，还是很遗憾法拉第还是没看到自己的预想的结果。电流计的指针没有偏转，直导线中还是没有感生电流。经过十年的实验，失败，再实验，再失败的不断的努力。于1831年，法拉第终于发现，一个通电线圈的磁力虽然不能在另外一个线圈中引起电流。但是当通电线圈的电流刚接通或者刚中断的时候，另一个线圈中的电流计指针有微小偏转，但是又立刻回到了原来的位置。法拉第眼前一亮，没有放过这个异常的偏转，紧紧的抓住了它。之后法拉第又经过多次的反复实验都证实了当磁作用力发生瞬间的改变时，另外的一个线圈就会有感生电流产生。在1831年8月29日，法拉第在他的实验日记中第一次记载了有关的电磁感应现象：“已经定做一个铁环（软铁），铁环直径为八分之七英寸，铁环外径为六英寸，在环的半边用铜线绕城许多线圈。线圈之间用麻线或者白布所隔（绕线圈的）的三条长铜线各长二十四英尺，他们既可以成一条长的，也可以分开使用，用一电池来做实验。每个线圈与其他线圈绝缘。假设环的一边为，在另外一边，要空开一个间隔。缠上两根导线，他们的总长大约六十英尺，其方向同前面的线圈一样，称为。使一个有十对极板，每板有四平方英寸的电池充电。用铜导线将一个线圈，，或者更确切的说把边的一个线圈的两个端点联结，让铜导线通过一段距离，恰好经过一根磁针的上方（距离铁环三英尺远），然后把电池联结到A边的一个线圈的两端。这个时候立即可以观察到磁针上的效应——它振荡起来了。最后又停在了原来的位置上。一旦断开端与电池的联系，磁针再次被扰动。”法拉第把这个实验中产生的现象称为“伏打感应”，意指由伏打电池激发的电流感应。电磁感应现象终于第一次被详细描述。法拉第电磁感应现象的发现有着他不懈的努力，一次次的试验，一次次的失败。但是也有着他幸运的一面。假若当时他先把A便线圈两端接上电池两极，使A线圈中先通有电流，那么就没有小磁针的摆动。这也是他能发现电磁感应现象的关键一步。也正是法拉第的观察细微才能有了电磁感应现象的发现。同瑞士科学家拉顿相比法拉第也算是个幸运儿。同年，也就是1831年9月同年10月1日，他把两组间绕的线圈缠在同一个圆柱形木芯上，也同样观察到了“10月17日法拉第在一个直径为四分之三英寸，长八英寸的空芯纸筒上绕了八个线圈，把们并联起来，再与一电流计联结，然后他把磁棒插入纸筒时发现，电流计的指针突然发生了偏转，然后又很快的回到了平衡位置。当法拉第把磁棒抽出纸筒时，电流计的指针又偏向了另外的一边，接着又回到了平衡位置。这个现象表明不仅伏打电池在闭合或者断开的瞬间可以激发电流，磁体相对与线圈的运动也能激发电流，法拉第称这个现象为“磁感应”10月根据自己实验的结果以及实验中观察到的现象，法拉第总结了电磁感应的发现，把可以产生感生电流的情况概括为五点：第一种情况是变化的电流可以感生出电流;第二种情况是变化的磁场可以感生出电流；第三种情况是运动的稳恒电流可以感生出电流；第四种情况是运动的磁铁可以感生出电流；第五种情况是在磁场中运动的导体也同样可以感生出电流。在1831年他正确的指出了感应电流与原电流的变化有关，而与原电流本身无关。并把述现象定名为“电磁感应现象”至此法拉第划时代的发现——电磁感应现象被揭示了，但是电磁感应定律的确立，却是一直到1851年才被建立的。3电磁感应定律3.1电磁感应定律的数学表达式法拉第虽然发现了电磁感应现象，并且最终确立了电磁感应定律。但是由于他数学知识的贫乏法拉第没能提出电磁感应定律的数学表达式，电磁感应定律的数学表达式最后是由与法拉第同一时代的德国科学家诺曼（）与另一位科学家韦伯共同提出的。若闭合电路为一个匝的线圈，则又可表示为：式中为线圈匝数，Δ为磁通量变化量，单位为发生变化所用时间，单位为.为产生的感应电动势，单位为V。当穿过回路的磁通量发生变化时，回路中的感生电动势的大小和穿过回路的磁通量变化率等成正比，即=这就是法拉第电磁感应定律。

当磁通量增加时，，这时为负值，即感生电流产生的磁场和原磁场方向相向；当磁通量减少时，，这时为正值，即感生电流产生的磁场和原磁场方向相同。中学阶段，物理量的大小和方向常常是分开讨论的。如=仅反映了它的大小，其方向由楞次定律或右手定则来确定。感生电动势和磁通量的变化率成正比，不是和磁通量的多少成正比。例如，有一个线圈在匀强磁场中匀速转动，当线圈平面转到和磁场垂直，即线圈内磁通量达到最大时，它的变化率却最小，这时感生电动势为零。而当线圈转到和磁场平行，即穿过线圈的磁通量为零时，磁通量的变化率却达到最大，这时产生的感生电动势达到最大值。3.1.1.（普适公式）（法拉第电磁感应定律，感应电动势(V)，感应线圈匝数，:磁通量的变化率）。(切割磁感线运动)中的和不可以和磁感线平行，但可以不和磁感线垂直，其中为或与磁感线的夹角。（:有效长度()。（交流发电机最大的感应电动势）(:感应电动势峰值)。（导体一端固定以旋转切割）（:角速度()）。3.1.2.感应电动势的正负极的判断感应电动势的正负极可利用感应电流方向判定（电源内部的电流方向：由负极流向正极）。3.2感应电流产生条件感生电流的产生条件主要有两点：其一电路是闭合且通的；其二穿过闭合电路的磁通量发生变化。3.3法拉第电磁感应定律的重要意义法拉第的实验表明，不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电