中學物理第二冊電磁學部分物理史話

1、中學物理第二冊電磁學部分物理史話一、劃時代的發(fā)現奧斯特夢圓“電生磁” 電磁感應現象的發(fā)現是與電流磁效應的發(fā)現密切相連的。在19世紀20年代之前的漫長歲月里，電和磁的研究始終獨立地發(fā)展著。盡管18世紀中葉人們就曾發(fā)現雷電能使刀叉、鋼針磁化，萊頓瓶(最原始的電容器)放電可使縫衣針磁化等現象，但包括庫侖在內的眾多物理學家仍然認為電與磁是互不相關的。 到了18世紀末，人們開始思考不同自然現象之間的了解。例如，摩擦生熱表明了機械運動向熱運動的轉化，而蒸汽機則實現了熱運動向機械運動的轉化。于是，一些獨具慧眼的哲學家如康德(1Kant，17241804)等，提出了各種自然現象之間相互了解和相互轉化的思想。深

2、受其影響的奧斯特相信電與磁之間可能存在著某種了解。1803年奧斯特指出：“物理學將不再是關于運動、熱、空氣、光、電、磁以及我們所知道的各種其他現象的零散的羅列，我們將把整個宇宙納在一個體系中?！比欢?，奧斯特尋找電與磁相互了解的實驗研究并未很快成功。機遇總是青睞那些有準備的頭腦。在1820年4月的一次講演中，奧斯特碰巧在南北方向的導線下面放置了一枚小磁針。當電源接通時，小磁針居然轉動了!聽眾中大概沒有人注意到這個現象，但奧斯特一直惦記著電與磁的了解，這個現象使他振奮。隨后的實驗證明，載流導線的確能使磁針偏轉。這種作用稱為電流的磁效應。電流的磁效應顯示了載流導體對磁針的作用力，揭示了電現象與磁現象

3、之間存在的某種了解。奧斯特的思維和實踐突破了人類對電與磁認識的局限性。 法拉第心系“磁生電”奧斯特發(fā)現的電流磁效應，使整個科學界受到了極大的震動。它證實電現象與磁現象是有了解的。探究電與磁關系的嶄新研究領域突然洞開在人們面前，激發(fā)了科學家們的探索熱情。一個接一個的新發(fā)現，像浪潮一樣沖擊著歐洲大陸，也激勵著英國的科學界。 電流磁效應的發(fā)現引起了這種對稱性的普遍思考：既然電流能夠引起磁針的運動，那么為什么不能用磁鐵使導線中產生電流呢? 人們早就認識了磁化現象，知道磁體能使附近的鐵棒產生磁性。人們還知道，帶電體能使它附近的導體感應出電荷來。英國科學家法拉第敏銳地覺察到：磁與電之間也應該有類似的“感應

4、”，并在1822年的一篇日記中留下了“由磁產生電”這樣閃光的思想字跡。 法國物理學家安培也曾將恒定電流或磁鐵放在導體線圈附近，試圖“感應”出電流，種種嘗試均無所獲。瑞士人科拉頓的實驗研究也遺憾地與成功擦肩而過。只有法拉第依然魂牽夢繞，就像他后來所說的那樣：“從通常的磁獲得電的希望，曾在各個時期促使我通過實驗進行考察”然而道路并不平坦。他于1822年12月、1825年11月和1828年4月做過三次集中的實驗研究，然而均以失敗告終。原因在于，法拉第認為，既然奧斯特的實驗表明有電流就會有磁場，那么有了磁場就一定會有電流。于是，他在這些實驗中使用恒定電流產生的磁場，看看這樣的磁場是不是會在某個電路中產

5、生感應電流。 多次失敗后，1831年8月29日，他終于發(fā)現了電磁感應現象：把兩個線圈繞在同一個鐵環(huán)上(如圖所示)，一個線圈接到電源上，另一個線圈接人“電流表”，在給一個線圈通電或斷電的瞬間，發(fā)現另一個線圈中也出現了電流。尋找10年之久的“磁生電”的效應終于被發(fā)現了。成功屬于堅持不懈的有心人!法拉第從此茅塞頓開，立即領悟到，“磁生電”是一種在變化、運動的過程中才能出現的效應。于是他設計并動手做了幾十個實驗，深藏不露的各種“磁生電”的現象噴涌而出。法拉第把引起電流的原因概括為五類，它們都與變化和運動相了解，這就是：變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導體。他把這些現象

6、定名為電磁感應(electromagneticinduction)，產生的電流叫做感應電流(inductioncurrent)。 電磁感應的發(fā)現使人們對電與磁內在了解的認識更加完善，宣告了電磁學作為一門統(tǒng)一學科的誕生。當奧斯特發(fā)現電流的磁效應時，法拉第曾贊揚道：“它突然打開了科學中一個黑暗領域的大門，使其充滿光明?！笨磥磉@樣的榮譽應由他們共享。二、科學足跡一、科學發(fā)現的啟迪諾貝爾獎獲得者湯川秀樹曾說，對以往知識的熟知和對新鮮事物及其發(fā)展前景的敏感，是一個人的創(chuàng)造力的源泉。奧斯特在18世紀末和19世紀初去德國、法國游學時，與當時歐洲的科學家進行了廣泛的交流，無疑使他擴展了科學視野。法拉第應哲學雜

7、志之約，自1821年夏天開始撰寫題為電磁學的歷史概要的述評，于是他認真研究了奧斯特、安培等人的工作，閱讀了大量文獻。他正是從這時開始了尋求電磁感應的智力思考和實驗探索。這不正是“對以往知識的熟知和對新鮮事物及其發(fā)展前景的敏感”嗎? 歷史表明，科學研究的真正魅力在于它的非功利性。然而大多數具有社會責任感的科學家都會將自己的發(fā)現、發(fā)明與人類的利益和命運了解起來。法拉笫發(fā)現電磁感應之后，曾為此舉行一次科學普及講座，當時在場的英國財政大臣問道：“它到底有什么用呢?”法拉第認真地回答說：“啊，閣下，也許要不了多久你就可以對它收稅了。”這段話后來成為關于科學成就與經濟發(fā)展、社會進步關系的千古美談?！翱茖W史

8、上許多重要的發(fā)現和發(fā)明，常被人們有意無意地罩上神秘的光環(huán)，似乎科學家都是能呼風喚雨的魔術師。但是我們在這里看到，具有閃光思維的奧斯特和法拉第，在做出偉大發(fā)現的過程中也受著歷史局限性的束縛，也有過“可笑”的疏忽與失誤。他們是偉大的，但并不是高不可攀的。麥克斯韋曾就法拉第的著作說道：“他既告訴我們成功的經驗，也告訴我們不成功的經驗；既告訴我們那些成熟的想法，也告訴我們那些粗糙的想法。讀者的能力可能遠不及他，但是感到的共鳴卻常常多于欽佩，并且會引起這樣一種信念：如果自己有這樣的機會，也會成為一個發(fā)現者?！倍?、偉大的科學家法拉第法拉第出生于英國的一個鐵匠家庭， 曾經在裝訂工廠當過學徒。他利用這個條件，

9、讀了很多科學書籍，從中獲得了豐富的知識。他喜歡做實驗，還積極參加科學報告會。1813年，22歲的法拉第毛遂自薦，成了著名化學家戴維的助理實驗員。法拉第生活的時代，正值第一次工業(yè)革命完成。蒸汽機的應用催生了資本主義大工業(yè)，人類進入了工業(yè)文明時代， 電力應用的前景已經初見端倪。這是一個需要巨人并產生巨人的時代。法拉第看到，伏打電池昂貴、產生的電流小，而自然界中的天然磁石比較豐富。如果可以由磁產生電，就能獲得廉價的電力。他說：“我因為對當時產生電的方法感到不滿意， 因此急于發(fā)現磁與感應電流的關系，覺得電學在這條路上一定可以充分發(fā)展”。 法拉第能夠發(fā)現電磁感應現象，是因為他堅信各種自然現象是相互關聯的

10、，各種自然力是統(tǒng)一的、“不可毀滅的”、可以互相轉化的。法拉第通過廣泛的實驗研究，尋找電與磁、 電與化學、光與磁、電磁場與物質等的可能了解，試圖描繪一幅統(tǒng)一的物理世界的圖畫。法拉第還幾次試圖從實驗上發(fā)現重力與電、重力與熱之間可能存在的關系。他指出：“有一個古老而不可改變的信念，即自然界的一切力都彼此有關，有共同的起源，或者是同一種基本力的不同表現形式。這種信念常常使我想到在實驗上證明重力與電力之間了解的可能性?！痹陬愃扑枷氲闹敢?，現代物理學家仍在不懈地探索自然界不同相互作用的統(tǒng)一的規(guī)律。法拉第還認為， 電磁相互作用是通過介質來傳遞的，并把這種介質叫做“場”，他以驚人的想像力創(chuàng)造性地用“力線”(

11、即現代物理學說的磁感線和電場線)形像地描述“場”的物理圖景。 法拉第在一生的探索中遭遇了多次失敗。在他當年的日記中，“末顯示作用”毫無反應“不行”等詞語，記錄著艱苦的探索歷程。幾十年的經歷使他在晚年感嘆道：“就是最有成就的科學家，得以實現的建議、猜想、愿望和初步判斷，也不到十分之一”。法拉第謝絕了皇家學會會長、皇家研究院院長、倫敦大學教授等職位和頭銜，也不肯接受貴族爵位。1867年8月25日，法拉第坐在書房的椅子上平靜地離開了人世。他的學生和朋友丁鐸爾(JTyndall，18201893)在作為一個發(fā)現者的法拉第一書中感慨地寫道：“在他的眼中，華麗的宮廷和布拉頓高原上的雷雨比起來，算得了什么?皇家的一切器具，和落日比較起來，又算什么?我之所以說出雷雨和落日，因為這些現象在他的心里，都可以挑起一種狂喜