电磁感应现象及其发现历程

电磁感应现象及其发现历程

电磁感应是物理学中的一个重要现象，它揭示了电和磁之间的密切联系。本文将通过三个实验，逐步揭示电磁感应的原理，并介绍法拉第发现这一现象的过程。

实验一

如图 2–1 所示，如果让导体 AB 在磁场中向左或向右运动，电流表的指针就发生偏转，表明电路中有了电流。导体 AB 停下来，电流也就消失了。这就是说，闭合电路的一部分导体相对于磁场运动时，电路中就有电流产生。但是，如果让导体 AB 在磁场中向上或向下运动，电路中却不产生电流。怎样分析上述现象呢？我们知道，磁场可以用磁力线形象地表示出来，有了磁力线的概念，就容易分析上述现象了。导体 AB 向左或向右运动时切割磁力线，向上或向下运动时不切割磁力线。可见，闭合电路的一部分导体做切割磁力线的运动时，电路中才有电流产生。

图 2–1

在这个实验中，导体 AB 运动，如果导体不动，让磁场运动，会不会在电路中产生电流呢？让我们做下面的实验。

实验二

如图 2–2 所示，把一个磁铁插入螺线管，或者从螺线管里拿出来，可以看到，磁铁相对于螺线管运动的时候，电流表的指针发生偏转，表明螺线管电路中有了电流。如果保持磁铁在螺线管中不动，或者让二者以同一速度运动，即保持相对静止，螺线管中就没有电流了。在这个实验中，磁铁相对于螺线管运动时，螺线管的导线切割磁力线。可见，不论是导体运动，还是磁场运动，只要闭合电路的一部分导体切割磁力线，电路中就有电流产生。

图 2–2

闭合电路的一部分导体切割磁力线时，穿过闭合电路的磁力线条数发生变化。由此提示我们：如果导体和磁场不发生相对运动，而让穿过闭合电路的磁场发生变化，会不会在电路中产生电流呢？为了研究这个问题，我们做下面的实验。

实验三

如图 2–3 所示，把螺线管 B 套在螺线管 A 的外面，合上电键给螺线管 A 通电时，电流表的指针发生偏转，螺线管 B 中有了电流。当螺线管 A 中的电流达到稳定时，螺线管 B 中的电流消失，打开电键使螺线管 A 断电时，螺线管 B 中也有电流产生，如果用变阻器来改变电路中的电阻，使螺线管 A 中的电流强度发生变化，螺线管 B 中也有电流产生。在这个实验中，螺线管 B 处在螺线管 A 的磁场中，当 A 通电和断电时，或者使 A 中的电流强度发生变化时，A 的磁场随着发生变化。因此，这个实验表明：在导体和磁场不发生相对运动的情况下，只要闭合电路中的磁场发生变化，因而穿过闭合电路的磁力线条数发生变化，闭合电路中就有电流产生。

图 2–3

结论

不论是闭合电路的一部分导体做切割磁力线的运动，还是闭合电路中的磁场发生变化，穿过闭合电路的磁力线条数都发生变化，这时闭合电路中就有电流产生，我们在前一章学过磁通量的概念，磁通量表示的就是穿过某个面的磁力线条数，这样，利用磁通量的概念，我们就可以总结出如下的结论：

不论用什么方法，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生。这种利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感生电流。

电磁感应现象是法拉第经过十多年的实验研究，在 1831 年发现的。这一重大发现进一步揭示了电和磁的密切联系，为后来麦克斯韦建立完整的电磁理论莫定了基础，根据这一发现后来发明了发电机、变压器等电器设备，开辟了电能在生产和生活中广泛应用的途径。

阅读材料：法拉第电磁感应的发现

1820 年奥斯特发现了电流的磁效应后，法拉第仔细地分析了电流的磁效应，他认为，既然磁铁可以使靠近它的铁块具有磁性，静电荷可以使靠近它的导体带电，那么电流也应当使靠近它的线圈感生出电流。1822 年法拉第在日记中记载着“把磁转变成电”的光辉思想。后来法拉第对这一课题进行了系统的实验研究。

开始，法拉第认为：用强磁铁靠近导线，导线中就会产生稳恒电流。法拉第企图用实验证实这个设想，结果未获成功。但法拉第不怕困难，顽强奋战了十年，终于取得了重大突破，1831 年发现了电磁感应现象。

1831 年 8 月法拉第把两个线圈绕在一个铁环上（图 2–4），线圈 A 接直流电源，线圈 B 接电流表，他发现，当线圈 A 中的电流接通或断开时，线圈 B 中就产生瞬时电流。法拉第发现，铁环并不是必须的，拿走铁环，再做这个实验，电磁感应现象仍然发生，只是线圈中的电流弱些。

图 2–4

法拉第怎样分析他的实验呢？他的思路大致如下：

第一，线圈 B 除了处在通电线圈 A 的磁场中，同 A 没有别的联系，所以B 的感生电流只能由 A 的磁场引起，这正是他探寻了十年的磁生电的现象。

第二，A 中电流稳定因而周围磁场稳定时，B 中没有感生电流，表明稳定的磁场不引起感生电流；只有当 A 通电或断电，它的电流变化因而周围磁场变化时，B 中才有感生电流，表明变化的磁场才能引起感生电流。

第三，磁场可以由磁力线形象地描绘，B 所在处的磁场变化，也就是穿过线圈 B 的磁力线条数变化，即磁通量发生变化。

所以，感生电流的产生条件，可以归结为穿过线圈的磁通量变化。

为了透彻研究电磁感应现象，法拉第还做了许多其他实验，1831 年 11 月法拉第在所写的论文中把产生感生电流概括为五种情况：变化着的电流；变化着的磁场；运动的稳恒电流；运动的磁铁；在磁场中运动的导体，法拉第按照他的力线理论把产生感生电流的条件归结为：变化的磁力线能使导体中产生感生电流。