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法拉第电磁感应定律科学博览

2018-12-07 04:11:12

法拉第电磁感应定律科学博览 ——

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确定闭合回路中由于磁通量变化而产生感应电动势的定律,是在1831年M.法拉第发现电磁感应现象的基础上总结得到的。 电磁感应现象的发现 自从H.C.奥斯特在1820年发现电流的磁效应,揭示了电与磁联系的一个方面之后,不少物理学家试图探索磁是否也能产生电,他们曾经进行过不少实验,但均未获得成功。1824年起,法拉第也进行了努力的探索。当年,他曾把磁铁放在接有检流计的线圈内,结果没有发现检流计指针偏转。1825年,他将导线回路放在另一通电回路附近,期望在导线回路中能感应电流,因为他当时认为:既然带有电荷的导体能使附近导体感应电荷,那么,载有电流的导体也能使附近导体感应电流,二者应有相似的性质。但他在实验过程中由于只观察了恒定电流对导体的作用,未研究电流变化时的效应,而没有得到任何结果。1828年,他又设计了专门的装置,使导线和磁铁处于不同位置,都仍然未见导线内产生电流。这些失败并没有动摇他的信心,经过反复思索和实验,他终于在1831年8月29日次观察到感应的效应。他在一个外圆直径为 6英寸的软铁环上相对地绕了二组线圈A和B;线圈 B的两端用铜导线连结起来,并将铜导线的一段放在远离线圈B3英尺的一个磁针的上方,这个磁针相当于一个检流计;线圈A连接由10个电池组成的电池组。法拉第发现将线圈 A接通电池的瞬间,小磁针来回摆动,终稳定在原来的位置;断开电池的瞬间,磁针再次出现扰动,然后又恢复原来位置。接着他稍事改进检测电流的装置,将连接线圈B的铜导线改制成扁平的线框,平行地放置在小磁针的旁边。他发现线圈A与电池组接通和断开的瞬间,线框对磁针吸引相反,表明接通和断开瞬间,线圈B中的电流方向相反。实验的结果出乎原来的预料,感应效应不是持续的而是短瞬的。为了证实感应电流是同磁的某种变化相联系的想法,9月24日,他在一根软铁棒上绕以线圈,将线圈与检流计连接,然后将软铁棒放在一根磁铁棒的N极和另一根磁铁棒的S极之间,两根磁铁棒的另一极彼此接触。每当软铁棒脱离或接触两极时,检流计的指针发生短暂的扰动。以后他进一步做了一系列实验,用来判明产生感应电流的条件和决定感应电流的因素。他观察了磁棒插入线圈和从线圈内移出时的感应现象(10月17日);他做了电源接通和断开时两个同轴线圈的感应实验,并用铁心增强感应效应(10月1日和18日);他借用皇家科学院大型磁铁增强感应效果,并用圆盘在磁场中的旋转获得连续的电流(10月28日),这是世界上台利用感应原理的发电机。此外,他还做了许多其他感应现象的实验。通过广泛的实验和精心的思索,他终于揭开了感应现象的奥秘。用他自己的语言来说,就是在电流和磁体周围的空间存在一种“紧张状态”,他用磁力线来描述这种“紧张状态”。当导线切割磁力线运动时产生感应电流。 定律的数学表达式 1832年,法拉第发现在相同的情况下,不同金属导线中产生的感应电流同导线的导电能力成正比。这个结果表明,感应在于产生确定的电动势,它同导线的性质无关,而仅取决于导线对磁力线的切割。他甚至相信不论导线形成闭合回路还是开路,都可产生感应电动势。1834年俄国的Э.Χ.楞次给出了确定感应电流方向的明确表述。在这样的基础上,F.E.诺埃曼于1845年给出了感应定律的数学表述。虽然法拉第并没有把他的研究结果用数学公式定量表示出来,但他对于电磁感应现象的丰富研究,无疑有资格赢得发现的全部荣誉。用现代语言来表述,当回路内部的磁通发生变化时,回路上产生的感应电动势同总磁通的时间变化率成正比,用数学公式表示为 式中ε 是回路上的感应电动势, φ为穿过回路的总磁通,式中的负号反映感应电动势的方向,同楞次定律决定的方向一致。这个结论就是法拉第电磁感应定律。 历史意义 法拉第电磁感应定律是电磁学的一条重要的基本定律,它的发现具有重大的意义。通过法拉第定律,可以对电和磁之间的联系有更进一步的认识,从而激励人们探索电和磁普遍联系的理论。从这定律出发,J.C.麦克斯韦推广了电场的概念:空间不但可以存在由电荷激发的静电场,也可存在由变化磁场激发的涡旋电场。根据这一假设,得出了电磁场方程组中的一个基本方程墷×E=-дB/дt。 电磁感应现象的发现在实际应用方面有着更为重要的意义,电力、电信等工程的发展就同这一发现有密切的关系;发电机、变压器等重要电力设备都是直接应用电磁感应原理制成,用它们建立电力系统,将各种能源(煤、石油、水力等)转换成电能并输送到需要的地方,这就极大地推动了社会生产力的发展。 法拉第1831年8月29日日记手迹参见M.法拉第,它记录了电磁感应的个成功的实验。

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