中學(xué)物理第二冊(cè)電磁學(xué)部分物理史話

1、中學(xué)物理第二冊(cè)電磁學(xué)部分物理史話一、劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)奧斯特夢(mèng)圓“電生磁” 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是與電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)密切相連的。在19世紀(jì)20年代之前的漫長歲月里，電和磁的研究始終獨(dú)立地發(fā)展著。盡管18世紀(jì)中葉人們就曾發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象，但包括庫侖在內(nèi)的眾多物理學(xué)家仍然認(rèn)為電與磁是互不相關(guān)的。 到了18世紀(jì)末，人們開始思考不同自然現(xiàn)象之間的了解。例如，摩擦生熱表明了機(jī)械運(yùn)動(dòng)向熱運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，而蒸汽機(jī)則實(shí)現(xiàn)了熱運(yùn)動(dòng)向機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化。于是，一些獨(dú)具慧眼的哲學(xué)家如康德(1Kant，17241804)等，提出了各種自然現(xiàn)象之間相互了解和相互轉(zhuǎn)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(xué)將不再是關(guān)于運(yùn)動(dòng)、熱、空氣、光、電、磁以及我們所知道的各種其他現(xiàn)象的零散的羅列，我們將把整個(gè)宇宙納在一個(gè)體系中?！比欢瑠W斯特尋找電與磁相互了解的實(shí)驗(yàn)研究并未很快成功。機(jī)遇總是青睞那些有準(zhǔn)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(dǎo)線下面放置了一枚小磁針。當(dāng)電源接通時(shí)，小磁針居然轉(zhuǎn)動(dòng)了!聽眾中大概沒有人注意到這個(gè)現(xiàn)象，但奧斯特一直惦記著電與磁的了解，這個(gè)現(xiàn)象使他振奮。隨后的實(shí)驗(yàn)證明，載流導(dǎo)線的確能使磁針偏轉(zhuǎn)。這種作用稱為電流的磁效應(yīng)。電流的磁效應(yīng)顯示了載流導(dǎo)體對(duì)磁針的作用力，揭示了電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象

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

4、”，并在1822年的一篇日記中留下了“由磁產(chǎn)生電”這樣閃光的思想字跡。 法國物理學(xué)家安培也曾將恒定電流或磁鐵放在導(dǎo)體線圈附近，試圖“感應(yīng)”出電流，種種嘗試均無所獲。瑞士人科拉頓的實(shí)驗(yàn)研究也遺憾地與成功擦肩而過。只有法拉第依然魂?duì)繅?mèng)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(gè)時(shí)期促使我通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)研究，然而均以失敗告終。原因在于，法拉第認(rèn)為，既然奧斯特的實(shí)驗(yàn)表明有電流就會(huì)有磁場，那么有了磁場就一定會(huì)有電流。于是，他在這些實(shí)驗(yàn)中使用恒定電流產(chǎn)生的磁場，看看這樣的磁場是不是會(huì)在某個(gè)電路中產(chǎn)

5、生感應(yīng)電流。 多次失敗后，1831年8月29日，他終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象：把兩個(gè)線圈繞在同一個(gè)鐵環(huán)上(如圖所示)，一個(gè)線圈接到電源上，另一個(gè)線圈接人“電流表”，在給一個(gè)線圈通電或斷電的瞬間，發(fā)現(xiàn)另一個(gè)線圈中也出現(xiàn)了電流。尋找10年之久的“磁生電”的效應(yīng)終于被發(fā)現(xiàn)了。成功屬于堅(jiān)持不懈的有心人!法拉第從此茅塞頓開，立即領(lǐng)悟到，“磁生電”是一種在變化、運(yùn)動(dòng)的過程中才能出現(xiàn)的效應(yīng)。于是他設(shè)計(jì)并動(dòng)手做了幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)，深藏不露的各種“磁生電”的現(xiàn)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(yùn)動(dòng)相了解，這就是：變化的電流、變化的磁場、運(yùn)動(dòng)的恒定電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵、在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。他把這些現(xiàn)象

6、定名為電磁感應(yīng)(electromagneticinduction)，產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流(inductioncurrent)。 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)電與磁內(nèi)在了解的認(rèn)識(shí)更加完善，宣告了電磁學(xué)作為一門統(tǒng)一學(xué)科的誕生。當(dāng)奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)時(shí)，法拉第曾贊揚(yáng)道：“它突然打開了科學(xué)中一個(gè)黑暗領(lǐng)域的大門，使其充滿光明?！笨磥磉@樣的榮譽(yù)應(yīng)由他們共享。二、科學(xué)足跡一、科學(xué)發(fā)現(xiàn)的啟迪諾貝爾獎(jiǎng)獲得者湯川秀樹曾說，對(duì)以往知識(shí)的熟知和對(duì)新鮮事物及其發(fā)展前景的敏感，是一個(gè)人的創(chuàng)造力的源泉。奧斯特在18世紀(jì)末和19世紀(jì)初去德國、法國游學(xué)時(shí)，與當(dāng)時(shí)歐洲的科學(xué)家進(jìn)行了廣泛的交流，無疑使他擴(kuò)展了科學(xué)視野。法拉第應(yīng)哲學(xué)雜

7、志之約，自1821年夏天開始撰寫題為電磁學(xué)的歷史概要的述評(píng)，于是他認(rèn)真研究了奧斯特、安培等人的工作，閱讀了大量文獻(xiàn)。他正是從這時(shí)開始了尋求電磁感應(yīng)的智力思考和實(shí)驗(yàn)探索。這不正是“對(duì)以往知識(shí)的熟知和對(duì)新鮮事物及其發(fā)展前景的敏感”嗎? 歷史表明，科學(xué)研究的真正魅力在于它的非功利性。然而大多數(shù)具有社會(huì)責(zé)任感的科學(xué)家都會(huì)將自己的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明與人類的利益和命運(yùn)了解起來。法拉笫發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)之后，曾為此舉行一次科學(xué)普及講座，當(dāng)時(shí)在場的英國財(cái)政大臣問道：“它到底有什么用呢?”法拉第認(rèn)真地回答說：“啊，閣下，也許要不了多久你就可以對(duì)它收稅了?！边@段話后來成為關(guān)于科學(xué)成就與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步關(guān)系的千古美談。“科學(xué)史

8、上許多重要的發(fā)現(xiàn)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(xué)家都是能呼風(fēng)喚雨的魔術(shù)師。但是我們?cè)谶@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(xiàn)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(jīng)驗(yàn)，也告訴我們不成功的經(jīng)驗(yàn)；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(yuǎn)不及他，但是感到的共鳴卻常常多于欽佩，并且會(huì)引起這樣一種信念：如果自己有這樣的機(jī)會(huì)，也會(huì)成為一個(gè)發(fā)現(xiàn)者?！倍ゴ蟮目茖W(xué)家法拉第法拉第出生于英國的一個(gè)鐵匠家庭， 曾經(jīng)在裝訂工廠當(dāng)過學(xué)徒。他利用這個(gè)條件，

9、讀了很多科學(xué)書籍，從中獲得了豐富的知識(shí)。他喜歡做實(shí)驗(yàn)，還積極參加科學(xué)報(bào)告會(huì)。1813年，22歲的法拉第毛遂自薦，成了著名化學(xué)家戴維的助理實(shí)驗(yàn)員。法拉第生活的時(shí)代，正值第一次工業(yè)革命完成。蒸汽機(jī)的應(yīng)用催生了資本主義大工業(yè)，人類進(jìn)入了工業(yè)文明時(shí)代， 電力應(yīng)用的前景已經(jīng)初見端倪。這是一個(gè)需要巨人并產(chǎn)生巨人的時(shí)代。法拉第看到，伏打電池昂貴、產(chǎn)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(chǎn)生電，就能獲得廉價(jià)的電力。他說：“我因?yàn)閷?duì)當(dāng)時(shí)產(chǎn)生電的方法感到不滿意， 因此急于發(fā)現(xiàn)磁與感應(yīng)電流的關(guān)系，覺得電學(xué)在這條路上一定可以充分發(fā)展”。 法拉第能夠發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，是因?yàn)樗麍?jiān)信各種自然現(xiàn)象是相互關(guān)聯(lián)的

10、，各種自然力是統(tǒng)一的、“不可毀滅的”、可以互相轉(zhuǎn)化的。法拉第通過廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，尋找電與磁、 電與化學(xué)、光與磁、電磁場與物質(zhì)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(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)重力與電、重力與熱之間可能存在的關(guān)系。他指出：“有一個(gè)古老而不可改變的信念，即自然界的一切力都彼此有關(guān)，有共同的起源，或者是同一種基本力的不同表現(xiàn)形式。這種信念常常使我想到在實(shí)驗(yàn)上證明重力與電力之間了解的可能性。”在類似思想的指引下，現(xiàn)代物理學(xué)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(rèn)為， 電磁相互作用是通過介質(zhì)來傳遞的，并把這種介質(zhì)叫做“場”，他以驚人的想像力創(chuàng)造性地用“力線”(

11、即現(xiàn)代物理學(xué)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(dāng)年的日記中，“末顯示作用”毫無反應(yīng)“不行”等詞語，記錄著艱苦的探索歷程。幾十年的經(jīng)歷使他在晚年感嘆道：“就是最有成就的科學(xué)家，得以實(shí)現(xiàn)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(xué)會(huì)會(huì)長、皇家研究院院長、倫敦大學(xué)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(xué)生和朋友丁鐸爾(JTyndall，18201893)在作為一個(gè)發(fā)現(xiàn)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?yàn)檫@些現(xiàn)象在他的心里，都可以挑起一種狂喜