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法拉第怎么發現電磁感應的？ 法拉第電磁感應定律( 三 )

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在接下來的幾周里，電磁感應的特性在一系列精確的實驗中得到了證實 。在法拉第提高了器件的靈敏度后，還觀察到電流通斷時，二次回路中產生的電流流向相反 。接下來，他在實驗中發現，線圈有不同的形狀和大小，不需要鐵棒來產生這種效果 。1831年10月17日，他做了一個新的實驗:將一個圓柱形磁鐵移動到一個與檢流計相連的長線圈(或螺線管)上時，線圈中產生電流 。然后，1831年10月28日，他在倫敦皇家學會做了一個著名的實驗，證明了在社會上購買的一個“大馬蹄磁鐵”的磁極之間轉動一個銅盤，可以產生持續的電流 。銅盤的軸和邊緣與檢流計滑動接觸 。當銅盤轉動時，指針偏轉 。1831年11月4日，法拉第發現只要在磁鐵兩極間移動一根銅線就能產生電流 。就這樣，在四個月內，他發明了變壓器和發電機 。
早在1831年，法拉第就根據磁力線概念創立了電磁感應的定性定律:電流回路中感應出的電動勢與切割磁力線的速度直接相關 。對了，這些磁力線指的是鐵屑描繪的磁力 。
那時，他意識到“電”意味著許多不同的東西 。除了他剛剛發現的磁電，還有靜電 。自古以來就知道可以通過摩擦產生 。伏特與伏特堆中的化學效應有關 。在熱電中，不同類型的材料接觸放置，接觸的端點保持在不同的溫度，產生電勢差 。此外還有動物電，比如法拉第和大衛一起旅行時看到的魚雷、電鰻等魚類產生的電 。對于現在有“后知之明”的我們來說，他問了一個可能顯而易見的問題，但在當時卻顯示了他深刻的洞察力:這些不同形式的電是同一種東西嗎？1832年，他做了一系列漂亮的實驗，結果證明，無論什么電源，包括電魚，都能產生同樣的化學、電磁等效應 。
雖然電磁感應定律很早就被發現，但法拉第為了證明其普遍有效性，花了幾年時間完成了所有必要的實驗工作:不管磁通量的來源是什么，閉合回路中總磁通量的變化率決定了回路中感應電動勢的大小 。1834年，冷慈(1804 ~ 1865)宣布，電路中感應電動勢的方向被闡明:電路中，電動勢的方向抵抗磁通量的變化(楞次定律) 。
法拉第并沒有表達電磁現象的數學理論，但他確信力線的概念是理解電磁現象的關鍵 。1846年，他在皇家學會的演講中推測，光可能是某種沿著磁力傳播的擾動 。他在他的論文《關于射線振動的思考》中發表了這些觀點，但是這些觀點遭到了相當大的懷疑 。然而，法拉第是對的 。正如我們將在下一節看到的，1864年，麥克斯韋推斷光確實是一種電磁輻射 。麥克斯韋利用優秀的物理直覺和數學能力，把法拉第的思想和發現放到數學表達式中，推導出任何以真理空傳播的電磁波都是以光速傳播的 。正如麥克斯韋本人在他1865年發表的偉大論文《電磁場的動態理論》中所證實的:
橫向磁場擾動的傳播概念是法拉第教授在《關于射線振動的思考》中專門闡述的一個思想 。除了1846年沒有計算傳播速度的數據外，他提出的光的電磁理論和我在這篇論文中已經開始形成的理論本質上是一樣的 。
雖然法拉第沒有表達電磁現象的數學理論，但他對電場和磁場行為的深刻理解為數學家(如麥克斯韋)提供了發展電磁場數學理論所需的基本見解 。麥克斯韋說:
當我繼續做法拉第的研究時，我認為他所構想的理解現象的方法也是一種數學模型方法，雖然在形式上沒有用傳統的數學符號來表達...我也看到在數學家發現的一些最有活力的研究方法中，有比法拉第的原始形式好得多的方法來表達法拉第的思想 。
我(這本書的作者)必須承認，當我第一次研究電磁力線的時候，磁力線是我理解電磁現象的一個障礙，主要是沒有給我解釋清楚，只是一個工作模型 。實驗中實際測得的是空之間不同點的力矢量，虛擬的力線只是代表這些矢量場的概念模型 。在下一節中，我們將回到這個關鍵問題 。
在離開對法拉第的描述之前，我們必須進一步描述一個影響麥克斯韋對電磁性質思考的關鍵發現 。法拉第對自然力的統一有一種本能的信念，特別是光、電、磁等現象之間應該有密切的關系 。在1845年底的一系列實驗中，法拉第試圖看到強電場對光的偏振的影響，但未能看到 。他沒有使用磁場，而是讓光穿過強磁場，實驗已經很久沒有顯示出這種效果了 。從1825年到1830年，為了制造天文儀器，倫敦皇家學會購買了一些高質量的光學玻璃——硼酸鹽玻璃 。它們很重，并且具有很高的折射率 。當法拉第讓光在強磁場中穿過硼酸鹽玻璃時，他想看到的現象終于出現了 。現在這種現象被稱為法拉第旋轉法拉第旋轉:光在透明介質中沿磁場方向傳播時，線偏振光的偏振面發生旋轉 。唐慕孫(1824 ~ 1907)[后來的開爾文勛爵]認為這一現象是磁場導致分子電荷旋轉的證據 。根據安培的早期提議，開爾文假設磁性本質上是一種旋轉特性 。這對麥克斯韋在自由空空間建立磁場模型產生了強烈的影響 。

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