通识物理：电磁感应现象

奥斯特发现的电流磁效应从一个侧面揭示了电与磁之间的关系，即：“电流会在周围激发磁场”。那么反过来，磁场又能否激发电流呢？针对这个问题，许多科学家展开了探索，“电磁热”席卷欧洲，研究结果大量发表，众说纷纭，真伪难辨。1821 年，英国《哲学学报》编辑邀请著名物理学家法拉第写一篇关于电磁问题的评述，正是这个约稿促使法拉第开始了电磁学的研究，并最终有了伟大的发现。

和奥斯特一样，法拉第笃信自然力的统一，并一直在寻找“磁生电”的踪迹，然而，在1821—1831 年这十年间，法拉第还是经历了无数次的失败，他的实验日记里记录了无数次不成功的尝试，顽强的意志跃于纸上。尽管“磁生电”的迹象还没有找到，但法拉第的信念始终没有动摇。1831年8月29日，历史性的伟大时刻终于来临，如图10.12 所示，法拉第设计了一个精密的电磁学实验：他首先取来一根铁棒，在铁棒上绕上线圈，再和电流计相连，铁棒两端各放一根磁棒，当磁棒张合之际，法拉第惊喜地发现电流计的指针也在不断摆动，也就是产生了“感应电流”。这个实验结果使法拉第敏锐地意识到：“闭合导线在磁场中做切割磁感线的运动时能产生感应电流”，这就是“电磁感应现象”。

图10.12　法拉第发现电磁感应现象(www.xing528.com)

在随后的一个月里，法拉第对多种产生感应电流的方式进行了尝试，并对各项实验结果做了总结，最后他向英国皇家学会报告说：产生感应电流的情况可以分为五类，即“变化中的电流、变化中的磁场、运动的稳恒电流、运动中的磁铁、运动中的导线”；总体上看：“通过回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比”，这个规律就是著名的“法拉第电磁感应定律”。当然，法拉第所概括的这段话看起来比较晦涩，在这里我们也可以用更加通俗的话来表述，即：“只要闭合线圈中的磁感线数量（也就是磁通量的大小）发生变化，闭合线圈中就会持续产生感应电流以阻止这种变化”，其用数学表达式可写为：

当然，法拉第的这些工作只是定性地用文字表述了“电磁感应”现象，1833年爱沙尼亚物理学家楞次在概括了大量实验事实的基础上，总结出一条判断感应电流方向的规律：“感应电流的磁场要阻碍原磁通的变化”，也就是“楞次定律”。显然，根据楞次定律，我们还可以判断出感应电流的方向；而到了1845年，匈牙利物理学家诺依曼从矢量的角度最终推导出了电磁感应定律的数学形式。在电磁感应定律的启发下，人们发明并制造了发电机，现在对电的应用已经深刻地融入了人类生活的方方面面，不仅极大改变了人类的生活方式，还推动人类社会、文明的飞速发展。因此，“电磁感应定律”也堪称是电磁学最伟大的发现。