第4章 感应线圈

4.1 电磁感应

自从电流的磁效应被发现以后，自然界普遍存在的对称性、可逆性的规律，不禁让人们想到，既然电可以生磁，是不是磁也可以生电？对于绝大多数人来说，这种疑问似乎是一闪而过的，也有不少人为此付出了许多的努力，并且已经走到了真理的边缘。今天，由磁生电被称为电磁感应。

1821年，安培为支持他的分子电流学说，做了一个铜环实验（见图4-1），观察到了条形磁铁与铜环相互作用的现象。安培说：“如果不承认在铜环中存在着可以形成运动电流的少量铁的话，这个实验就无疑地证明了感应能够产生电流。”但是，这个结论与安培的分子电流学说关系不大，最终被忽略了。

1822年，安培又在日内瓦重复这个实验（见图4-2），实验的助手是瑞士物理学家德拉里夫的儿子小德拉里夫——阿瑟·奥古斯特·德拉里夫（Auguste Arthur de La Rive，1801—1873，见图4-3），也是著名物理学家。小德拉里夫报告说：“这个重要的实验表明：有些物质，虽然不能像铁、钢那样被电流永久地磁化，但是当它们受到这种影响时，至少能被暂时地磁化。”这里，德拉里夫并没有明确指出一个电流感应出另一个电流。［16］

1822年，阿拉果（Dominique François Jean Arago，1786—1853）与冯·洪堡（Alexander von Humboldt，1769—1859）在格林威治的一个小山上测量地磁强度时，偶然发现了金属可以阻尼磁针的振荡。当时，阿拉果不能对这一现象作出解释，也就没有引起他的重视。

1824年，阿拉果又想到了在格林威治山上所观察到的现象的重要性，于是设计了著名的阿拉果圆盘实验。该实验的具体做法是：把一个铜质圆盘装在垂直轴上，使其可以自由旋转，然后用一根十分柔软的悬丝在圆盘上方吊一根磁针。当旋转圆盘时，磁针也跟着一起旋转，但磁针稍有滞后。此盘被人称为阿拉果圆盘（Aragos'disk）或阿拉果旋转（Arago's rotations）。阿拉果也因此于1825年获得柯普利奖（The Copley Medal）。这个实验在当时具有十分重要的地位，引起了电磁学界的轰动，但当时还没有人能解释这个现象。后来，法拉第在他著名的《电学实验研究》一书的第4章第2节中，称誉它为“非凡的实验”，在第4章第4节中表示他在1831年所做的电磁感应实验是“完满解释阿拉果现象的钥匙”，并把长达69节的第4章命名为《阿拉果磁现象的解释》，由此可见这一实验影响之深远。［17］

1825年，日内瓦年轻的物理学家小德拉里夫的助手瑞典物理学家丹尼尔·克拉顿（Jean-Daniel Colladon，1802—1892）独立做了一个实验，实验的设计是非常正确的，可以想象，结果也肯定是正确的，可惜，他没有观察到。

克拉顿的实验是这样做的：他用导线绕成一个线圈，再用一个电流计检测线圈中是否有电流存在，如果线圈中有电流，与线圈连在一起的灵敏电流计的指针就会偏转。他不像安培那样用通过强电流的大线圈来产生磁性，而是直接用一个永久磁铁来产生磁性。他设想，当这个磁铁插进线圈的时候，可能会在线圈中产生电流。由于那时的电流计的指针就是小磁针，为了避免磁铁对磁针的影响，他把电流计放到另外一个房间里，然后用导线将电流计与隔壁房间的线圈连接起来。克拉顿将一块磁铁插进了线圈，然后放下磁铁，让它留在线圈里，然后迅速奔向另一个房间。当他跑到灵敏电流计前的时候，灵敏电流计的指针仍然停在零点位置，他没有看到他所想象的指针偏转的现象。克拉顿回到放着磁铁和线圈的房间，把磁铁从线圈中抽出来，又跑到灵敏电流计前，还是没有看到电流计指针的偏转。在克拉顿从一个房间奔向另一个房间的过程中，指针偏转的现象早已经结束了。他就这样跑来跑去，失去了观察到指针偏转的良机。［18］

1830年，美国物理学家亨利（Joseph Henry，1797—1878）发现了电磁感应，并且还发现了自感现象。事实上，亨利当时正在研究电磁铁，绝缘沙包线就是亨利的发明，这使得电磁铁线圈可以密绕而大大提高了电磁铁的磁性。电磁感应和自感这些理论上的突破都是亨利在电磁铁研究中的副产品。

1829年8月，亨利在研究电磁铁的时候，在他不断增加导线圈数、不断变化各种条件的电磁铁实验中，突然发现了意想不到的现象：当切断电源的一瞬间产生了一个电火花。这个电火花很具有引诱力，他立刻改变了研究方向，探讨电火花产生的条件和原因。第二年（1830年）暑假中，亨利继续对这个现象进行研究，直到1832年7月，最终发现了今天被称为“自感”的结论。

1830年8月，亨利将一个线圈连接到40ft远的电流计上，把线圈放在电磁铁的两端之间，当电磁铁通上电流产生磁场时，电流计的指针突然发生了偏转。他同时发现这是一种瞬时效应，而且接通和断开时指针的偏转方向相反。［19］

事实上，亨利在实验中已经观察到了电磁感应现象，这比法拉第发现电磁感应现象早一年。但是当时亨利正在集中精力制作更大的电磁铁，没有及时发表这一实验成果，而法拉第发表在先，所以现在公认是法拉第最先发现了电磁感应现象。

在当时，为了实现由磁生电，大家都期许着在一个磁体或者电磁铁附近静止地放上一个导线或者线圈之类的东西，就能够源源不断产生电流。人们都在两者之间的相对位置上下足了功夫，在那个还没有能量守恒的概念的年代，这不足为奇。伟大的实验物理学家法拉第（Michael Faraday，1791—1867）也是从这样的实验道路中走过来的。

法拉第从1824年起做了一系列实验。1824年12月28日，他在日记上写道：“期望一个强磁极接近导线时通过导线的电流会受到影响，以便显示在导线其他部分中的某些反作用效应，但是未觉察到任何这类效应。”他把不同长短、不同粗细的铜线或银线做成螺旋线与电流计和电池相连接构成一个回路，把磁极放入螺旋线，并未发现电流计指针的额外偏转。

1825年1月28日，他用载流导线进行感应实验。

实验1：用一根直导线与伏打电池的两极连接，将另一根导线与之平行且相距两张纸的厚度，后者两端与电流计相连，未显示出任何作用。

实验2：把一根螺旋线与电池两极连接，并用一根直导线穿过它，后者两端连接电流计，没有影响。

实验3：用一根直导线与电池连接，在直导线上放一根螺旋线，后者两端连接电流计，没有影响。由此他得出结论：“不能以任何方式从这种连线中得到任何明显的效应。”

1828年4月22日，法拉第用一根线把一个铜线环固定在导线上并把它悬挂起来，像一个扭秤一样，然后把强磁棒的磁极穿入环内，假定铜线环内产生了感应电流，但是把其他磁铁靠近导线，无论放在什么位置，都没有任何效应产生。［20］

1831年8月29日，法拉第在实验笔记中记述了他第一次成功的实验（见图4-4和图4-5）。法拉第的实验结果自然不必赘述，全世界具有初中文化水平的人都已经一清二楚。有几点需要特别说明：第一，法拉第并不是从1820—1831年之间用了11年的时间一直在寻找电磁感应，期间还进行了大量的其他电磁学和化学实验，并且成果颇丰。电磁铁的出现，为法拉第和亨利发现电磁感应（其中包括自感）起了很大的帮助作用。第二，今天所称的法拉第电磁感应定律并非完全出自法拉第之手，无论是中学物理上的初等形式还是大学电磁学中的微分形式。法拉第本质上是一位伟大的实验物理学家。在法拉第内容极其丰富的数十万言的巨著《电学实验研究》中，很难找到一个数学公式。法拉第电磁感应定律的数学形式也并不是法拉第得到的，而是德国数学家弗朗茨·恩斯特·诺依曼（Franz Ernst Neumann，1798—1895）在法拉第发现电磁感应之后14年，即1845年，才明确定义了电动势的概念，并建立了这个电磁感应定律。此外，诺依曼还首先引进了自感系数和互感系数的概念。在此之后，法拉第又通过实验验证了诺依曼的数学表述。因此，一些书籍上面称之为法拉第-诺依曼电磁感应定律。第三，法拉第在他的实验笔记中，对于感生电流的发现也是有结论的，但叙述不够精辟。后来，楞次定律非常简洁地给出了感生电流的方向。楞次定律出现在后来的法拉第-诺依曼电磁感应定律中时，它变成了一个负号“-”。