CH維克托SCHUNK 感應(yīng)線CH維克托SCHUNK 感應(yīng)線

原理

編輯

電磁感應(yīng)的本質(zhì)可以追塑到麥克斯韋電磁場理論：變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生電場，當(dāng)導(dǎo)體處在此電場中時，導(dǎo)體中的自由電子在電場力作用下作定向移動而產(chǎn)生電流即感應(yīng)電流；如果不是閉合回路，則導(dǎo)體中自由電子的定向移動使斷開處兩端積累正、負電荷而產(chǎn)生電勢差----感應(yīng)電動勢。

電磁學(xué)理論

編輯

1837年法拉第引入了電場和磁場的概念，指出電和磁的周圍都有場的存在，這打破了牛頓力學(xué)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念。1838年，他提出了電力線的新概念來解釋電、磁現(xiàn)象，這是物理學(xué)理論上的一次重大突破。1843年，法拉第用有名的“冰桶實驗”，證明了電荷守恒定律。1852年，他又引進了磁力線的概念，從而為經(jīng)典電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。后來，英國物理學(xué)家麥克斯韋用數(shù)學(xué)工具研究法拉第的力線理論，后完成了經(jīng)典電磁學(xué)理論。

法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象并不是一帆風(fēng)順的，而是經(jīng)過了十年的艱苦探索。1821年,法拉第開始轉(zhuǎn)向電磁學(xué)研究,他發(fā)現(xiàn)了磁極繞著載流導(dǎo)線轉(zhuǎn)動和載流導(dǎo)線繞磁鐵轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為電磁旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。通過電磁旋轉(zhuǎn)的實驗,使他想到,既然電對磁有作用,一定有磁對電的反作用；既然電流能產(chǎn)生磁,則磁也一定能產(chǎn)生電流。1822年,他在日記上寫下了他的光輝思想：“磁能產(chǎn)生電流”，并以此作為自己研究的戰(zhàn)略目標。從1824年到1831年他經(jīng)歷了一系列的失敗,在《法拉第日記》中,明確記載的失敗的實驗就有三次。1824年12月28日,他把強磁鐵放在接有檢流計的電流線圈內(nèi)期望會改變導(dǎo)線中的電流,結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)檢流計指針偏轉(zhuǎn)。1825年11月28日,他將導(dǎo)線回路放在另一通電回路附近,期望在導(dǎo)線回路中能感應(yīng)出電流,但也沒有發(fā)現(xiàn)任何效應(yīng)。1828年4月22日,他把磁鐵穿入一個懸掛起來的銅線環(huán)內(nèi),期望環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,但把其它磁鐵與導(dǎo)線放在一起時,卻沒有任何效應(yīng)產(chǎn)生。

實驗沒有得到他預(yù)想的結(jié)果。雖然經(jīng)受了這一系列的失敗,但動搖不了他對自然力的統(tǒng)一性懷有的堅定的信念。他堅信電與磁的相互轉(zhuǎn)化,磁一定可以轉(zhuǎn)化為電。他說：“一方面,各種電流都伴隨有相應(yīng)強度的磁作用,它的方向與電流的方向呈直角；而另一方面,若將電流良導(dǎo)體放入有磁作用的環(huán)境中,在導(dǎo)體內(nèi)竟然*不會引起感應(yīng)電流,也不產(chǎn)生可覺察的等效于這種電流的作用，這是很不平常的。”“對這些問題及其后果的考慮,再加上想從普通磁中獲得電的希望,時時激勵著我從實驗上去探求電流的感應(yīng)效應(yīng)。”正在此時,英國物理學(xué)家斯特金發(fā)明了電磁鐵。他在一塊原來沒有磁性的軟鐵上繞以導(dǎo)線,通電以后,軟鐵就變成具有了強磁性的磁鐵。這一發(fā)明對法拉第的進一步研究有一定的啟發(fā)和幫助。

1831年8月29日,法拉第在日記中記述了他次成功的實驗。他在軟鐵環(huán)的A邊繞了三個線圈,可以串聯(lián)起來使用,也可以分開使用。在B邊以同樣的方向繞兩個線圈。他把B邊的線圈接到檢流計上,把A邊的線圈接到電池組上。當(dāng)電路接通時,法拉第看到檢流計的指針立即發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)、振蕩,然后停止在原來的位置上。這表明線圈B中出現(xiàn)了感應(yīng)電流。當(dāng)電路A斷開時,他又看到指針向相反方向偏轉(zhuǎn)。把A邊的三個線圈串聯(lián)成一個線圈重做以上實驗,對磁針產(chǎn)生的效應(yīng)比以前更加強烈。他看到B邊的感應(yīng)電流是明顯的,又是瞬時的,只在A邊斷開和接上電源時的瞬間產(chǎn)生。

在次發(fā)現(xiàn)之后,法拉第繼續(xù)進行了大量的實驗,探討電磁感應(yīng)產(chǎn)生的條件。他提出這樣的問題：是否可以用其它方法產(chǎn)生同樣的效應(yīng)?鐵環(huán)是必需的嗎?線圈A是必需的嗎?

9月24日,法拉第在兩條磁棒的N、S極之間放上一條帶有線圈的圓鐵棒,線圈與一檢流計連接。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓鐵棒接觸N、S極和脫離N、S極時,檢流計的指針就會偏轉(zhuǎn)。他指出.這一效應(yīng)不是永恒的而是瞬時的,“因此,在這里磁轉(zhuǎn)化為電是清楚的。”

10月1日,他把兩條長203英寸的絲包銅線繞在木筒上。其中一個線圈和檢流計相連接,另一個線圈和電池相連接。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流接通和斷開的瞬間,“對電流計的指針有影響,但是如此之小,以至于很難感覺到。因此在沒有鐵心的情形下也有感應(yīng)效應(yīng)。”

10月17日,法拉第用另一種方式得到了感應(yīng)效應(yīng)。他在直徑為0.75 英寸長為8.5 英寸的空心紙筒上繞了8層螺旋線,把8層線圈并聯(lián)后再接到檢流計上。當(dāng)他把磁鐵棒迅速地插入螺線管時,檢流計的指針就偏轉(zhuǎn)了,然后又迅速地拉出來，指針在相反的方向上發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。他說：“每次把磁棒插進或拉出時,這效應(yīng)都會重復(fù),因此電的波動只是從磁鐵的接近而不是磁鐵停止在那里產(chǎn)生的。"

10月28日,他把一個空心螺線管迅速送入一對大的磁極之間,檢流計的磁針受到強烈的影響，然后又迅速的取出，磁針同樣受到強烈影響。這是在磁鐵與線圈有相對運動時所產(chǎn)生的一種效應(yīng)。

1831年10月24日,法拉第在提交給學(xué)會的一篇論文中,把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況概括成5類：變化著的電流,變化著的磁場,運動的穩(wěn)恒電流,運動的磁鐵,在磁場中運動的導(dǎo)體。他在《電學(xué)的實驗研究》第19節(jié)中還講到感應(yīng)電流的方向。他寫道：“當(dāng)一條載流導(dǎo)線與另一條與之平行的導(dǎo)線相互接近時，感應(yīng)電流方向與施感電流的方向相反,它們彼此排斥,反抗互相接近；當(dāng)兩線離開時,感應(yīng)電流的方向與施感電流的方向相同,它們彼此吸引,反抗互相分離。”但這只是確定感應(yīng)電流方向的一個特例,還沒有提出確定感應(yīng)電流方向的普遍法則。他在《電學(xué)的實驗研究》第119節(jié)中指出：當(dāng)一塊金屬通過磁極前面或兩極之間時,所產(chǎn)生的電流與運動方向成直角。據(jù)此理由他解釋了阿拉果實驗,當(dāng)圓盤在磁場中旋轉(zhuǎn)時,感應(yīng)電流的方向近似沿半徑方向,在盤內(nèi)形成閉合的感應(yīng)電流,即渦電流,這個電流趨向于阻止磁針和圓盤的相對運動,因此磁針就隨著圓盤轉(zhuǎn)動起來。

從10月底到11月初,法拉第進行了他較有名的圓盤實驗。他在一個銅軸上安裝了扁平的銅盤,把它放在磁鐵的兩極間,用一根導(dǎo)線從銅軸上引出,另一根導(dǎo)線與銅盤邊緣接觸,然后把這兩根導(dǎo)線與電流計相連接,當(dāng)銅盤轉(zhuǎn)動時,指針就發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。當(dāng)反方向轉(zhuǎn)動時,指針的偏轉(zhuǎn)方向相反。在銅盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動時,指針持續(xù)地偏轉(zhuǎn)。這就是一臺原始的發(fā)電機,通過銅盤的機械轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生了電流。

與此同時,法拉第還用磁感應(yīng)線概念來解釋電磁感應(yīng)現(xiàn)象。他在《電學(xué)的實驗研究》第231節(jié)中指出：“相對于磁鐵運動的金屬中存在的感應(yīng)電流取決于金屬橫切的磁感應(yīng)線。”

1832年,法拉第發(fā)現(xiàn)在相同條件下不同金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與導(dǎo)體的導(dǎo)電能力成正比(歐姆定律已在1826年得出),他由此意識到在電磁感應(yīng)中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。這個電動勢與導(dǎo)體的性質(zhì)無關(guān),只取決于導(dǎo)線和磁力的相互作用。在閉合回路中感應(yīng)電動勢產(chǎn)生了感應(yīng)電流,在開路中沒有感應(yīng)電流,但感應(yīng)電動勢還存在。