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第9章 电磁学的发展(4)

阿拉果是法国天文学家和物理学家,当他听到奥斯特的新发现后,大约做了两周左右的大量实验,除了验证奥斯特的实验结果无误外,还发现了新的现象,这就是铁的磁化现象。在他给科学院的报告《关于在伏打电流的作用下,铁与钢的磁化实验》中,作了如下描述。用一个螺旋线圈,在其中放置了铁(或钢)针,当线圈与伏打电池接通之后,使铁(钢)针具有了磁性,后来,又发现通电线圈具有吸引铁屑的能力,并且还发现铁屑在线圈周围呈圆形排列。1824年阿拉果发现了更加难于理解的实验现象:悬挂着的磁体(它可以自由转动)在它的下方平行放置一个可自由转动的铜圆盘。如果两者的距离足够近,当磁体转动时将引起铜盘的转动;而铜盘转动时,又会使磁体转动。对于刚刚发现电流的磁效应的科学界来说,是无法解释这些奇特现象的。

法拉第发现电磁感应现象之后,在试图对阿拉果的神秘实验予以科学的解释过程中,产生了磁力线的观念。《电学实验的研究》的116条目中,法拉第第一次绘制了表示磁力线的图形。其中有一个条形磁铁和一个银质小刀。并解释了小刀做切割磁力线运动时,小刀本身将产生什么样方向的感生电流,同时对磁力线的画法作了注解:“磁力线就是磁力的线,它的形状与磁铁放置的位置方式无关。它表示放在玻璃板上的铁屑或者小磁针所描绘的线。”他在后来的许多论文中,对磁力线作了详尽的论述。

首先,他认为磁力线并不是一些假想的几何线,而是代表着实实在在的物理实体。他指出铁屑所描绘出来的力线,只是力线存在的检验,没有铁屑空间也存在着这种力的作用线。他写道:“我不得不深信磁力线概念的真实性,因为它是以实验为基础建立起来的,而不是纯粹假设性的。”

其次,他认为每根磁力线都对应一对磁极或电荷。许多磁力线可组成力管,力管的横截面代表那个区域力的强弱。力管的收缩和扩张的趋势,是引起磁极或电荷相互吸引或排斥的原因,而且力线在几何上随距离平方稀疏起来,这说明电力或磁力遵从平方反比定律。

接着他又把布满力线的空间称之为“场”,力线疏密则是表示场的强弱。这样就赋予空间以物理实在性质,而不是虚空。当然,力线概念本身并没有彻底摆脱力学的观念,这并不奇怪,这是科学发展的继承性遗留给新概念中的旧痕。1851年他在《论磁力线》论文中指出:“无论导线是垂直地还是倾斜地切过磁力线,也无论它是沿着某一方向或沿着另一方向,这根导线都能把它所切割过的力线中的力汇集在一起”,因此“形成电流的力应该正比于切割磁力线的数量”。

1837年法拉第又根据另一个实验结果,即由于力线在介质中的稠密程度与真空中不同而提出了近距作用的概念。当他在金属电容器中插入电介质后,电容器的电量与没有电介质时不同,并得出如下结论:两金属板上的电荷的相互作用不是超距的,而是通过介质逐点传递的,是一种近距作用。

法拉第还认为以太中的场和绝缘物质中的场并没有固有的差别,对于以太,其介电常数ε=1,而对于其他绝缘物质的介电常数ε≠1。

约·汤姆逊曾对法拉第的力线观念有过这样的评价:在法拉第的许多贡献之中,最伟大的一个贡献就是力线概念。他认为借助于力线可以最简单地把电场和磁场的许多性质表示出来。确实如此,法拉第把电磁相互作用的空间“实体化”,对电磁场理论的建立,起了桥梁作用。

自感现象

约瑟夫·亨利是美国物理学家。他出生在纽约的奥尔巴尼。虽然他的志趣在于从事剧本的创作,但由于环境所迫他不得不到钟表修理店当学徒,也许这就是他改变了原来志向的一个原因。后来,一个偶然的机会他读到了一本《实验哲学讲义》,使他对自然科学发生了兴趣。于是,他进了奥巴尔学院学习,1826年成了这个学院的数学教授,1832年他受聘于普林斯顿学院做自然哲学教授,在1846年担任新成立的华盛顿斯密森学院的院长。他是继富兰克林之后,美国第一个从事电磁学研究并获得重要成就的人,他的科学研究与富兰克林一样是在繁忙的社会工作中进行的。他的科学研究是从改进别人已经发明的电磁铁开始的。

《电学杂志》月刊的创刊人斯特金制造了一个电磁铁能提起9磅重的物体,这个重量是它本身重量的20倍。他把软铁弯成马蹄形,在铁上涂以清漆,在它的上面绕了18圈的铜线,电源是内阻较小的铜锌电池。当亨利得知电磁铁的发现之后,很感兴趣,并且作了重大的改进。他用包上丝绸的铜线代替涂漆的铜线,这样他可以在铁芯上绕400圈铜线。于是,这块电磁铁就可以提起几百磅的重物,1829年3月他展出了这块新产品并做了表演。

就在他反复实验如何提高电磁铁的吸引力的过程中,在他不断增加导线圈数,不断变化各种条件的几十次、几百次的电磁铁实验中,突然发现意想不到的现象: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。并在1832年发表了关于这个问题的论文,题目是《在长螺旋线中的电自感》。他认为,电火花说明在切断电源时,产生一个比原电流大许多倍的感应电流。他并把这种现象称为电的自感。

此外,1832年亨利在《美国科学杂志》上,发表了一篇关于电磁感应现象的文章。1842年他提出莱顿瓶的放电并不是简单的恢复平衡,而是一种复杂的过程。他是继富兰克林之后的美国电磁学的大师。国际电学会议决定以他的名字作为电感系数的单位。

1834年法拉第在不知道亨利发现的情况下,独立的发现了自感现象,并把这个现象详细记载在《电学实验研究》一书中:“詹金先生曾向我讲到这样一个现象,通常用导线连接两个极板时,无论实验者怎样做,都不会有触电的感觉,但是,如果是连接电磁铁的导线时,就会有比较明显的电击感觉。”他又写道:“此外,还有一个明显的现象,就像大家很早以前已经看到的一样,在切断电磁铁的电源时,发生明亮的火花。”

法拉第在做了各式各样的实验之后,认为,这种火花是电磁铁电路中,感应出二次电流的结果,开始他把这二次电流叫做:“额外电流”,并且他认识到它是一种电流对它自身的感应,而且在断路时和原电流同方向并加强原电流;当接通电路时它向相反方面流出,并减弱了原电流,当时这种“额外电流”的理论受到强烈的反对,但最后还是被其他研究者所证实。

英国物理学家丁铎尔曾对法拉第的工作有过高度的评价,他曾指出:关于电磁感应的发现是迄今所获得的最伟大的实验成果。这是法拉第研究的新的高峰。

亨利和法拉第的科学实践说明,任何一项新的重大发现,都离不开原来的工作基础。许多新的发现,常常是在多次重复前人的实验中诞生的。这种科学研究中的继承和创新的关系,反映了客观物理现象之间的内部联系。如果要不是电磁铁的出现,也就很难这样快地发现自感现象。

楞茨定律

德国物理学家楞茨出生于前苏联的杰浦特城的一个市法院书记家庭中。由于早年丧父生活贫困,因此很不容易才能受到中学教育。后来虽然于1820年考入杰浦特大学的自然科学系,但由于他家庭负担过重,不得不转入神学院学习,尽管如此,他仍继续钻研物理学。大学三年级他应邀参加了环球考察,3年的航海生涯和考察工作,使他增长了学识、开阔了眼界。1826年楞茨航海归来之后,一方面在一所中学里教物理,另一方面整理考察报告。1828年在彼得堡科学院作了关于考察结果的报告,引起了与会者的重视,可以说这是他第一次显露出科学研究的才华。1835年他应邀主持了彼得堡大学的物理学讲座,不久又当选为物理数学系的主任。

楞茨在1832年获悉法拉第发现电磁感应现象之后,立即开始了他的实验研究。开始他重复了奥斯特、安培和法拉第等人做过的一系列实验,并且又进行了一些新的探索,得到了一个新的定律。1833年11月29日楞茨在他向科学院作的《关于动电感应引起的伽伐尼电流的方向的确定》报告中写道:“我在阅读法拉第的论文时,曾产生了这样一种想法:一切动电感应实验都可以很容易纳入动电运动定律,如果后者已知,则前者即可决定,因为一系列实验(其中包括众所周知的许多实验和我为了证实自己的想法而特别进行的实验)证明了我的想法是正确的……”

楞茨在他的文章中,对法拉第的电磁感应定律与安培的电流间相互作用定律作了对比,从中找到了确定感生电流方向的规律。他对比两个定律的上述结论后指出,根据安培定律,同向通电导体受力使它们相互靠近;而根据法拉第定律,相互靠近的两导体所产生的感生电流的方向,则与原载流导体的电流方向相反。对比两个可动的导体,感生电流的方向,正是两通电导体的远离方向,这说明感生电流的方向是不让可动导体向固定导体靠近的方向,也就是阻碍导体靠近的方向。于是他认为“金属导体在电流或磁铁附近运动,那么导体中激起的伽伐尼电流的方向,使处于静止状态的导体朝相反的方向移动;当然这是假定这种移动只能沿着运动的方向或与运动恰恰相反的方向进行的话”。在这里,楞茨把安培发现的电流对磁铁(或电流)的相互作用定律和法拉第发现的电磁感应定律合并成一个定律。这个定律在现代可简捷表述为:感生电动势所产生的感生电流和机械力的方向,是阻碍产生感生电动势的导线的运动或磁通量的改变。同年,楞茨在其另一篇论文《关于伽伐尼电流的几个实验》中,从理论上给出了电与磁相互转换的可逆性原理,他写道:“每一电磁实验,都可以转换成相应的磁电实验。为此只要把电磁实验中所发生的运动,以其他某种方式传给伽伐尼电流的导体,这时导体内就会产生电流,其方向和电磁实验中所用的电流方向相反。”

楞茨定律的提出,在理论上对普遍的能量守恒和转化定律的诞生,起了催生的作用。因为楞茨定律实际上是能量守恒和转化定律的一种特殊情况,是机械能与电能的转换关系的具体表现。而在实际应用方面,这个定律又是电工学的基础。由它可以引出电磁惯性原理,这一原理对解决一系列理论电工问题有很大的意义;由楞茨定律还可以直接引出发电机与电动机的可逆性原理,它是实用电工学的基础。

此外,楞茨在发电机、金属导电性以及电流热效率等研究上,都获得了重要成果,他为经典电磁学的建立作出了自己的贡献。

焦耳定律与基尔霍夫定律

伏打电堆在相当长的时间里是产生电流的唯一手段,但是它有一个缺点,就是由于极化作用,它的电流迅速减小,不能保持稳定。于是,英国化学家丹聂尔经过数年的努力,终于发明了一种新式电池,这个电池被后人称为丹聂尔电池。丹聂尔在科学研究道路上,所以取得显著的成就,是与他得到法拉第的帮助分不开的。他在给法拉第的信中,除了谈到新电池的具体设想外,还深表了他的谢意。1836年丹聂尔所设计的电池,是由一个玻璃圆筒和一个动物膜——公牛的气管,把浓硫酸铜和稀硫酸隔开的。不久以后,加西奥特建议用多孔的陶土杯(也就是素烧杯)代替了动物膜。

1839年英国法学家格罗夫交给英国协会一篇题为《论具有很大能量的小伏打电池》的论文,并发明了一种新电池,它的结构与丹聂尔电池基本相同,只是把素烧筒内外的溶液改换为稀硫酸与浓硝酸,稀硫酸溶液中的电极为涂以水银的锌棒,而浓硝酸中的电极则是白金的。后来,本生把白金极换成价格便宜的碳棒。电池的改进,使输出的电流更加稳定,从而也使电流的各种效应更加明显。

1847年英国物理学家焦耳在已知电流通过金属导线产生热效应的基础上,进行了大量的定量实验,发现通电导体单位时间所产生的热量与电流的自感、导线的电阻成正比。人们把这个定律称为焦耳定律,电流所产生的热称为焦耳热。这个定律揭露出电能与热能之间的转换关系。焦耳在1843年英国皇家协会上宣读的论文中,给出了电功与热的当量值是一个法国大卡,相当于460千克重米。电流热效应的发现和对其规律的掌握,又开辟了一个新的研究领域。焦耳定律建立之后,于1847年焦耳发现了磁致伸缩现象。

德国物理学家基尔霍夫从1845到1848年间,发表了几篇关于稳恒电流电路中某些问题的研究文章,并提出了解决复杂电路的两条规则。第一条规则是说:几条电路相交于一点时,流入该点的电流的总和等于流出该点的电流总和。第二条规则是说:对任意一个闭合回路,在确定了电流流向的正与负之后,闭合回路电阻与电流相乘积的代数和,等于回路中电动势的代数和。根据基尔霍夫的这两个规则,可以解决比较复杂的电路问题。

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