法拉第电磁感应定律(法拉第是如何发现电磁感应的？)
江湖上流传着一个说法，欧内斯特·卢瑟福有一句话:“这个世界上有两种自然科学，一种叫物理，一种叫集邮”。我还没找到这句话的确切出处，但就意思而言，即使不是卢瑟福说的，也丝毫不影响它的精辟。
是的，物理学和其他许多自然科学最显著的区别是，物理学追求的不是“多”，而是“少”。认识物理世界的方法，不是从不同的现象中收集大量的“原理”和“知识点”(虽然这本身也是一件有价值的事情，也是真正追求物理的前提)，而是探索它们背后“相同”和“最简单”的规律。在物理学上，苹果从树上掉下来和地球绕着太阳转是一回事！
从这个角度回过头来看我们这些年研究的所谓“物理学”，我们研究的真的是物理学吗？我们学习了许多概念、定理和定律...然而，它们在我们心目中似乎更像是一本“集邮册”中的“邮票”。为什么那些概念、定理、定律有的看起来那么“高级”？甚至有些“反常识”。那我们为什么愿意接受这些令人困惑的物理？
当这些物理概念、定理和定律被放回人类认识世界的长河中，我们就能明白它们是如何萌发的，是如何在“纯粹理性”和“实验事实”相互验证的过程中发展完善的，进而我们就能看到物理学的大厦是如何被一个个精心搭建起来的，看到过程中的每一个“脚手架”， 而接下来我们就可以理解物理学家是如何想出这样一套“深奥”甚至“反常识”的知道建筑中每一砖一瓦的形状、位置和修复技术，如何经过深刻的理性思考和严谨的实验验证，包括反复检查和检验过程中的返工和重建，能否说服自己接受这一套在情感上可能不太容易接受的东西。
事实上，市场上有许多关于科学史的书籍，但其中一些是时间顺序意义上的历史，而不是人类对世界的认知过程的历史。另一部分主要是面向大众。在介绍概念的演化时，刻意避免使用数学语言，以免吓跑读者。这两类作品对包括我在内的读者都有很好的启发作用，但当你有了一定的数学基础后，这些似乎不足以“解渴”。
推荐的书《物理学中的理论概念》是一部特别的作品。这本书的作者是Malcolm Longair教授，他自1997年以来一直担任剑桥大学卡文迪许实验室的主任。剑桥大学的卡文迪许实验室，从实验室大楼的主任麦克斯韦，到后继者瑞利勋爵、J·J·汤姆逊、卢瑟福、小布拉格，都对物理学的发展做出了不可磨灭的贡献...每个名字在物理学的建立过程中都大放异彩。兰格教授不仅是一位杰出的物理学家，还是一位接触科学传播者，获得了首届“大不列颠学习和丰富生活传播奖”，并在电视上进行科普讲座。
在本书中，作者用7个主题、19个章节详细梳理了当今物理学主要领域中最重要、最基本的概念和理论是如何建立的。特别是作者利用自己深厚的功力，在本书中同时使用了两种语言:用普通人的语言介绍概念和理论发展过程的“故事”和“大纲”(这部分让普通人即使不懂数学也能对概念和理论有个大概的了解)；同时，用物理学家的语言——数学，给出了这些概念和理论的公式、推导过程以及与实验的比较，让专业读者根据其数学程度得到更丰富的细节。两种语言贯穿全书，让不同层次的读者各取所需。每章后参考文献的来源和依据传达了严谨的态度。
尤其是对于物理老师来说，我个人认为这本书是必不可少的参考书。只有真正懂得“物理”，我们的学生才能学到“真正的”物理，而不是“字面上的”物理，或者是以“物理”为名的“知识点集邮”。
——陈正
(北京交通大学物理国家实验教学示范中心，北京青年科技奖获得者茅以升)
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马尔科姆·兰吉尔写的
译者向，郑久仁，朱，袁
法拉第力线——没有数学的数学
法拉第出生在一个贫穷的家庭，他的父亲是一个铁匠。1796年，他和家人搬到了伦敦。他开始在里博先生的书店做装订学徒。他通过装订和阅读书籍(包括《大英百科全书》)来学习早期科学知识。他特别喜欢看詹姆斯·泰勒的电学文章，用破瓶子和旧木头做小型静电发生器，反复做一些电学实验。
1812年，汉姆特里·戴维(1770-1845)在皇家学院做了一次演讲。波利先生的一个客户给了法拉之一张去听讲座的票。事后，法拉第将自己的课堂笔记整理装订后寄给了大卫，说空如果有空缺，他可以填补，但之后就没有了消息。然而，同年10月，大卫因氯气的危险化学品硝酸盐爆炸而暂时失明，需要有人记录他的想法。法拉第被推荐承担这项任务。然后，在1813年3月1日，他得到了一个永久的职位——大卫在皇家学院的助手。他在那里一直工作到晚年。
法拉第上任后不久，大卫决定访问欧洲大陆的科学机构，法拉第作为科学助理陪同。在接下来的18个月里，他们在巴黎会见了当时最著名的科学家——安培、洪堡、格雷-吕萨克、阿拉戈和许多其他人。在意大利，他们遇到了伏特；在热那亚，我们还看了鱼雷实验，可以电击鱼。
1820年，奥斯特发现了电和磁之间的联系，由此引发了一系列相关的科学活动。科学杂志收到了许多描述电磁效应并试图解释它们的文章。哲学期刊的编辑请法拉第来评论。面对如此大规模的实验现象和推论，法拉第开始系统地研究电磁现象。
然后，法拉第重复了文献中报道的所有实验。特别是，他研究了载流导线附近小磁铁的磁极运动。安培发现，作用在磁极上的力似乎使它绕着载流导线做圆周运动。另外，如果磁铁是固定的，载流导线会感受到一个力，使其绕磁铁做圆周运动。法拉第用两个漂亮的实验证实了这些现象(图1)。图1展示了右边的之一个实验:一块磁铁被竖直放置在一个水银盘上，磁极在水银表面上方。金属丝的一端连接着一个漂浮在水银表面的小软木塞，另一端固定在磁铁的一端。当电流流过导线时，导线就像法拉第所预料的那样，绕着磁铁的轴旋转。图1左边是第二个实验:载流导线固定，磁铁绕导线自由旋转。这是人类制造的之一台电动机。
图1法拉第实验显示载流导线与磁铁之间的力:图的右侧，磁铁垂直固定，载流导线绕垂直轴旋转；图的左侧，载流导线垂直固定，磁铁绕导线旋转。这是人类制造的之一台电动机。之一台电动机(由皇家学会提供)。
这些实验让法拉第有了磁力线这个关键概念，这个概念是他在观察磁铁周围铁屑的分布时突然冒出来的(图2)。磁力线或磁场线或磁场线表示磁极置于磁场中时，作用在磁极上的力的方向。在垂直于磁力线的平面上，通过单位面积的磁力线越多，作用在磁极上的力就越大。法拉第非常重视磁力线作为观察静态磁场效应和时变磁场效应的直观手段。
图2法拉第磁棒的磁力线
两个磁极之间的磁力线沿着两个磁极之间的连线。载流导线的环形力线怎么会和这个一致？法拉第的照片面临一个难题。法拉第表明(图3)将载流导线弯曲成回路可以模拟磁铁产生的所有效应。他认为磁力线会在环中被压缩，导致环的一边是一个极性，另一边是相反的极性。他通过实验证明，所有与导线中的电流有关的力，都可以根据磁力线来理解。磁偶极子完全等效于回路电流，这是法拉第的深刻见解。事实上，正如附录A5.7中所证明的，从这一见解中，可以推导出关于静止磁体和电流之间的力的所有定律。
图3法拉第说明了电流磁场等效于条形磁铁的原因:当左侧的长直导线弯曲成右侧的回路时，磁力线被压入回路。
1831年发生了巨大的进步。法拉第坚信自然界的对称性，他推测既然电流产生磁场，那么磁场产生电流一定是可能的。1831年，他了解到约瑟夫·亨利在纽约州奥尔巴尼进行的实验。在这个实验中，亨利使用了一个具有很强电磁力的电磁铁。法拉第立即有了观察磁力线使电磁材料变形的想法。他把绝缘线缠绕在厚厚的铁环上，这样铁环里就能产生强大的磁场。可以通过缠绕在环上的另一个线圈来检测应变效应。这个绕组连接到一个检流计来测量产生的电流。法拉第装置的原始照片如图4所示。
图4法拉第是之一个证明电磁感应的仪器(感谢英国皇家学会)
实验是在1831年8月29日进行的，法拉第的实验室笔记本上对此做了仔细的记录。结果完全不是法拉第所期待的。当初级绕组闭合时，次级绕组中检流计的指针在缠绕在铁环介质上的次级电路中有偏转感应电流。但在电磁铁中接通或断开电流时，观察到检流计的指针发生偏转，流过电磁铁的稳定电流对检流计没有影响。换句话说，这种效应似乎只与变化的电流有关，因此只与变化的磁场有关。至此，法拉第发现了电磁感应。
在接下来的几周里，电磁感应的特性在一系列精确的实验中得到了证实。在法拉第提高了器件的灵敏度后，还观察到电流通断时，二次回路中产生的电流流向相反。接下来，他在实验中发现，线圈有不同的形状和大小，不需要铁棒来产生这种效果。1831年10月17日，他做了一个新的实验:将一个圆柱形磁铁移动到一个与检流计相连的长线圈(或螺线管)上时，线圈中产生电流。然后，1831年10月28日，他在伦敦皇家学会做了一个著名的实验，证明了在社会上购买的一个“大马蹄磁铁”的磁极之间转动一个铜盘，可以产生持续的电流。铜盘的轴和边缘与检流计滑动接触。当铜盘转动时，指针偏转。1831年11月4日，法拉第发现只要在磁铁两极间移动一根铜线就能产生电流。就这样，在四个月内，他发明了变压器和发电机。
早在1831年，法拉第就根据磁力线概念创立了电磁感应的定性定律:电流回路中感应出的电动势与切割磁力线的速度直接相关。对了，这些磁力线指的是铁屑描绘的磁力。
那时，他意识到“电”意味着许多不同的东西。除了他刚刚发现的磁电，还有静电。自古以来就知道可以通过摩擦产生。伏特与伏特堆中的化学效应有关。在热电中，不同类型的材料接触放置，接触的端点保持在不同的温度，产生电势差。此外还有动物电，比如法拉第和大卫一起旅行时看到的鱼雷、电鳗等鱼类产生的电。对于现在有“后知之明”的我们来说，他问了一个可能显而易见的问题，但在当时却显示了他深刻的洞察力:这些不同形式的电是同一种东西吗？1832年，他做了一系列漂亮的实验，结果证明，无论什么电源，包括电鱼，都能产生同样的化学、电磁等效应。
虽然电磁感应定律很早就被发现，但法拉第为了证明其普遍有效性，花了几年时间完成了所有必要的实验工作:不管磁通量的来源是什么，闭合回路中总磁通量的变化率决定了回路中感应电动势的大小。1834年，冷慈(1804 ~ 1865)宣布，电路中感应电动势的方向被阐明:电路中，电动势的方向抵抗磁通量的变化(楞次定律)。
法拉第并没有表达电磁现象的数学理论，但他确信力线的概念是理解电磁现象的关键。1846年，他在皇家学会的演讲中推测，光可能是某种沿着磁力传播的扰动。他在他的论文《关于射线振动的思考》中发表了这些观点，但是这些观点遭到了相当大的怀疑。然而，法拉第是对的。正如我们将在下一节看到的，1864年，麦克斯韦推断光确实是一种电磁辐射。麦克斯韦利用优秀的物理直觉和数学能力，把法拉第的思想和发现放到数学表达式中，推导出任何以真理空传播的电磁波都是以光速传播的。正如麦克斯韦本人在他1865年发表的伟大论文《电磁场的动态理论》中所证实的:
横向磁场扰动的传播概念是法拉第教授在《关于射线振动的思考》中专门阐述的一个思想。除了1846年没有计算传播速度的数据外，他提出的光的电磁理论和我在这篇论文中已经开始形成的理论本质上是一样的。
虽然法拉第没有表达电磁现象的数学理论，但他对电场和磁场行为的深刻理解为数学家(如麦克斯韦)提供了发展电磁场数学理论所需的基本见解。麦克斯韦说:
当我继续做法拉第的研究时，我认为他所构想的理解现象的方法也是一种数学模型方法，虽然在形式上没有用传统的数学符号来表达...我也看到在数学家发现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来表达法拉第的思想。
我(这本书的作者)必须承认，当我之一次研究电磁力线的时候，磁力线是我理解电磁现象的一个障碍，主要是没有给我解释清楚，只是一个工作模型。实验中实际测得的是空之间不同点的力矢量，虚拟的力线只是代表这些矢量场的概念模型。在下一节中，我们将回到这个关键问题。
在离开对法拉第的描述之前，我们必须进一步描述一个影响麦克斯韦对电磁性质思考的关键发现。法拉第对自然力的统一有一种本能的信念，特别是光、电、磁等现象之间应该有密切的关系。在1845年底的一系列实验中，法拉第试图看到强电场对光的偏振的影响，但未能看到。他没有使用磁场，而是让光穿过强磁场，实验已经很久没有显示出这种效果了。从1825年到1830年，为了制造天文仪器，伦敦皇家学会购买了一些高质量的光学玻璃——硼酸盐玻璃。它们很重，并且具有很高的折射率。当法拉第让光在强磁场中穿过硼酸盐玻璃时，他想看到的现象终于出现了。现在这种现象被称为法拉第旋转法拉第旋转:光在透明介质中沿磁场方向传播时，线偏振光的偏振面发生旋转。唐慕孙(1824 ~ 1907)[后来的开尔文勋爵]认为这一现象是磁场导致分子电荷旋转的证据。根据安培的早期提议，开尔文假设磁性本质上是一种旋转特性。这对麦克斯韦在自由空空间建立磁场模型产生了强烈的影响。
在这里，我们必须注意:一个没有接受过数学训练的、有才华的、一丝不苟的实验工作者，永远无法用数学的形式来表达他的研究成果。法拉第就是一个突出的例子。在他的著作中，没有单一的数学公式。然而，他对实验和为实验结果设计经验概念模型有着天才的直觉。这些模型反映了表达电磁场理论所需的数学知识。
本文摘自中国科技大学出版社出版的《物理学中的理论概念》。
比提希
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