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法拉第发现电磁感应现象及其思想转变过程
2020年04月23日 17:56 来源:《自然科学史研究》 作者:钱长炎 字号

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关键词:

作者简介:

Faraday's Discovery of Electromagnetic Induction and the Process of the Transformation of His Ideas

 

  作者简介:钱长炎(1964- ),安徽枞阳人,博士,安徽师范大学物理与电子信息学院教授,主要从事物理学史和科学思想史研究。芜湖 241002

  原发信息:《自然科学史研究》(京)2019年第20191期

  内容提要:文章根据法拉第的日记、“电学实验研究系列一”手稿和书信等文献,对他发现电磁感应现象和相关研究以及曲折的思想转变过程进行了深入探讨。这一过程由两个阶段组成。1831年8至12月是第一阶段,法拉第发现电磁感应现象,对产生它的各种条件做了系统的实验研究,提出了“电紧张态”的概念并力图对电磁感应物理机制做出合理的解释,撰写了“电学实验研究系列一”论文初稿,但对感应电流的方向存在错误认识。1831年12月至1832年4月是第二阶段,法拉第通过更为仔细的实验观察纠正了感应电流方向的错误认识,形成了“磁曲线”思想,研究了地磁电感应现象,完成了“电学实验研究系列一”的修改稿和“电学实验研究系列二”论文稿,总结了电磁感应现象产生的一般规律。文章指出,法拉第纠正感应电流方向的错误认识,准确把握感应电流方向的判别方法,对其“磁曲线”思想乃至力线思想的形成起到了重要作用;同时,还对前人相关研究中出现的错误及其产生的原因做了分析和说明,对一些有争议的问题提出了不同的观点。

  关键词:电学实验研究系列一/感应电流的方向/电紧张态/磁曲线/《法拉第日记》

  标题注释:安徽省高等学校优秀中青年骨干教师专项基金(项目编号:161-065063),安徽师范大学博士科研启动基金(项目编号:160-750839)

  著名科学家及其科学发现过程一直是科学史研究者关注的重点之一。法拉第(Michael Faraday,1791~1867)发现电磁感应现象是19世纪上半叶物理学的重大事件,由此揭开了经典电磁场理论发展的序幕。对法拉第发现电磁感应现象的过程及物理思想的研究,是物理学史研究的一个重要课题。长期以来,国内外学者对此做过不同程度的探讨,先后发表了不少具有代表性的论著。对法拉第发现电磁感应现象较早做专门写实性描述的,当推《法拉第日记》(Faraday's Diary of Experimental Investigation)的主编马丁(T.Martin)[1]。美国学者威廉姆斯(L.P.Williams)撰写的法拉第传记[2],则又将这一主题研究推入一个新的阶段。著名科学史家库恩(T.S.Kuhn,1922~1996)在书评中写道:“未来任何对法拉第的研究都必须从此书开始,没有一个学习上世纪英国科学的学生能够忽视它。”[3]王洛印等人的系列研究在国内具有标志性[4-7]。

  随着法拉第遗存手稿和书信的陆续整理出版,国际科学史界对法拉第发现电磁感应现象的过程等相关问题的研究也不断深入。我们注意到,20世纪90年代,西班牙学者荣莫(J.Romo)和董塞耳(M.G.Doncel)根据法拉第“电学实验研究系列一”(以下简称“实验系列一”)手稿等文献,对其发现电磁感应现象过程中的思想转变提出了“四阶段论”的观点[8]。尤其是他们还将法拉第“实验系列一”的手稿整理出版([8],336~385页),为进一步考察法拉第发现电磁感应现象所经历的实际过程及其思想转变提供了更为有利的帮助。

  但是,仔细研读法拉第电学实验研究文集、书信、日记和“实验系列一”手稿等文献,我们发现在已有的代表性研究论著中存在一些问题:要么对法拉第研究电磁感应现象过程中的一些关键性实验不同程度上存在漏读或误读,因而难以对“实验系列一”所谓“署名日期提前问题”做出更为合理的说明([4],160页;[5],25~26页);要么没有对法拉第发现电磁感应现象初期对感应电流方向的错误认识及其纠正过程的实验研究做深入分析或片面强调安培(A.M.Ampère,1775~1836)的影响([2],137~226页);还有将这一过程中的一天视为法拉第思想迅速转变的“戏剧性”描述([8],295~309页)。这些都难以揭示法拉第这一重要发现的艰难过程及其曲折的思想转变轨迹。实际上,我们只要对法拉第日记、论著和书信等文献进行综合分析,将其中相应内容仔细比对、相互参照,就不难对他发现电磁感应现象的过程及相关问题获得更加全面的认识。

  1 发现电磁感应现象及对它的初步认识

  法拉第对电磁作用现象的系统研究是从1821年开始的。[9]在随后的岁月里,他从事化学实验等研究工作同时,仍对电磁现象这个令人神往而迷惑的领域眷念不已,曾多次设计实验对电磁作用现象再做认真观察,但都没有新的进展。[10]

  然而,通过长期的科学研究实践和英国皇家研究院学术氛围的熏陶,法拉第的自然观日趋成熟。正如有的学者所说:“强调自然力的统一性及相互转化成为法拉第实验研究的指导思想和(努力)方向。”[11]并且随着对电磁现象研究的不断深入,电流计和电磁铁等技术也不断发展,为进一步研究电磁现象创造了有利的实验条件。终于在发现电磁旋转现象的十年之后,法拉第在电磁领域又做出了重要发现,揭开了电磁学发展史上新的一页。

  1.1 发现“伏打电感应”和“磁电感应”现象

  根据日记内容,法拉第发现电磁感应现象首轮实验是在1831年8月29日至10月27日陆续完成的。其间,他不但发现了电磁感应现象,还对产生感应电流的条件做了系统的实验观察,反复确证了“伏打电感应”和“磁电感应”现象,同时为进一步研究摸索了有效的实验方法。

  1831年8月29日法拉第通过“圆环实验”,首次观察到电磁感应现象。日记中,他辅之以图(图1),对实验过程和结果描述道:

  3.……将B侧连接成一个线圈,末端用铜线连接。铜线恰好伸到不远处一个小磁针(距离圆环3英尺)的上方。再将A侧线圈的两端与电池连接,磁针立即产生易于观察到的效应。它先转动,最后静止于初始位置。当将A侧线圈与电池断开①时,磁针再次出现扰动。([10],367页)

  这是前人从未观察过的电磁作用现象,法拉第顿感新奇、重要。进而,他将一平面线圈与B侧线圈相连(图2),实验结果愈加明显:

  7.……电池与A侧线圈两端连接的瞬间,平面线圈强烈吸引磁针,磁针摆动数次后又静止下来,回到初始的位置。而断开电池的连接时,磁针则受到强烈的排斥,经过数次摆动之后同样回到初始位置。([10],367页)

  

图1 圆环线圈示意图([10],367页)

  图2 “圆环实验”中平面线圈对磁针产生吸引或排斥作用示意图([10],367页)

  而对于A、B两侧电流的方向,法拉第根据平面线圈使磁针发生偏转的情况做了判断:

  9.……当电路首先连接时,好像……两电流是同一方向的;而当电池连接中断时,磁针转动显示似乎产生瞬间反向的电流。([10],368页)

  这些记录表明,法拉第对感应电流的方向尚未获得清楚的认识。在其随后的实验中我们将会看到,他此时对感应电流方向的判断是错误的(详见下文分析)。而法拉第这阶段的实验重点在于确定产生这种现象的条件和方法。

  8月30日,法拉第重复观察“圆环实验”,但他让A侧线圈持续通电,而交替断续B侧平面线圈的回路,结果没有观察到任何现象。他由此认识到:“在B侧,导线中不存在持久的或特殊的状态;效应产生的原因在于A侧回路的断续瞬间而产生的电起伏。”([10],369页)

  依照日记,随后的实验是法拉第在9月24日集中完成的([10],370~372页)。通过反复的尝试,他实现了由磁直接产生电的愿望。辅之以草图(图3a),他说明道:

  33.……所有的导线连接成一个线圈,并用铜线与远处的一个指示线圈相连,然后与前面实验类似(两条形磁铁,一端异名磁极相连),铁棒置于两磁铁另一对磁极之间。每次铁棒与磁铁的N极或S极接触或断开,指示线圈都产生一个磁运动,但只是一瞬间的推或拉。如果电路(即连接的铜丝)断开,无论接触或断开都不产生任何效应。因此很明显的是磁转化为电。([10],372页)

  在发表的“实验系列一”论文中,法拉第对此实验做了更为详细的叙述[12],并附插图(图3b)示之,检测指示线圈中感应电流的方法与图2所示的实验相同。

  

图3 利用磁铁直接产生感应电流实验示意图

  根据日记内容,在1831年10月1日、17日、18日、24日和27日五天的实验研究中,法拉第利用螺线管等许多自制的实验器材,对他所谓的“伏打电感应”和“磁电感应”现象进行了反复观察和确证([10],372~380页)。

  按照不同的条件和方法,法拉第对这些实验进行了分类和归并,在“实验系列一”论文的第1部分“电流感应”([12],126~131页)和第2部分“由磁到电的演化”([12],131~139页)中分别加以论述。对于“伏打电感应”,法拉第论说道:

  26.……伏打电(Voltaic electricity)明显地能够产生感应现象,这种现象在某种程度上与张力电(electricity of tension)所产生的现象类似。然而如后文所述,它们之间存在许多差别。结果是另一电流的产生(但仅是瞬间的)总是平行于或趋于平行于施感电流。借助螺线圈能够使磁针磁极发生偏转(13.14.)和检流计指针发生偏转(11.),在所有的情况下,施感电流第一作用所产生的感应电流都与其方向相反,施感电流中断时产生的感应电流与其方向相同(19.)。为了避免赘述,我将这种由伏打电池引起的电流作用称作为伏打电感应(Volta-electric induction)。([12],130~131页)

  法拉第将利用磁铁直接产生的感应现象称作为“磁电感应”,并说明道:

  在普通磁铁与电磁铁或伏打电流之间这种作用的同一性几乎能够确证,这种作用也明显与安培理论是一致的,从而也证实了安培的理论。同时也提供了有力的证据使人们相信这两种情况下所产生的作用是一样的。但是,作为语言上的区分还是必要的,我将这种由磁铁所产生的作用称作为磁电感应(magneto-electric or magnetoelectric induction)。([12],138~139页)

  实际上这是产生电磁感应现象两种不同的实验方法,随后人们一般不再作这种区分。诚然,法拉第此间完成的所有“伏打电感应”和“磁电感应”的实验便是他发现电磁感应现象的标志。

  而通过这些实验,他意识到“仍然需要设计更为精巧的仪器和更强的磁铁”([10],379页)来进一步研究。当时,克利斯蒂(Samuel Hunter Christie,1784~1865)的实验室中有大型的电磁铁。因而,10月28日和11月4日法拉第前往克利斯蒂实验室,借助那里的电磁铁从事了大量的研究工作,不仅对“阿拉果圆盘(Arago's disc)”实验结果获得新的认识,而且完成了他发现电磁感应现象阶段最后一系列的实验观察。

  1.2 获得持续感应电流及对“阿拉果圆盘”实验的研究

  为了对电磁感应现象做更加深入的观察,在“阿拉果圆盘”实验的启发下,1831年10月28日法拉第利用克利斯蒂实验室的强磁体,设计了新的实验装置,实现了持续产生感应电流,有利于对感应电流产生条件等各种实验因素进行系统的观察([10],380页)。

  

图4 产生持续感应电流实验装置示意图([10],381页图99)

  实验装置如图4所示。他将两小磁体分别捆绑于两大磁体磁极上,异性磁极相对构成磁隙,带有转轴的铜圆盘上边缘插入磁隙,下边缘与容器中水银接触。与圆盘同样厚度的铜条末端弯成凹槽,插入水银中。另用两根同样的铜条绑缚于纸板上做成接触器,利用它们与圆盘上两点同时接触,接触器与电流计连接。([10],381~382页)

  参照“阿拉果圆盘”实验,借助这种装置,法拉第知道当圆盘转动时,在其中应该能够产生持续的感应电流。通过一系列实验,他实现了对持续感应电流的观察,为进一步仔细观测感应电流的方向等特性提供了方便。

  根据日记记录,法拉第开始以为圆盘中的感应电流类似于涡旋电流②,因而将接触器放在圆盘边缘相对于磁极的多种位置,并让圆盘沿不同方向转动,对圆盘中感应电流的情况进行观察(图5)。

  

图5 接触器置于圆盘边缘不同位置观察感应电流情况示意图([10],382页图102~106)

  通过这些尝试,法拉第未能做出明确的判断。正如他在日记中写道:“所有这些效应在方向上都是恒定的,但难以得出有规律的结果。将两接触器同时迅速与圆盘边缘接触比较困难,圆盘边缘并非十分规则,位置也不稳定。”([10],382~383页)

  继之,法拉第以为是由于地磁的影响造成的实验结果不理想。通过实验,他立刻排除了这种可能。([10],383页)经过反复细致的观察,法拉第不得不放弃圆盘中感应电流是涡旋电流的设想,认为这种电流可能是沿圆盘径向的。([10],384页)通过多次尝试,他发现当两个接触器与圆盘的接触点分别处于边缘和轴心时,电流最大。改变圆盘的转动方向或磁极的位置,感应电流方向也随之变化,或从轴心流向边缘,或从边缘流向轴心,实验观察方法如图6。进而,法拉第证实了圆盘在磁极间转动过程中所产生的感应电流是沿圆盘径向的,而不是开始他所设想的涡旋电流,同时也排除了这种电流是由摩擦和水银等因素产生的。([10],385页)

  

图6 观察圆盘中径向感应电流方法示意图([10],384页图117~122)

  这些创造性的实验方法,不但使得法拉第很好地获得持续的感应电流并便于对其产生条件、属性等进行较为全面观察,而且还对“阿拉果圆盘”实验获得更为清楚的认识。但我们应该注意到,法拉第的这些实验观察主要还是集中在感应电流的产生条件和强度等方面,而对其方向未给予足够的重视,在图中都没有明确标示。

  1.3 观察导体在磁极间做平动情况下产生的感应电流

  根据日记记载,1831年11月4日法拉第在克利斯蒂实验室继续完成了许多实验,借助强磁铁观察了不同形状的金属在磁极间平动产生感应电流的情况,对产生感应电流的条件做了进一步观察。

  当铜板条在磁极间向右平动时,法拉第观察到检流计的磁针“S极转向东”;而当铜板条运动方向相反时,则“S极转向西。这些效应非常清楚,令人愉快”。([10],386页)当铜板条在磁极轴线外平动时,效应仍然明显,检流计的磁针“S极转向东”,仅是比在磁极间平动时偏转的幅度稍小。([10],387页)

  利用导体棒替代铜板条,法拉第发现导体棒横向穿过磁极间时(图7),能够观察到产生很强的感应电流;而导体棒纵向穿过磁极间时(图8),则观察不到任何效应。

  

图7 导体棒横向穿过磁极间时产生感应电流实验示意图([10],387页图140)

  

图8 导体棒纵向穿过磁极间时产生感应电流实验示意图([10],387页图142)

  法拉第还用铜导线做类似图7所示的实验,同样能够观察到感应现象。但是,当导线在磁极间绕其自身轴转动时,他却观察不到这种效应。法拉第进而认识到:“……这种效应明显是由于横穿运动产生的,而非转动。”([10],388页)

  方形金属板在磁极间移动时,法拉第同样观察到能够产生感应电流(图9)。同日,法拉第还用铜板做了切开的“阿拉果圆盘”,观察其在磁极中平动时产生感应电流的情况(图10)。

  

图9 方形金属板在磁极间平动产生感应电流实验示意图([10],388页图153)

  

图10 割裂的“阿拉果圆盘”在磁极间平动产生感应电流实验示意图([10],388页图156)

  他记录道:“两片……铜板,形状如图所示,相隔约2英寸,每片铜板的直线边缘都与汞接触。将其整体穿过磁极,电流计产生强烈反应;但是,当将纸片置于边缘(两直边)之间时,电流计则无可观察到的反应。显现了阿拉果圆盘割裂所产生的效应。”([10],388页)

  有研究者将这项实验与“阿拉果圆盘”实验一并讨论([7],11页),这容易导致不必要的混乱,因为此实验中圆盘是在磁极间做平动,法拉第主要观察金属平板的中央裂缝对感应电流所产生的影响。

  事实上,所有这些实验对法拉第认识导体切割磁力线能够产生感应电流及对“阿拉果圆盘”实验结果的解释都起到了重要的作用,遗憾的是有的研究者对它们未做任何说明[5],便难以揭示法拉第研究电磁感应现象的真实过程。

  同样值得我们注意的是,在这些实验观察中,法拉第对感应电流的方向仍然没有明确的标示。根据日记记录,在11月4日的最后几项实验中,法拉第似乎感觉对感应电流方向确证的必要性。实验方法简单,目的明确,都是直接用于检验感应电流的方向的。如图11所示,当平线圈接近磁铁的北极或标识极(marked pole),磁针南极转向西;当平线圈远离时,磁针南极转向东。([10],389页)

  与此类似,他通过螺线圈在磁极间做不同的运动观察磁针的偏转情况(图12)。当螺线圈向磁极间移动时,“南极向西”;当螺线圈移出时,“南极向东”。([10],389页)但他仍未在图中明确标示感应电流的方向。

  

图11 平线圈相对磁极移动时产生感应电流方向观察实验示意图([10],389页)

  

图12 螺线圈在磁极间移动时产生感应电流方向观察实验示意图([10],389页图165)

  作为判断感应电流方向的这些实验,法拉第在12月5日和8日又分别重复观察,但没有能够获得一致正确的结果([10],391~393页)。而11月4日这些模糊性实验结果应该就是导致法拉第在“实验系列一”初稿中对感应电流方向错误描述的重要原因。有研究者在论及1831年11月4日的实验时,未经仔细考察便统而言之:“法拉第在这些实验中都对感应电流的方向进行了描述,这些描述与今天用‘右手定则’判定的感应电流方向是一致的。”([5],25页)这便不难理解,该文作者为何没有说明法拉第在电磁感应现象研究初期对感应电流方向的错误认识了。

  1.4 完成“实验系列一”初稿及对感应电流方向的错误认识

  根据日记内容,1831年8月29日至11月4日间,法拉第连续对电磁感应现象进行了实验研究,对产生感应电流的各种条件进行了系统的考察,对感应电流的特性也进行了较为全面的探究。至此,法拉第认为有必要对这些实验结果进行归纳、整理,撰写成文,尽早将这一重要发现公诸于世。最终便成为法拉第发现电磁感应现象标志性论文——“实验系列一”。[13]

  无论在《法拉第日记》中([10],389页),还是在他最初发表论文([12],125页)和最后收录于《电学实验研究》([13],1页),“实验系列一”都被标为1831年11月24日在皇家研究院例会上宣读。这个时间标注给后来研究者带来了一些误解和困惑,在一定程度上影响了人们对法拉第发现电磁感应现象的实验过程及其思想转变的认识。因为对照日记相关内容,我们不难发现“实验系列一”中的一些实验是法拉第在1831年12月,甚至有些是1832年1月完成的。这便是有研究者所谓的“署名日期提前问题”([4],160页;[5],25~26页)。借助“实验系列一”手稿、日记和书信等相关文献,对“实验系列一”文稿撰写及修改情况进行仔细考察,我们就能对此问题获得更好的理解。

  按照荣莫和董塞耳的考证,法拉第“实验系列一”的初稿是在1831年11月21日递交皇家学会的,随后便去布赖顿(Brighton)休假,其间对文稿不断进行修改,而写于文稿前面的“1831年11月24日宣读”是由皇家学会秘书添加的([8],311~312页)。“实验系列一”第一完整稿应该是法拉第在休假返回伦敦后的1831年12月2至4日间完成,再递交皇家学会的。1831年11月24日宣读的是文稿的第1部分内容,其时法拉第在布赖顿休假,是由皇家学会秘书代为宣读的([8],312页)。文稿的第2部分是在12月8日宣读,文稿第3、4部分则宣读于12月15日,而“实验系列一”完整论文的摘要12月15日出现在皇家学会的会议记录中[14]。因此,1831年11月24日宣读的内容应该是1831年11月21日法拉第递交的“实验系列一”初稿的第1部分。

  关于初稿内容的要点,我们可以在其写作过程中法拉第的有关书信中找到线索。1831年11月29日,法拉第在给好友菲利普(Richard Phillips,1778~1851)的信中,对“实验系列一”初稿的第1部分“论电流的感应”做了概要的说明:

  当两平行导线其一通电时,在另一导线中首先产生相同方向的电流。但是这种感应电流瞬间即逝……而初始电流持续不变,一切似乎毫无变化。但是,当初始电流中断时,在另一导线中由于感应即产生回程强度相当的电流,瞬间出现。而断开时产生的感应电流与通电时产生的感应电流的方向相反,因此能够和原始电流产生同样的感应效应,而遵循特殊的规律。这种效应是:当感应建立时,产生一同向电流;而感应中断时产生一反向电流,过渡间隙处于特殊状态。[15]

  这一“特殊状态”便是人们所熟知的法拉第在电磁感应现象发现之初所提出的“电紧张态”(electro-tonic state),以期对这种新发现做出理论上的解释。这一概念缘起于电磁感应现象的发现,形成于法拉第对这种现象产生的物理机制探索之中,进而成为他物理思想的有机组成部分。

  法拉第在书信中对感应电流方向的描述是:“当两平行导线其一通电时,在另一导线中首先产生相同方向③的电流……但是,当初始电流中断时,在另一导线中由于感应即产生回程强度相当的电流……与通电时产生的感应电流的方向相反……”这与他1831年8月29日的日记([10],368页)中,对感应电流方向的记录是一致的。然而,在发表的“实验系列一”论文中,法拉第在相应部分论及感应电流时却写道:“……感应电流,由诱导感应的电流的第一作用所产生,其方向与后者相反,但是由诱导感应的电流停止所产生的电流方向与诱导感应电流的方向是相同的。”([12],130页;[13],7页)显然,这与日记和致菲利普信中的说法相互矛盾。

  就我们所掌握的资料来看,法拉第1831年11月29日给菲利普的书信最早引用于琼斯(Henry Bence-Jones,1813~1873)在法拉第去世后不久出版的传记中,但琼斯对上述问题未做任何评述[16]。而早期的著述者汤普森(Silvanus Phillips Thompson,1851~1916)转引了这封书信,并注意到这种描述中的错误,但未认识到其重要性,因而仅在脚注中做了简单的说明[17]。汤普森认为:“这是描述中的疏忽。原始电流在第二导线中所产生的瞬间感应电流是反向的,当原始电流停止时,随后便产生顺行的电流。”([17],115页)在《法拉第日记》前言中,马丁对法拉第的这种错误没有加以说明。([10],vii~xiii页)在其专著中,马丁还从汤普森的著作里全文引用了法拉第给菲利普的书信和汤普森的注释,但对上述问题也没有做进一步讨论([1],89~94页)。即便在20世纪90年代出版的法拉第书信集中,编辑者对此仍然没有做任何评论。([15],589~591页)

  实际上,无论是在1831年8月29日的日记中([10],368页),还是在11月29日给菲利普的书信中,甚至在12月15日皇家学会会议记录中,法拉第关于感应电流方向的描述都是:“……电池通过导线输出电流时,仅当电路接通瞬间,在另一导线中产生感应电流;当电流突然中断时,则产生相反方向的电流。”([14],91~92页)这些说明,从实验发现感应电流到“实验系列一”初稿完成,法拉第对感应电流方向的认识始终是错误的。正如前文所述,1831年11月4日法拉第似乎感觉到确证感应电流方向的必要性,并通过专门实验进一步观察。然而,这些实验仍然没有帮助他对感应电流的方向做出正确的判断。这便是法拉第在12月5日之后的实验中首先着力解决的问题。

  2 澄清感应电流方向的错误认识及对有关问题的进一步研究

  根据日记内容及相关文献,我们可以确定,法拉第是在完成“实验系列一”第一完整稿期间,意识到以前实验中有关感应电流的方向存在模糊认识的。1831年12月5日,法拉第就做了一些尝试。([10],391页)而在12月8日的日记中,法拉第更明确地写道:“……精确观察电流的方向等,因为在以前的日记中存在许多混乱……”([10],392页)在发现电磁感应现象随后的三个多月的实验研究和理论思考的过程中,法拉第在1831年12月初对所观察到的有关感应电流的方向的结论产生了怀疑,随即决定重新进行实验加以确证,并对有关电磁感应现象做了进一步研究。

  2.1 仔细观察不同情形下产生的感应电流的方向

  按照日记内容,1831年12月5日、8日和9日,法拉第集中重复了以前观察产生感应电流的各种实验,而此时的观察侧重点在于感应电流的方向。

  12月5日,法拉第为了“获得方向”,从而在克利斯蒂实验室做了一系列的实验。([10],391~392页)为了确定有关实验中感应电流的方向,法拉第重复观察了11月4日的一些完全相同的实验。他在日记里曾记录道:

  将平线圈随同其所在平面向磁极或磁极面移动,移动过程中线圈平面保持方位不变,对准同一磁极,线圈如页边空白处图所示。当线圈靠近磁极过程中,磁针的标识极转向西;而线圈远离磁极过程中,磁针的标识极转向东。([10],391页)

  图13 平线圈相对磁极运动实验示意图([10],391页)

  图14 螺线圈在磁极间移动实验示意图([10],391页)

  平线圈相对磁极运动如图13所示。对照前文,我们知道这一实验在11月4日法拉第就已经做过(参见图11),但那时的观察的结果是“当平线圈接近磁铁的北极或标识极,磁针南极转向西;当平线圈远离时,磁针南极转向东”([10],389页)。根据法拉第的说明,上面引文中“磁针的标识极”应该是磁针的北极。不难看出这重做的实验结果与前面同样的实验结果正好相反。或许正是对这种结果感到疑虑,在日记中“西”字原文法拉第用斜体加重。

  同日,法拉第还重复了11月4日所做的另一典型实验,即将螺线圈插入或拖出磁极间观察其中感应电流的情况(图14)。他记录道:“重做那个实验。靠近时,磁针标识极转向西;穿过两磁极或退出时,标识极转向东。”([10],391页)

  这些重复实验附图中,法拉第既没有画出检流计的连接,也没有画出磁针的南北极,更不用说明确标出感应电流的方向了。同时,与前此实验相关记录相仿,有记录磁铁标识极(北极)的,又有磁针标识极(也应该是指北极)的,又必须通过磁针标识极或南极转向东或转向西来判断感应电流的方向,着实有些混乱。加之在实验记录中对磁针极的转向他还特地加重予以强调。所有这些表明,12月5日的这些重复实验结果不但使得法拉第意识到前此实验中有关感应电流的方向认识可能存在错误,而且认识到进一步确证实验中产生感应电流方向在认识感应电流属性乃至探究电磁感应产生的机制中的重要性。根据实验记录,法拉第在12月8日通过一系列重复实验对感应电流的方向做出了明确的判断,不仅在附图中一一标出,而且在日记中分别加以说明。

  12月8日,法拉第开始重新对“伏打感应”中的感应电流方向进行非常仔细的观察,在日记中做了详细的说明。在该日的第一条日记中,法拉第便写道:“我利用自己的仪器在家中从事实验,对电流的方向进行精确的观察……因为以前的日记中存在许多混乱……”([10],392页)介绍仪器准备情况之后,法拉第依次记录了观察感应电流方向的结果:

  193.连接好线圈,其中通电方向如图所示。此时置于a处的磁针变为磁体,标识极指向下。因此,通电瞬间感应电流与施感电流的方向向左或相反,如图b处线圈中电流方向所示。

  194.断开伏打电流时,磁针反向极化,因此感应电流与施感电流方向相同。([10],393页)

  实验电路如图15所示。我们看到法拉第用箭头标明了电路中电流的方向。这是从8月29日发现“伏打感应”以来,他首次对感应电流方向做出明确的判断和标示。

  图15 “伏打感应”电流方向观察实验示意图([10],393页图193)

  法拉第同样利用简单的实验分别观察不同情况下的“磁电感应”电流的方向,并在图中一一标明。对于这些实验,他记录道:

  197.当磁铁标识极插入线圈O时,如图所示,磁针的标识端转向西;因此电流的方向如图箭头所示。

  198.抽出磁铁过程中,磁针的标识端转向东。当线圈向磁铁极间移动时,如图所示,磁针的标识端转向西;因此电流的方向如图所示。

  199.线圈从两磁极间移出时,磁针的标识端转向东。([10],393页)

  条目197、198所附图分别如图16、图17所示。法拉第不仅在文字记录时加重强调,在图中也分别标出感应电流的方向。

  图16 磁铁插入或抽出螺线圈时感应电流方向示意图([10],393页)

  图17 螺线圈在磁极间移动时感应电流方向示意图([10],393页)

  不难看出,图17与图12、图14所示的实验方法是相同的,所不同的就是图17中明确标出了实验观察结果中感应电流的方向。法拉第同样重复上述图11、图13所示的实验(图18),此时在图中也明确标出了感应电流的方向。他在日记中写道:

  201.当平面线圈向标识磁极移动时,如图所示,磁极在线圈的另一侧,磁针的标识极转向西,因此电流的方向如图所示。

  图18 平面线圈相对磁极运动产生感应电流方向示意图([10],393页)

  202.当线圈远离磁极过程时,磁针的标识极转向东。([10],393页)

  我们还注意到,法拉第12月8日不仅重复了12月5日所做的实验,而且重复了11月4日的实验,所不同的是此时他特别关注感应电流的方向,并在日记中一一加以强调说明,在图中加以明确标示。他在重复11月4日已经做过的铜板条在磁极间平动产生感应电流的实验时(图19),就强调说明:

  205.标识磁极位于上方,非标识(unmarked)极位于下方,然后将金属板穿过磁极间。磁针的标识极转向西,因此板中的电流由B向A。([10],394页)

  图19 金属板在磁极间平动产生感应电流方向示意图([10],394页)

  图20 “阿拉果圆盘”实验产生感应电流方向示意图([10],394页图206)

  在该日最后几项日记中,法拉第记录重复“阿拉果圆盘”实验所观察感应电流的方向的结果,并附图(图20)加以说明。他写道:

  206.当圆盘置于两条形磁铁异名磁极间旋转时,磁铁标识极位于上方、圆盘逆时针旋转,(磁针)标识端转向西。

  207.当圆盘旋转方向相反时,磁针标识端转向东。([10],394页)

  容易看出,法拉第在上述所有实验中对感应电流的方向的描述与我们今天用“右手定则”判断感应电流的方向结果是一致的。可见,法拉第其时重复此前的实验观察,并在图中一一表明感应电流的方向,澄清了“以前日记中存在许多混乱”,掌握了导体(或线圈)在磁极周围(或磁极间)沿不同方向(或方位)移动时所产生的感应电流方向的判断方法,从而能够确定不同情形下导体与磁极相对运动方向跟感应电流方向之间的对应关系,进一步总结“磁生电”的方式和条件,归纳出电磁感应现象产生的一般规律,为其“磁曲线”思想的形成奠定了坚实的基础。无疑,这是法拉第研究电磁感应现象过程中认识的重要转折。

  有研究者认为法拉第11月4日所做的实验就都得到有关感应电流方向的明确结果([5],25页),这显然与史实不符。或许,这是作者既误读了法拉第11月4日的日记,又漏读了其12月8日日记的相关内容造成的。

  2.2 形成“磁曲线”思想及对感应电流产生机制的进一步解释

  通过上述系列实验对感应电流方向的观察,法拉第非常高兴。为了对之获得更为全面的认识,12月9日法拉第继续进行了系列实验。在这些研究过程中,他形成了“磁曲线”思想,对电磁感应机制获得了新的认识。在12月9日日记的第1条目中,他便写道:“今天仍然从事更一般性的工作,因为前面(实验观察感应电流)方向仅是部分(情况),而我认为获得了非常满意、一致的结果。”([10],394页)

  法拉第认为更一般的情况便是通过简单的实验,观测导线在磁极周围不同位置做不同运动时,进一步观测其中产生感应电流的情况,进而总结出一般的规律。这些简单的实验及观测结果如图21所示。法拉第说明道:

  210.如图所示,当导线BA在磁铁标识极的前面自左向右运动时,磁针的标识端转向西。因此,(感应)电流的方向由上而下。

  211.(感应电流的)方向在如图所示的另两种情形是相同的。标识端转向西,因此,电流的方向由B至A。

  212.当导线BA沿图中点画线——→方向移动时,标识端转向西。([10],394页)

  同日,法拉第还重复了对磁铁插入或抽出线圈产生感应电流的方向的观测([10],395页),得到与前一天同样的结果([10],394页)。对于平线圈靠近或远离磁极产生感应电流情况法拉第也同样进行了重复观察,结果也是与先前实验相同(参见图18)。尤为重要的是,通过这项实验(图22),法拉第萌生了“磁曲线”的思想。正如他在日记中所说:

  图21 导线在磁极附近不同运动情形下产生感应电流方向示意图([10],394页)

  线圈的任何一部分好像穿过如图所示的生成物或磁曲线(magneticcurves)似的,因此这个实验与前面单导线实验210、211和212是一样的。([10],395页)

  图22 平面线圈相对磁极运动时产生感应电流方向及磁极附近磁曲线示意图([10],395页图214)

  为了进一步检验“磁曲线”思想,同日法拉第还重复了“阿拉果圆盘”实验。实验过程中,他保持圆盘的转动方向、磁极间的相对位置不变,而改变磁体相对于圆盘的方位(图23)。通过观察,他总结道:

  图23 磁体处于不同方位“阿拉果圆盘”实验产生感应电流方向示意图([10],395页图216)

  因此,如果(磁极)位置和圆盘的运动保持一致,那么圆盘中所产生的(感应)电流的方向都是一样的。不论磁体方位如何,只要保持同样的磁极置于同样的位置,即只要磁曲线被切割的方向一致,磁体中轴的位置对结果都毫无影响。([10],395页)

  正是通过这一系列的实验观察,法拉第完全澄清了对感应电流方向的错误认识,促进了他磁极周围分布“磁曲线”思想的形成。这对他力线思想乃至场观念的形成和发展都具有重要意义。

  汤普森对法拉第12月5日之后的实验观察发表了评论:“……12月5日他再次从事实验研究。他重新观察感应电流的方向,正如他在给菲利普信中的疏忽所显现的,他思想中对此存在一些疑惑。”([17],118页)随即汤普森便论及法拉第12月14日关于地磁电感应的实验观察,而对12月8日、9日法拉第为何再次研究感应电流的方向问题未做说明。([17],122~129页)由此可见,汤普森没有认识到法拉第在这期间思想认识方面转变的重要性。后续的研究者们也都同样忽视了这个问题。

  还应该指出的是,有学者说明法拉第对感应电流方向认识转变时,强调12月8日的实验结果而忽略了12月5日重复11月4日实验结果对法拉第这一认识的转变所起到的作用([8],309页)。这在很大程度上也导致了他们将12月8日一天视为法拉第研究电磁感应现象第二阶段的戏剧性的描述。([8],331页)至于他们将法拉第对感应电流方向此前认识的错误完全归因于受安培的影响([8],293、304~309、329~331页),笔者也是难以苟同的。实际上,正如前文所述,法拉第前期实验观察重点在于确定产生感应电流的条件和方法,而忽视了感应电流的方向,加之实验中根据平面线圈使磁针偏转情况反推感应电流的方向也很容易出现误判。法拉第1831年8月29日至11月4日的实验本身足以说明这些问题。

  根据日记等文献,我们有理由相信,法拉第在12月9日之后,纠正以前对感应电流方向的错误认识,并对“实验系列一”相关内容进行了修改。

  2.3 纠正感应电流方向的错误认识及对“实验系列一”文稿的修改

  从1831年11月形成“实验系列一”初稿之后,法拉第结合自己的实验进程,对其内容进行不断的修改和完善。而12月9日之后,法拉第着重修改的应该是有关感应电流的方向及相关内容。根据已经整理出版的法拉第“实验系列一”手稿及相关考证([8],293~294、336~385页),比对《法拉第日记》1831年12月5日、8日和9日的相关记录以及“实验系列一”发表文稿,我们不难发现法拉第在认识感应电流方向的错误并反复通过实验确证之后,对“实验系列一”初稿中有关感应电流方向的内容进行了修改,增加了1831年11月24日后完成的实验内容,使文稿得以进一步完善。有关感应电流方向的主要修改情况如表1所示,其中修改内容用黑体突出显示,以便比较,段落编号和页码与法拉第《电学实验研究》第1卷中“实验系列一”[13]相对应。

  图24 直导线在磁极附近运动产生感应电流方向说明示意图([12],131页图版III图24)

  应该说,通过“实验系列一”文稿的修改及后续的相关研究,法拉第对电磁感应现象的认识也不断深入。在初稿中,法拉第就对产生电磁感应现象的规律进行了初步的总结说明([8],375页),随后经过反复修改、完善。而我们今天称其为“法拉第电磁感应定律”的要旨,在他标志性论著中却仅给出了一种颇为冗长的“操作性”表述。辅之以图24,法拉第论说道:

  114.磁极、运动导线或金属以及感应电流的方向之间的关系,即支配磁电感应电流的定律是非常简单的,尽管难以表述。在图24中,如果PN表示通过标识磁极一水平导线,它的运动方向与(图中)曲线一致,由下至上;或如果它沿曲线的切线平动,但总的方向沿箭头方向;或如果它由其他方向通过磁极,但只要在总的相同方向上切割磁曲线④,或在同一侧磁曲线被沿着虚线方向运动的导线切割;——那么,导线中(感应)电流的方向由P至N。如果使其以相反的方向运动,(感应)电流则由N至P。或者如果导线在垂直(于标识磁极的)位置上,如(图中)P'N'(所示),使其沿类似方向运动,与水平虚曲线一致,只要在它的同一侧切割磁曲线,(感应)电流则由P'至N'。……,关于导线通过磁极(所产生的感应电流),可以直接简化为两种相反的情形:其一,电流由P至N;其二,电流由N至P。([12],154~155页;[13],32~33页)

  不难看出,法拉第的这种认识直接来源于12月9日所完成的相关实验结果(参见图21)。这再次说明,纠正感应电流方向的错误认识之后,法拉第的实验研究进程得以加速,系列实验结果表明获得感应电流的条件或方法遵循统一的规则,为其“磁曲线”思想的形成奠定了重要的基础。

  与初稿([8],324页)相比,“实验系列一”出版稿中的段落18和19([12],128~129页;[13],5页)是根据1831年12月26日的实验内容增加的([10],401页)。这是法拉第在12月14日至21日完成有关地磁电感应实验研究⑤和“电学实验研究系列二”文稿([10],399页)后,于12月23日至26日重复一些实验的内容([10],400~407页)。此外,法拉第“实验系列一”手稿中标有“安排印刷,1832年2月9日”,这一时间是皇家学会秘书添加的([8],359页)。在手稿最后他本人注释的时间为“1832年2月29日”([8],385页)。而在发表的“实验系列一”论文中,长篇尾注([12],162页;[13],41页)则又是他在“1832年4月”撰写的。

  所有这些表明,从1831年11月至1832年4月,法拉第对“实验系列一”进行了不断的修改和完善。因此,在终稿里我们看到,他将1831年11月24日之后的有关实验内容写入其中,便不难理解。这既说明了法拉第发现电磁感应实验研究过程之艰难,又反映了其间他对这种新现象认识的思想变化之曲折。

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姓名:钱长炎 工作单位:

转载请注明来源:中国社会科学网 (责编:李秀伟)
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