宁波大学答题纸

（2020 —2021学年第 1 学期）

课号：096T06A      课程名称： 改变世界的力学 改卷教师：  王骥  

学号：196002119           姓名：俞开怀       得分：          

法拉第时代的思想碰撞

摘要：法拉第发现的电磁感应现象是电磁力学发展史上的一个重要的里程碑。从奥斯特发现电流的磁效应起，奥斯特、安培、沃拉斯顿、法拉第等人都开始试图建立新的理论来解释这一个牛顿理论无法解释的现象。奥斯特、安培、沃拉斯顿等人的理论在一定程度上影响着法拉第的思想以及他自己的理论。最终在不断的实验中，法拉第在1831年发现了电磁感应现象并提出了他完备的电磁理论。他的理论经过十几年的批判与争论才克服牛顿主义者的孤立，受到广泛的认可。

在人类的历史长河中，人们对于电与磁的认识不断发展。而在其中最具划时代意义的事件，莫过于法拉第在1831年发现的电磁感应现象。电磁感应现象在前人的基础之上进一步揭示了电与磁的内在联系，无疑是在建立完整的电磁理论的路途中最重要的里程碑。在19世纪初期，各种有关电与磁的现象的发现，让各国科学家们都醉心于此，他们都希望能够找到电与磁之间的规律，并以此解释电与磁的各种现象。而法拉第在1831年的发现，则是众多发现中最具划时代意义的，从此开始电与磁的潜在关系才逐渐被人们发掘出来。因此可以说，19世纪初期，正是法拉第的时代。本文旨在重现当年法拉第发现电磁感应现象前存在的各种有关电与磁的思想、理论与假说，并探究这些思想、理论与假说对法拉第的研究产生的影响。

在关于电的起始研究中，大家都并没有想到将它与磁有什么关系，但是丹麦的科学家奥斯特例外。他在1812年便有了电磁之间是统一的的想法。一般认为奥斯特在1820年四月的一天上课时偶然发现了电流的磁效应，并研究了三个月后公布了自己的发现。事实上根据奥斯特本人澄清，他在4月的发现并不是偶然，而是一次刻意的当众展示而已；之后的三个月他也并没有做进一步的实验，到了7月份他才重新进行深入的实验研究并发表论文。电流的磁效应主要是罗盘的指针随罗盘之上南北走向导线的电流偏转的结果，并且如果在这种情况下改变电流的流动方向，指针偏转的方向也会随之改变。不管怎么说，这个发现第一次也让其他科学家们意识到电与磁可能确实具有某种联系。

虽然如此，奥斯特却用电的“冲突”一词来解释这些现象，这个词的使用可能是因为奥斯特所信奉的康德的一些哲学观的影响。比如说奥斯特认为，电荷之间的冲突形成了热和光。奥斯特也希望用他的电的冲突理论来解释这种电流的磁效应现象，即罗盘会受到电的冲突而发生偏转，这种冲突的来源则是来自水平夹在罗盘上的通电的导线。冲突是源于康德的观点，康德认为物质是力的冲突，而奥斯特所讲的是电的冲突，这容易使得电与力的概念混淆在一起。因此与奥斯特同时代的人发现“冲突”这样的说法非常晦涩难懂，从而难以清楚奥斯特所解释的是什么。另外，奥斯特说这种电的冲突“相当广泛地分布在其周围的空间中”。从他的这些表述来看，“电的冲突”似乎就是现在物理学中的“磁场”，因为根据现在的物理学理论，罗盘的偏转也是磁场带动的，并且磁场也“相当广泛地分布在其周围的空间中”。这说明奥斯特的理论中也出现了“磁场”这个概念的雏形。

安培从奥斯特所发现的这种电与磁的相互作用现象中得出结论认为，电与磁具有一致性，磁可以解释为电现象，或者反过来，电可以解释为一种磁现象。而安培正是选择了前者，他将所有磁体看成是由许多含微小电流的物质组合成的整体。他还认为，任何两种元素在电流中的引力或斥力都都取决于它们是顺行或是逆行。借此，安培制造了螺旋线圈，当线圈两极被接通电源时，整个线圈在各方面的性质都与磁体一致。因此安培的理论在当时可见是非常完美的。然而，对于奥斯特的“电的冲突”的理论，安培是持否定态度的。他理所当然地认为罗盘的旋转只能用牛顿的推力和拉力的共同作用来解释，而不是靠这种看不见的实体。虽然我们知道安培错了，磁场是确实存在的，但在当时，他的理论正因此而有着牛顿的权威来做靠山，所以他有很多的信徒，甚至法拉第也无法消除安培的理论对他带来的影响。

在物理学界研究电与磁的潮流中，法拉第和沃拉斯顿也开始了他们关于电与磁的研究。奥斯特作为他们的前辈，曾经说过一切力都可以互相转化。受到奥斯特的影响，有的科学家就曾经尝试将热转变成电（奥斯特也曾说过电力转变为热力是电引起热的原因）。于是法拉第与沃拉斯顿他们设想，既然电流可以使磁体旋转，那么反过来，他们猜测是否可以用磁体来使得通电导线旋转，将磁力转化成电力。然而他们在实验过程中，却遇到了一个不可避免的问题——摩擦力。由于通电导线旋转需要克服的摩擦力比磁针的要大得多，所以这个实验屡屡失败。

在对于奥斯特的电流的磁效应实验的解释上，法拉第和沃拉斯顿有不同的看法。沃拉斯顿认为诱导磁针旋转的力应该是横力、“旋转”力或者“沿周”力，他思考着这些力是怎么围绕电流做不断循环的运动的。而法拉第则仍然坚持牛顿学说的引力或斥力，并从这个方面思考电磁学问题。

1820年，法拉第试图从力学的角度解释奥斯特实验。但是他所提供的是一种错误的观念，而非清晰的牛顿主义的理论。他假设有一个水平放置的罗盘，一个垂直于罗盘的通电导线靠近罗盘。如果导线是在罗盘的一端，那么它会吸引罗盘，而在另一端则排斥罗盘。当导线位于两端之间时，导线与罗盘的关系就是中性的。进一步地，法拉第设想在导线旋转的同时让导线永远都在磁体的同一侧面的话，磁体就会追逐导线，或者使磁体的一极失去作用后让电流平行地通过磁体的轴，导线就会持续地运动等。

正当法拉第致力于用牛顿主义的力学等等来解释奥斯特的实验并设计他自己的实验时，沃拉斯顿则不断地尝试用反牛顿主义的理论来解释奥斯特的实验，并着手设计自己的实验。沃拉斯顿在他的理论中假设，当导线通电时，环绕导线的每一个圆柱面上都会出现类似于封闭磁体的作用。根据泊松的学说，磁体中的任何部分本身也是磁体。沃拉斯顿就设想这样的封闭磁体存在于通电导线的周围。而后，他也用他的这种设想成功地解释了奥斯特与安培各自的发现。然而，要验证沃拉斯顿的猜想究竟是否正确，我们仍然需要设计一个独立的实验来检验。事实上，在前文也已经提到过，大家料想在奥斯特的实验中，如果允许一切物体的自由运动，那么不仅磁体会旋转，导线也应该会以相反的方向旋转。奥斯特也曾经试图完成这个实验，他将导线固定在软木塞上后让软木塞漂浮在酸溶液中，但是仍然没有看到软木塞转起来。然而不久后终于有人成功地使软木塞转了起来。但是这种旋转既不符合法拉第的理论预期，也不符合沃拉斯顿的理论的预期，而是符合运用了牛顿第三定律的安培理论。

法拉第吸收了沃拉斯顿的对于通电导线周围存在的旋转力的一些观点，在1821年提出了他最初始的理论。他认为导线和磁极具有彼此绕着转的一种趋向；另外，他还认为相同的力互相之间会有排斥作用，而不同的力则彼此相互吸引。这第二点是比较新颖的，没有人在此之前提到过力作用于力，并且当时主流的牛顿论者认为，力只能作用于物体，并属于物体，所以法拉第的理论无疑是不符合当时牛顿主义的非主流思想。法拉第还假想磁极是作用的一个中心，按这种观点，磁极就是最终磁力被约束的地方。我们知道，从今天的物理学理论看来，法拉第此时的理论还是有非常多的缺陷存在的，许多问题或者现象也难以依靠他的理论来解决或者解释，而法拉第也确实花费了很多的时间对他理论进行修正和完善，但这个修正和完善的过程也是漫长而复杂的。

静电现象，静磁现象，这些在我们的生活中很常见，被人们所熟知。而奥斯特发现了“电产生磁”这种电磁现象。根据安培所设定的假说，电与磁具有一致性，那么人们理所当然地认为磁反过来生成电，也是同样可行的，只是这种现象还没有被发现而已。于是科学家们所要解决的问题就是发现磁生电现象，或者说找到依靠磁来生电的方法。然而，这是一条错误的研究路线。事实上，我们都知道电只能依靠电磁感应而从动能转化为电能。虽然如此，在发现电磁感应现象的1831年之前，如何将磁转化成电是一个非常普遍的问题，安培与法拉第都曾对此提出假说。

在1823年1月的一则日记中，关于一个检验牛顿第三定律的电磁实验，法拉第得出，绕磁极旋转的导线并没有以反作用力的形式给磁极在磁体自己的轴上转动的趋向。这是法拉第的又一次得出的革命性推测。正应该是电流或磁极趋于旋转的趋势使得导线或者磁体出现旋转，而如果导线，或者磁极位于对称的中心，它们就不会趋于旋转。这个结论源自于他的一个实验：将磁体置于导线圈的中心，再给导线通上电。实验结果是无论如何这个磁体也不会旋转（在与圈平行的方向），所以法拉第认为电磁作用似乎并不关心位于中心的物体。虽然法拉第此时的解释是错误的，但是他的结论却是正确的。然而，法拉第却并没有公布这一次的发现。可能他对他自己此时的学说仍然没有非常大的信心。

在1831年法拉第发现电磁感应现象前，曾有一些实验引起科学家们的关注。比如1820年，有这样的一次实验被公布：菲涅尔宣布观察到了磁解现象，也就是一种由磁体引起的化学分解。不过后来他又宣布自己的实验不可重复，因此是一次失败的实验，是无效的。假使磁解现象是真实的，那就意味着很可能存在磁荷，那么由磁转化成电就要求将磁荷转变成电荷，这就将科学家们的研究误导到其他方向去了。另外，早在1822年的时候，安培就试图使用各种方法来从磁体中获得电流，这也使他的研究陷入了死胡同，因为事实上1831年的电磁感应告诉我们不是磁体的存在而使导线产生了电流，而是磁体的运动使导线产生了电流。这就说明安培的研究是永远不会成功的。

1824年，阿拉戈完成了一个实验：他为了验证铜的磁性，用细线将磁体悬挂起来，并将其在一块铜片上方摇动。磁体的晃动很快就停止了。而这片铜片上并没有任何铁的成分。阿拉戈猜想铜片如果旋转，他所悬挂的磁体也会跟着动起来。事实证明的确如此，甚至还可以反过来，旋转的磁体可以使附近的铜片也跟着旋转。 虽然他的实验距离电磁感应的发现仅有一步之遥，只要有人愿意检测在磁体存在的情况下旋转的金属板之中产生的电流，那发现电磁感应的人可能就是他了；阿拉戈甚至发现旋转的金属板的传导性越好，这种效应也就越明显，可就是似乎没有人想到可能是金属板中的电流导致的这种现象。阿拉戈自己则是用安培的对于电流与以太之间关系的预测来解释这种现象。这种种原因导致这次无限接近于电磁感应的实验最终没能进一步促进科学家对电磁感应的发现。

法拉第是个物理学家的同时，他也是个化学家。他在1827年之前更多地将他的时间花在对化学的研究上，这可能是他在1823年之后在电磁学方面的研究几乎没有任何进展的原因。1827年后，他也并没有将对电学的研究作为自己的中心活动。而在1831年法拉第发现了电磁感应之后，法拉第才下定决心将一生奉献在电磁学之上。

1831年8月，法拉第打算再做一次曾经做过的实验。不同的是，他把两根长导线绕在木环的两边。像这样重做了一次，没有成功。法拉第换成铁芯，并用两根较长的导线圈做实验，并加强电流，仍然没有结果。最终他用了更长的导线，并加强了导线的绝缘性，终于成功了。在这一发现之后，他花了一定时间思考，以及检验他自己所提出的新理论。11月，法拉第开始写并宣读有关他的发现与他的理论的论文。此时法拉第显然已经大获全胜，然而法拉第却没有在文中断言安培和阿拉戈的理论是错误的，没有明确地抨击安培的理论。这使得信仰安培理论的牛顿主义者并不理睬法拉第的观点，从而使得法拉第的学说被孤立了。因此，1831年之后随之而来的是一段几乎完全忽视法拉第的电磁理论的时期。法拉第似乎虽然愿意去触动那些机械论者，但是始终难以克服对自己理论的踌躇，直到1842年，他才开始选择大胆地批判与争论，来反对安培的理论。

1831年法拉第建立了他的电磁感应理论。他发现了两种感应模式，并分别做出了解释。第一种感应通过改变电流获得，即周围线圈导线的电流变化产生了感应电流。事实上在电源接触通电的那一瞬间，电流计上会出现一次微弱的感应。当电源断开时，电流计同样地也会出现这样的感应。但是在1831年以前，法拉第总是遗憾地忽略了这个效应，而在1831年时他可能偶然注意到了这个瞬间的变化；第二种是通过相对于磁体运动的导线获得的感应。对于第二种感应法拉第的解释是，因为导线切割了磁感线，而磁感线正是法拉第自己设立的理论中的概念。法拉第提出了自己的场论，并用他所设计的磁场，磁感线等等概念来解释了这近十几年来的一切实验的现象。也正是因此，他的理论并不受牛顿主义信徒的待见，因为法拉第的理论否定了很多牛顿理论中的观点。无论如何，时间证明了法拉第的理论是正确的，他的理论逐渐受到了大众的认可，并进一步地推动了电磁科学的发展。

参考文献：

[1]约瑟夫·阿盖西 法拉第传[M]北京：商务印书馆，2019：43-91