物理学 1831

电学实验研究（第一辑）

迈克尔·法拉第

让磁铁从线圈旁掠过，电就流了起来——变化本身，就是电流的源头。

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In depth · the introduction

十年里，法拉第只追着一个问题——既然电能生磁，那磁能不能生电？——而 1831 年，他发现，诀窍在于运动。

核心想法

到 1820 年，人们已经知道电流能产生磁场：导线里的电流会让旁边的指南针偏转。法拉第确信反过来也必定成立——磁应该能产生电流——他为此试了好几年。答案揭晓时，却带着一个转折：一块静静待在线圈旁的磁铁，什么也不会发生。只有在磁铁「移动」、或磁性「变化」的时候，电流才会出现。

他用两种办法证明了它。先是一只带着两组独立线圈的铁环：把其中一组线圈的电流开或关，另一组线圈上的电流计就会一跳——但只在开关的那一刻。然后干脆不用电池：把一根条形磁铁推进线圈，指针偏向一边，抽出来，偏向另一边。变化，就是全部的秘密。

它是如何诞生的

法拉第几乎没受过正规教育。他是铁匠的儿子，做过装订学徒，在他缝订的那些书里读到了科学，又靠口才谋得了一份差事——给皇家研究院的化学家汉弗里·戴维当助手——最终成了那个时代最伟大的实验家。1821 年，他造出了第一台电动机，让一根导线绕着磁铁不停地转。而反过来——从磁里造出电——又花了他十年。

突破来自 1831 年 8 月 29 日的那只铁环；整个秋天，他一个接一个地做实验，把磁铁插进线圈，让铜盘在磁极之间旋转以引出稳定的电流。那年 11 月，他把这项工作在皇家学会宣读。在大西洋彼岸，美国人约瑟夫·亨利独立地看见了几乎相同的效应——但法拉第先发表，并弄清了它的含义。

它为何重要

法拉第找到了把运动变成电的办法。今天的每一座电站，都是一台专做这件事的机器——让磁铁掠过线圈旋转，无论推动旋转的是落水、是风、是蒸汽，还是核反应堆的炉心。他的那只铁环，化作了把电力送往整个国家的变压器。没有这一项发现，就不会有电网，这个用电线连起来的世界，根本无从存在。

一个可以想象的画面

想想推秋千。把秋千停在任何高度都没用；起作用的是「运动」，而你推得越快，效果越大。线圈旁的磁铁也是一样：把它停在那儿，哪怕就停在线圈正中，也不会有一丝电流。让它扫过，电流便涌出——扫得越快，电流越强。起作用的，永远是变化，而不是位置。

它在知识谱系中的位置

法拉第的发现，是整个电磁故事的枢纽。汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（1820）曾表明电流能生磁，安德烈-马里·安培又把它定量化；法拉第补上了那缺失的反向——「变化的」磁能生电。他把磁体周围的空间想象成布满了「力线」——一个物理的场——而非超距作用。

那幅图景，是法拉第最深远的遗产。一代人之后，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦取来这些力线，把它们写成了方程（他 1865 年的论文也在本馆中），把法拉第的电磁感应纳入四条定律，揭示出光本身就是一种电磁波。这位自学成才的装订工，提供了物理的洞见；麦克斯韦，提供了数学。

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论电流的感应

Michael Faraday · Experimental Researches in Electricity, First Series · Phil. Trans. R. Soc. 122 (1832): 125–162 · read 24 November 1831

§1 · The plan

The power which electricity of tension possesses of causing an opposite electrical state in its vicinity has been expressed by the general term Induction; which, as it has been received into scientific language, may also, with propriety, be used in the same general sense to express the power which electrical currents may possess of inducing any particular state upon matter in their immediate neighbourhood, otherwise indifferent.

§6 · The first experiment

Two hundred and three feet of copper wire in one length were coiled round a large block of wood; other two hundred and three feet of similar wire were interposed as a spiral between the turns of the first coil, and metallic contact everywhere prevented by twine.

When the contact was made, there was a sudden and very slight effect at the galvanometer, and there was also a similar slight effect when the contact with the battery was broken. But whilst the voltaic current was continuing to pass through the one helix, no galvanometrical appearances nor any effect like induction upon the other helix could be perceived, although the active power of the battery was proved to be great.

[ … ]

由磁生电

First Series · the iron ring (§§27–31) and the moving magnet (§39)

Upon using the power of one hundred pairs of plates (10.) with this ring, the impulse at the galvanometer, when contact was completed or broken, was so great as to make the needle spin round rapidly four or five times, before the air and terrestrial magnetism could reduce its motion to mere oscillation.