一、前言

??法拉第是如何通過磁鐵來產(chǎn)生電流的？ 其他人又是如何通過磁鐵產(chǎn)生電流的呢？ 如何做才能夠創(chuàng)建磁場的概念？

二、法拉第圓環(huán)

??在1826年英國科學家，麥克·法拉第讀到另外一個英國人斯圖金的論文，關于如何將電線繞制在一個鐵棒上并通以電流產(chǎn)生電磁鐵作用。因為是電流使得電棒形成磁鐵，所以斯圖金的這個設備被稱為電磁鐵。

??斯圖金的電磁鐵上使用了油漆和裸露的電線制作而成，因此在制作過程中需要小心不要讓電線相互接觸，否則電流會通過接觸的部分形成短路，若不會通過所有的電線。

▲ 圖1.1.1 斯圖金的電磁鐵

??法拉第有一個六英寸大小的鐵環(huán)，并沒有使用漆將其覆蓋。使用布將電線纏繞以防止它們相互短路，這樣就不需要使用漆來覆蓋鐵環(huán)了。使用這種方法他可以更佳密集在鐵環(huán)上纏繞電線，從而產(chǎn)生更加強的電磁鐵。在這個鐵環(huán)上，法拉第繞制了兩個線圈，一個左邊的線圈，一個右邊的線圈。外形很像埃及木乃伊的復制品。

??法拉第通常在做其他實驗的時候將這個帶有線圈的鐵環(huán)放在自己的口袋里，認為肯定什么時候會得上它，只不過現(xiàn)在還不知道使用的方法。

▲ 圖1.1.2 法拉第實驗所使用的鐵環(huán)

??在1831年8月份，他在自己的職業(yè)生涯中做了一次冒險。他辭去討厭的政府安排的研究工作，另外開辟屬于自己的研究領域。法拉第想研究的是磁和電。特別是他確信可以使用磁鐵產(chǎn)生電流。

▲ 圖1.3.1 法拉第研究室的工作

三、電流感應電流

??畢竟從丹麥科學家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特發(fā)現(xiàn)電流驅動磁針現(xiàn)象已經(jīng)過去了11個年頭了。邏輯上來講，磁場也可以反過來影響電流。11年來法拉第不停鼓搗磁鐵和電流，但并沒有什么收獲。他懷疑自己所使用的磁鐵不夠強，因此他從自己口袋中取出了繞制線圈的鐵環(huán)。他決定讓一個線圈產(chǎn)生磁場，另外一個線圈作為電流測試線圈，嘗試著看是否可以不通過直接連電池產(chǎn)生電流。把一個指南針放在測試線圈回路中檢測是否有電流產(chǎn)生。

▲ 圖1.3.1 奧斯特電流產(chǎn)生磁場實驗

??當法拉第將電池接入了第一個線圈，神奇的事情發(fā)生了。第二個線圈附近的磁針轉動了，然后又回復正常方向。當斷開電池，磁針反方向轉動，然后恢復正常方向。通過多次實驗觀察，法拉第確定第二個線圈所產(chǎn)生的電流僅僅在第一個線圈電流接通和斷開的瞬間產(chǎn)生.當電流平穩(wěn)之后第二個線圈就不再有電流了，第一個線圈中穩(wěn)定電流無論多大也不會在第二個線圈產(chǎn)生電流。所以電流只是發(fā)生在線圈所產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化的時候。電流強度穩(wěn)定后，什么就不會發(fā)生了。

▲ 圖1.3.2 法拉第的實驗

??他在給朋友的信中寫到：我現(xiàn)在又重新忙于研究電磁理論。我有一個很好的發(fā)現(xiàn)，但現(xiàn)在不能夠說出來。也許是水草，或者是條大魚，不管怎樣，經(jīng)過我的努力會將他們一網(wǎng)打盡。

四、磁鐵感應電流

??前面的實驗中法拉第使用了電流產(chǎn)生電流，但還沒有利用磁鐵產(chǎn)生電流。經(jīng)過幾次嘗試，由于結果微弱無法觀察.法拉第將一個很強的磁鐵放進一個線圈中間，然后將其抽出。只要磁鐵一動，就會產(chǎn)生電流使得指南針偏轉。這才是法拉第想捉的大魚，他簡單明了地通過磁鐵產(chǎn)生了電流。

??法拉第現(xiàn)在還有另外一個法寶可以使用。在他工作的皇家研究院有一個巨型磁鐵，實際上是由437快磁鐵堆積而成，法拉第有權使用它。法拉第將一個鐵棒放在巨型磁鐵上，鐵棒被磁化了。當他將線圈在鐵棒上進進出出來回移動，就可以在線圈中產(chǎn)生電流。然而即使這么強的磁鐵當線圈靜止時也沒有電流產(chǎn)生。

▲ 圖1.4.1 磁鐵在線圈中產(chǎn)生電流

??法拉第實驗結果總結如下。當他將線圈靠近或者遠離強磁鐵的時候會產(chǎn)生電流；如果他移動磁鐵靠近或者遠離線圈也會產(chǎn)生電流；或者改變線圈電流來改變電磁鐵的強度，也會在附近的線圈產(chǎn)生電流。為此法拉第需要新的方式來描述這個現(xiàn)象。

五、理論解釋

??他有很強的的視覺想象能力，但缺乏數(shù)學功底。他想想磁場的曲線從磁鐵、通電線圈以及電磁鐵中出現(xiàn)。幾個世紀以來，人們在磁鐵棒周圍灑下細碎的鐵粉，可以形成磁場模式。法拉第認為這些鐵粉是沿著磁鐵周圍的磁力線排列，這些磁力線始終存在磁鐵或者電磁線圈周圍。鐵粉只是將磁場顯現(xiàn)出來。

▲ 圖1.5.1 法拉第的形象思維

??利用這種方式，法拉第在1831年建立了磁場的概念。法拉第認為當磁力線被線圈切割的時候，先圈內(nèi)就會產(chǎn)生電流，這也被稱為感應電流。

??設想一個磁鐵插入線圈的過程。當磁鐵進入線圈是，外部的磁力線就會切割線圈從而產(chǎn)生感應電流。法拉第認為是這種磁力的波動產(chǎn)生了線圈電流，這不像星球大戰(zhàn)中描述的那樣。 是不是很神奇，現(xiàn)在我們也相信這個理論。

六、發(fā)電機

??法拉第認識到他所產(chǎn)生的電流是一個瞬態(tài)脈沖，他想是否可以產(chǎn)生想電池那樣的持續(xù)電流呢。為此他需要使用阿拉果金屬盤，

▲ 圖1.1.3 阿拉果以及他的金屬盤

??在九年前一位善于夸夸其談的法國人，弗朗索瓦·阿拉果發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，當旋轉一個銅盤，銅盤上有一個磁鐵，磁鐵也會被帶著旋轉。法拉第認為他找到了阿拉果銅盤的機理。當靠近磁鐵的銅盤移動的時候會產(chǎn)生感應電流，正式磁場產(chǎn)生的感應電流反過來推送原來的磁鐵運動。法拉第決定使用巨大的磁鐵來測試他的假設。

??他講兩個鐵棒安放在巨型磁鐵上，形成了一個U型磁鐵，然后講一個銅盤安置在兩個磁極中間，他可以旋轉銅盤。然后將銅盤中間和邊緣通過電線相連，利用一個指南針測量輸出的電流。當他旋轉銅盤的時候，可以看到磁針穩(wěn)定的偏轉。

▲ 圖1.6.2 法拉第發(fā)電機

??這樣法拉第通過運動產(chǎn)生了穩(wěn)定的電流。實際上他發(fā)明了第一個發(fā)電機?？茖W界對此感到非常震驚。他的發(fā)現(xiàn)也解釋了阿拉果銅盤的秘密。

??法拉第也對沒有利用任何數(shù)學就解決了電磁問題感到非常滿意，他本人也對數(shù)學不熟悉。 他在1832年發(fā)表了相應的工作。由于論文太受歡迎了，當時的英國首相親自到他的實驗室來觀看法拉第的第一個發(fā)電機。當首相詢問法拉第這個設備會有什么實際用途時，法拉第當時回復到，我現(xiàn)在不知道，不過希望將來政府可以通過它的應用來征稅。

▲ 圖1.6.3 英國首相與法拉第

七、后記

??法拉第制作的發(fā)電機用來展示還是可以的，但它無法產(chǎn)生可用的電流，因為當銅盤轉動的時候，會在銅盤上產(chǎn)生感應渦流。它的存在使得流向輸出電線的電流減少。

▲ 圖1.7.1 磁場中的渦流

??一幫人制作出可以使用的發(fā)電機是三十年后的事情了。這其中的曲折果實我們下回接著說。

參考資料

[1]

閃電的馴服者：電學的歷史: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/128426612?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22128426612%22%2C%22source%22%3A%22zhuoqingjoking97298%22%7D

[2]

How Faraday Made Electricity with Magnets: Discovery of Induction, the Generator, & Magnetic Fields: https://www./watch?v=MpjoGC-Prks&list=PLepnjl2hm9tF-CxhyRFZi3Pujkq_V4pKP&index=23