一、前言法拉第是如何通过磁铁来产生电流的？ 其他人又是如何通过磁铁产生电流的呢？ 如何做才能够创建磁场的概念？ 二、法拉第圆环在1826年英国科学家，麦克·法拉第读到另外一个英国人斯图金的论文，关于如何将电线绕制在一个铁棒上并通以电流产生电磁铁作用。因为是电流使得电棒形成磁铁，所以斯图金的这个设备被称为电磁铁。 斯图金的电磁铁上使用了油漆和裸露的电线制作而成，因此在制作过程中需要小心不要让电线相互接触，否则电流会通过接触的部分形成短路，若不会通过所有的电线。  ▲ 图1.1.1 斯图金的电磁铁 法拉第有一个六英寸大小的铁环，并没有使用漆将其覆盖。使用布将电线缠绕以防止它们相互短路，这样就不需要使用漆来覆盖铁环了。使用这种方法他可以更佳密集在铁环上缠绕电线，从而产生更加强的电磁铁。在这个铁环上，法拉第绕制了两个线圈，一个左边的线圈，一个右边的线圈。外形很像埃及木乃伊的复制品。 法拉第通常在做其他实验的时候将这个带有线圈的铁环放在自己的口袋里，认为肯定什么时候会得上它，只不过现在还不知道使用的方法。  ▲ 图1.1.2 法拉第实验所使用的铁环 在1831年8月份，他在自己的职业生涯中做了一次冒险。他辞去讨厌的政府安排的研究工作，另外开辟属于自己的研究领域。法拉第想研究的是磁和电。特别是他确信可以使用磁铁产生电流。  ▲ 图1.3.1 法拉第研究室的工作 三、电流感应电流毕竟从丹麦科学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现电流驱动磁针现象已经过去了11个年头了。逻辑上来讲，磁场也可以反过来影响电流。11年来法拉第不停鼓捣磁铁和电流，但并没有什么收获。他怀疑自己所使用的磁铁不够强，因此他从自己口袋中取出了绕制线圈的铁环。他决定让一个线圈产生磁场，另外一个线圈作为电流测试线圈，尝试着看是否可以不通过直接连电池产生电流。把一个指南针放在测试线圈回路中检测是否有电流产生。  ▲ 图1.3.1 奥斯特电流产生磁场实验 当法拉第将电池接入了第一个线圈，神奇的事情发生了。第二个线圈附近的磁针转动了，然后又回复正常方向。当断开电池，磁针反方向转动，然后恢复正常方向。通过多次实验观察，法拉第确定第二个线圈所产生的电流仅仅在第一个线圈电流接通和断开的瞬间产生.当电流平稳之后第二个线圈就不再有电流了，第一个线圈中稳定电流无论多大也不会在第二个线圈产生电流。所以电流只是发生在线圈所产生的磁场发生变化的时候。电流强度稳定后，什么就不会发生了。  ▲ 图1.3.2 法拉第的实验 他在给朋友的信中写到：我现在又重新忙于研究电磁理论。我有一个很好的发现，但现在不能够说出来。也许是水草，或者是条大鱼，不管怎样，经过我的努力会将他们一网打尽。 四、磁铁感应电流前面的实验中法拉第使用了电流产生电流，但还没有利用磁铁产生电流。经过几次尝试，由于结果微弱无法观察.法拉第将一个很强的磁铁放进一个线圈中间，然后将其抽出。只要磁铁一动，就会产生电流使得指南针偏转。这才是法拉第想捉的大鱼，他简单明了地通过磁铁产生了电流。 法拉第现在还有另外一个法宝可以使用。在他工作的皇家研究院有一个巨型磁铁，实际上是由437快磁铁堆积而成，法拉第有权使用它。法拉第将一个铁棒放在巨型磁铁上，铁棒被磁化了。当他将线圈在铁棒上进进出出来回移动，就可以在线圈中产生电流。然而即使这么强的磁铁当线圈静止时也没有电流产生。  ▲ 图1.4.1 磁铁在线圈中产生电流 法拉第实验结果总结如下。当他将线圈靠近或者远离强磁铁的时候会产生电流；如果他移动磁铁靠近或者远离线圈也会产生电流；或者改变线圈电流来改变电磁铁的强度，也会在附近的线圈产生电流。为此法拉第需要新的方式来描述这个现象。 五、理论解释他有很强的的视觉想象能力，但缺乏数学功底。他想想磁场的曲线从磁铁、通电线圈以及电磁铁中出现。几个世纪以来，人们在磁铁棒周围洒下细碎的铁粉，可以形成磁场模式。法拉第认为这些铁粉是沿着磁铁周围的磁力线排列，这些磁力线始终存在磁铁或者电磁线圈周围。铁粉只是将磁场显现出来。  ▲ 图1.5.1 法拉第的形象思维 利用这种方式，法拉第在1831年建立了磁场的概念。法拉第认为当磁力线被线圈切割的时候，先圈内就会产生电流，这也被称为感应电流。 设想一个磁铁插入线圈的过程。当磁铁进入线圈是，外部的磁力线就会切割线圈从而产生感应电流。法拉第认为是这种磁力的波动产生了线圈电流，这不像星球大战中描述的那样。 是不是很神奇，现在我们也相信这个理论。 六、发电机法拉第认识到他所产生的电流是一个瞬态脉冲，他想是否可以产生想电池那样的持续电流呢。为此他需要使用阿拉果金属盘，  ▲ 图1.1.3 阿拉果以及他的金属盘 在九年前一位善于夸夸其谈的法国人，弗朗索瓦·阿拉果发现一个现象，当旋转一个铜盘，铜盘上有一个磁铁，磁铁也会被带着旋转。法拉第认为他找到了阿拉果铜盘的机理。当靠近磁铁的铜盘移动的时候会产生感应电流，正式磁场产生的感应电流反过来推送原来的磁铁运动。法拉第决定使用巨大的磁铁来测试他的假设。 他讲两个铁棒安放在巨型磁铁上，形成了一个U型磁铁，然后讲一个铜盘安置在两个磁极中间，他可以旋转铜盘。然后将铜盘中间和边缘通过电线相连，利用一个指南针测量输出的电流。当他旋转铜盘的时候，可以看到磁针稳定的偏转。  ▲ 图1.6.2 法拉第发电机 这样法拉第通过运动产生了稳定的电流。实际上他发明了第一个发电机。科学界对此感到非常震惊。他的发现也解释了阿拉果铜盘的秘密。 法拉第也对没有利用任何数学就解决了电磁问题感到非常满意，他本人也对数学不熟悉。 他在1832年发表了相应的工作。由于论文太受欢迎了，当时的英国首相亲自到他的实验室来观看法拉第的第一个发电机。当首相询问法拉第这个设备会有什么实际用途时，法拉第当时回复到，我现在不知道，不过希望将来政府可以通过它的应用来征税。  ▲ 图1.6.3 英国首相与法拉第 七、后记法拉第制作的发电机用来展示还是可以的，但它无法产生可用的电流，因为当铜盘转动的时候，会在铜盘上产生感应涡流。它的存在使得流向输出电线的电流减少。  ▲ 图1.7.1 磁场中的涡流 一帮人制作出可以使用的发电机是三十年后的事情了。这其中的曲折果实我们下回接着说。 参考资料[1] 闪电的驯服者：电学的历史: 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 |
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