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法拉第出生于贫困的铁匠家庭,在四个孩子中排行第三,从小生活困难,只读了几年小学。法拉第从13岁起到书店做学徒,主要工作是传送书报、装订书籍,在长达8年的学徒生涯中,利用职务之便,法拉第不加选择地阅读了大量书籍。法拉第后来说:“这些书中有两本对我特别有帮助,一本是《大英百科全书》,我从它第一次得到电的概念,另一本是Marcet夫人的《化学对话》,它给了我这门科学的基础。”法拉第甚至省吃俭用,买点器具自己动手做简单的化学和电学实验。1810年,19岁的法拉第经人介绍参加了“市哲学学会”,经常听取涉及电学、力学、光学、化学、天文学、实验等许多内容的讲座,获得了广泛的启蒙知识。1812年10月,法拉第长达8年之久的学徒期满,即将成为一名正式的装订工,但他的愿望是从事科学研究。10月底,著名化学家戴维(H.Davy)在做化学实验时因爆炸伤了眼睛,法拉第被推荐给戴维做听写员,记录整理戴维的讲演。戴维对法拉第的工作很满意。1813年2月,适逢皇家研究院空出一个实验室助理的职位,经戴维推荐,法拉第获得了这个职位,成为戴维的助手,从此开始了长达50多年的献身科学的光辉历程。
法拉第曾经仔细分析过电流磁效应等现象。法拉第认为,电流与磁的作用应包括几个方面,即电流对磁的作用,电流对电流的作用,以及磁能否产生电流。前两者已经发现,问题在于后者。法拉第设想,既然磁铁可以使近旁的铁块感应具有磁性,电荷可以使近旁的导体感应带有电荷,那么,电流也应当可以使近旁的线圈因感应而生出电流。基于这种想法,1824年法拉第把强磁铁放在线圈内,在线圈附近放小磁针,结果小磁针并不偏转,表明线圈并未因其中放了强磁铁而产生感应电流。1825年法拉第把导线回路放在另一通以强电流的回路附近,期望在导线回路中能感应出电流,也没有任何结果。1828年法拉第又设计了专门的装置,使导线回路和磁铁处于不同位置,仍然未见导线回路中产生电流。
1823年,Colladon做了一个重要的、本来可以发现电磁感应现象的实验,却令人遗憾的以失败告终。Colladon实验十分简单,他把磁铁插人螺线管中或从其中拔出,想看看由此闭合的螺线管线圈中是否会产生感应电流。这和今天课堂上做的演示实验几乎完全相同。然而,由于当时还没有磁电式电流计,导线中是否有电流,需通过在其附行放置的小磁针是否偏转来检验。或许是为了避免磁铁棒插人或拔出时对磁针的影响,Colladon以长导线与螺线管相连,把螺线管和长导线的一端放在屋内,而把长导线的另一端与检验其中是否存在电流的小磁针置于邻屋内,两屋之间挖一小洞,长导线穿过小洞到达与之平行的小磁针附近又再返回与螺线管构成闭合回路。由于没有助手,Colladon只身往返于一墙之隔的两个房间,在磁铁棒插入螺线管或从其中拔出之后,再到邻屋观看小磁针是否偏转,结果毫无动静,一无所获。
法拉第构想的力线图象是以广泛的实验研究为根据的。法拉第指出,带电体或磁体之间的力线一般是曲线而不是直线,这表明电的或磁的相互作用不可能是超距作用观点所设想的直接作用。法拉第在研究插人的电介质对带电体之间电力强度的影响时发现,电容器中插入绝缘材料会增大电容器容纳的电荷量,他把两者之比叫做电容率。他认为这是因为出现了极化,结果使电容板与绝缘介质之间缝隙中的电力线比未插入绝缘介质时电容器中的电力线要稠密,从而在电力线尽头的电容板上能容纳较多的电荷。这种影响也表明,电力作用不可能是超越空间的直接作用。同样的效应在磁现象中也出现。法拉第曾用力线来解释物质的顺磁性和抗磁性,他认为,把顺磁体放在磁场内,体内磁力线凝聚,密度增大,抗磁体则刚相反。
为了解释导致电磁感应现象的感应电动势是如何产生的。法拉第提出,在磁体或电流的周围必定存在着一种“电紧张状态”(electrotoni state),磁铁或电流的运动与变化所引起的电紧张状态的变化,正是产生感应电动势的原因。什么是电紧张状态呢,法拉第认为这是由磁铁或电流产生的存在于物质或空间中的张力状态。这种状态的出现、消失以及变化的过程,均能产生感应电动势,使处于这种状态中的导体产生感应电流。法拉第写道:“在螺线管或导线移近或离开磁铁的所有那些情况中,正向的或反向的感应电流会在(螺线管或导线)前进或后退的时间内持续产生,因为在那段时间内电紧张状态升到较高或降到较低的程度,这种变化伴随着相应的电流产生。”以电学的实验研究》第一辑。)
法拉第用磁力线的多寡描述电紧张状态的强弱,用磁力线数量的增减描述电紧张状态变化的程度。由于电紧张状态的变化是产生感应电动势的原因,所以磁力线数量的增减正好量度了感应电动势的大小。由此可见,在解释电磁感应的过程中,法拉第把他描绘静态电磁相互作用的力线图象发展到了动态,并通过力线把电现象与磁现象联系了起来。法拉第认为,当通过导体回路的磁力线根数发生变化时,就会产生感应电动势,引起感应电流。1851年,法拉第在《论磁力线》一文中指出:“无论导线是垂直地还是倾斜地跨过磁力线,也无论它是沿某一方向或另一方向,该导线都把它所跨过的力线所表示的力汇总起来。”因而,“形成电流的力(即感应电动势)正比于所切割的磁力线数。”这就是法拉第描绘的电磁感应的物理图象。
在结束本段时,还应该提一下Lenz定律。1833年11月29日,楞次(H.F.E.Lenz,1804—1865),在《论如何确定由电动力感应所引起的伽伐尼电流的方向》一文中指出:“如果金属导体接近一电流或磁体,那么在这导体中就会产生枷伐尼电流,这个电流的方向是这样的:它倾向于使导体发生与实际的位移方向相反的位移。”这就是Lenz定律。它表明,感应电流的磁场总是补偿施感磁场的变化,即阻碍施感磁体或电流的运动。Lenz定律将感应电流的产生同力学作功过程联系起来,为了克服感应电流产生的磁场的作用,必须消耗一部分能量,正是这部分能量转化为维持感应电流所需的能量。因此,Lenz定律表明,电磁现象同样遵循能量守恒定律。Lenz定律的实质正在于此。