电磁感应定律的发现与场的概念的提出

迈克尔·法拉第是19世纪伟大的物理学家，他对物理学最卓越的贡献就是通过实验发现了电磁感应定律.当时法拉第受德国古典哲学中辩证思想的影响，认为电、磁、光、热之间是相互联系的.1820年奥斯特发现了电流对磁针的作用，法拉第敏锐地认识到了它的重要性.法拉第认为:既然磁铁能使附近的铁块感应带磁，静电荷能使附近的物体中感应出符号相反的电荷，那么，当把一导体放人电流所产生的磁场中时，有可能在这导体内产生电流.他做了一个圆筒，把二个线圈重叠地绕在一起，使它们相互挨得很近，并且用绝缘体(例如纸)将它们彼此电隔离.然后将第一个线圈与伽伐尼电池相连接.其中电池由10对平板组成，每块平板的面积为258平方厘米，并且铜板是双层的.第二个线圈与一灵敏电流计相连接.当第一线圈通电后，检查第二个线圈有没有电流流过.实验的结果令法拉第很失望，因为他发现，导体中的电流并不能使第二个线圈中产生任何可观察到的电流.后来，法拉第又用两根各长61.8米的铜线紧挨着绕在一个很大的木头圆筒上，两根铜线用电介质绝缘(用细绳包缠住).法拉第将第一线圈与充足了电的电池相连接，电池由100块面积为25，8平方厘米的双层铜板组成，另一个线圈连接到电流计上.实验结果令法拉第大为惊奇，他写道:“当接通电路时，观察到电流计有突然的但很弱的摆动，将连接电池的电路断开时也有类似的微弱效应.”当电流稳定后，效应就消失了.这一现象说明了磁和电的关系是动态的而非静态的，一个线圈中感应电流不是由稳定电流感生的，而是由变化电流感生的.接着法拉第又做了一个惊人的实验，他用退了磁的铁指针代替电流计，将它放入由第二个线圈组成的螺线管内.如果有电流流过螺线管，电流将激励起磁场，并使铁指针磁化.这样他就有了新的发现电流的可靠手段，用它代替电流计指针的瞬时偏转.其次，他还能够证实，当接通电路时，第二个线圈中的电流是往相反方向流动的，因为他发现，指针的磁场有相反的极性(由原来指向北极变为指向南极).
　　
　　法拉第在他著的《电的实验研究》一书中，设计了多种电磁感应方案，实验证明了当邻近导线中的电流发生变化时，在第二回路中会产生电流.这种电磁感应现象还表现在:当穿过某一回路的磁场发生变化时，在回路中产生电流;当导线附近的磁场发生变化时，导线中产生电场;当回路在恒定磁场中旋转时在回路中产生电流;当导线在磁场中移动时导线中产生电场.电磁感应还能以外表不同的其他形式表现出来，但这些现象都可用一个统一的定性结论加以描述为:交变磁场会产生电场;也可表述为:不论采用何种方式，只要穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就会产生感生电流.这就是著名的电磁感应定律.法拉第发现的电磁感应定律是发电机的理论基础，这种发电机所提供的电能是伏打电堆产生的电能所无法比拟的.它的发现开创了人类利用电力的新时代.
　　
　　知道了电磁感应定律，但电和磁的作用是怎样传递的?电磁感应现象的物理性质和机制是什么?当时对这些问题有不同的解释和回答一种是以超距作用来解释，这种观点认为:电磁的作用与存在于两物体之间的物质无关，而是以无限大速度在两物体间直接传递的.1837年法拉第提出了场的概念，指出:电荷与电荷、磁极与磁极之间的相互作用不是超距的，而是通过带电体或磁性物质周围的场而发生的.他用电力线和磁力线表示电场和磁场的空间分布.电力线是描述电场分布情况的曲线，曲线上各点的切线方向，与该点的电场方向一致.曲线密集的程度与该处的电场强度成正比.磁力线是描述磁场分布情况的曲线，曲线上各点的切线方向，与该点的磁场方向一致.曲线密集程度反映了磁场强弱，磁力线是闭合的曲线.用电力线和磁力线可以形象地描述电磁感应现象:当导线切割磁力线时就引起感应电流，反之，电力线的运动就产生磁场.
　　
　　法拉第在科学实验的基础上，发挥了生动想象力，创造了力线的物理图象.他做过这样的实验:把一块纸板放在磁棒之上，把铁屑散布在纸板上，这些铁屑将集合成许多线，表明磁力是沿着这些线而起作用的.力场概念使非常抽象的场，获得了形象化的直观表示.电磁场理论的发展，受益于力线形象的启发确实是很大的.法拉第提出场的概念是牛顿以后物理基本概念的重要发展，当时几乎所有物理学家都把它看成离经叛道的妄想.直到后来英国青年理论物理学家麦克斯韦接受了这种大胆的思想，他利用19世纪20年代和30年代数学家在理论力学方面的研究，把法拉第的电磁场的直觉翻译为精确的定量的数学方程式.
　　
　　今天当我们再照样地作法拉第的实验时，是这样的简单明了.但当初法拉第是经过十年(1822一1831)的时间才得到的.是法拉第奠定了电磁学的实验基础.