磁作用能否产生电流

十九世纪初,伏打电堆让研究者可以持续使用电流。电流对磁针的作用,以及电磁旋转实验,显示电与磁之间存在可以观察的联系。法拉第在英国皇家研究院继续追问:既然电流能产生磁作用,能否沿着另一方向,从磁作用得到电流?这个问题需要把很短的电流变化变成仪器上能够辨认的动作。

他把电池、导线、线圈、铁件和检流计组织成不同的回路,逐项改变连接与运动。检流计中的磁针帮助显示电流方向,绝缘材料使相邻导线保持分开的路径。电源与检测回路如何安排,成为实验的核心。法拉第在日记里记录装置和观察,把接通、断开以及移动材料时的差别保留下来,便于继续比较。

参考:[2] [3]

1831年8月29日的铁环

1831年8月29日,法拉第在铁环两侧绕上分开的线圈,一侧连接电池,另一侧接到检流计。电池回路接通的一刻,另一侧的指针发生偏转;保持连接时,指针又回到原来的位置。断开电池,指针再次动作,方向与接通时不同。两条导线回路并没有直接相接,却在电源状态改变时出现了相互作用。

这个结果使观察重点落在“变化”上。铁环把两侧的磁作用联系起来,电池回路建立或消失的过程,在另一个回路中引起短暂电流。反复接通和断开,让作用能够重现,也帮助排除偶然的指针移动。后来变压器同样使用相联系的线圈与变化的磁作用;法拉第的铁环则先把这种联系变成了清楚的实验现象。

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移动磁铁,比较电流方向

法拉第接着比较没有电池驱动的磁作用。他把磁铁移入线圈,又把它抽出,用检流计观察回路中的变化。进入和退出产生不同方向的偏转,磁铁保持不动时则没有同样的持续作用。线圈、磁铁和运动的配合,让研究者能够重复地控制变化,把电流出现的时刻与装置的动作对应起来。

他还比较不同材料和不同连接,研究磁作用怎样穿过导体、怎样随着位置改变。机械运动因此成为获取电流的一种办法:移动磁铁,或使导体在磁场中运动,都可以组织成实验。电流的大小与方向需要由具体排列决定,观察不再只问是否出现电,而开始追踪变化发生在哪里、经过什么路径,又持续多久。

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让铜盘持续转动

在同年秋天的实验中,法拉第让铜盘在磁铁的作用范围内转动,并从圆盘中心和边缘设置接点。转动继续时,外部回路可以得到连续电流。接点要与运动中的金属保持接触,转动方向和磁铁的安排也会改变结果。这个装置把手的机械劳动、磁作用和电流联系起来,呈现了与电池供电不同的取电方式。

铜盘装置的输出有限,却使发电问题有了可重复的起点。要把它发展成实用设备,还需要处理导体形状、磁铁强度、机械驱动和电流收集。后来的发电机把这些环节重新组织,利用蒸汽机或水轮机提供持续运动。1831年的实验记录因而既保存了发现的经过,也为工程师留下可以继续改变的装置与操作。

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实验记录走向发电工程

法拉第把这一系列实验整理成《电学实验研究》第一系列,1831年向皇家学会报告,论文于1832年印行。他逐条描述装置、动作与指针反应,使读者能够比较不同实验,而不只是接受一个发现的名称。铁环、磁铁与铜盘分别展示了改变电流、改变位置和持续运动的作用,共同构成电磁感应的实验基础。

到十九世纪后期,发电技术已进入城市和工厂。纽约珍珠街电站用蒸汽机驱动发电机,尼亚加拉工程把水轮机与交流发电机连接起来;这些系统还需要电缆、开关、计量和维护。法拉第的研究提供了其中的物理基础,后续工程把实验台上的转换过程扩大成持续服务,使电源的位置和用电的位置能够逐渐分开。

参考:[2] [4] [5]