4.1划时代的发现：电生磁与磁生电

4.1 划时代的发现

奥斯特圆梦电生磁法拉第心系磁生电

黔江民族中学张芳

【教学目标】：1、了解电生磁和磁生电的科学史实

2、体会科学探究中的艰辛与曲折，树立远大理想，培养不懈探究的科学精神。【教学过程】：

一、奥斯特圆梦电生磁

1、19世纪前：电、磁独立研究阶段

在18世纪中叶人们就曾发现雷电能使刀叉、钢针磁化，莱顿瓶（最原始的电容器）放电可使缝衣针磁化等现象；但包括库伦在内的众多物理学家仍然认为电与磁是互不相干的。在19世纪20年代之前的漫长岁月里，电与磁的研究始终独立地发展。

2、18世纪末：不同自然现象间的相互联系

到18世纪末，人们开始思考不同自然现象之间的联系，例如：摩擦生热表明了机械运动向热运动转化，而蒸汽机则实现了热运动向机械运动的转化，于是，一些独具慧眼的哲学家如康德等提出了各种自然现象之间的相互联系和转化的思想。

深受其影响的奥斯特相信电与磁之间可能存在着某种联系，并坚持探索电与磁这件的联系。1803年奥斯特指出：“物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的各种现象的零散的罗列，我们将把整个宇宙纳在一个体系中”。

3、奥斯特实验：发现电流的磁效应

在1820年4月的一次讲演中，奥斯特碰巧在南北方向的导线下面放置了一枚小磁针。当电源接通时，小磁针居然转动了。可能听众中没有人注意到这个现象，但奥斯特一直惦记着电与磁之间的联系，这个现象使他振奋。机遇总是青睐那些有准备的头脑。这就是著名的奥斯特实验。

图4.1.1 奥斯特实验：通电导线使小磁针发生偏转

奥斯特实验：通电导线使小磁针发生偏转，说明通电导线对小磁针有力的作用，在通电导线周围存在磁场，这就是电流的磁效应。

奥斯特发现了电流的磁效应，揭示了电现象与磁现象之间的某种联系。奥斯特的思维和实践突破了人类对电和磁认识的局限性，将电和磁联系起来，开辟了物理学的一个新分枝;：电磁学。

二、法拉第心系磁生电

1、对称性的思考和伏打电池的局限性

由对称性的哲学思想人们很容易能够想到，既然电流能够产生磁场，那么磁场能否产生电流呢？奥斯特发现电流的磁效应，证明了电和磁之间是相互联系的。人们很早就认识了磁化现象，知道磁体能使附近的铁棒产生磁性。人们还知道，带电体能使他附近的导体感应出电荷。英国科学家法拉第敏锐地觉察到：磁与电之间也应该有类似的“感应”，并在日记中留下了“有磁产生电”这样的闪光思想。

法拉第所生活的时代，正值第一次工业革命完成。蒸汽机的应用催生了资本主义大工业生产，人类进入工业文明时代，电力应用的前景已经初见端倪。这是一个需要巨人并产生巨人的时代。法拉第看到，伏打电磁昂贵、产生电流小，而自然界中天然磁石比较丰富。如果可以由磁产生电就可以获得廉价的电力。他说：“我因为对当时产生电的方式不满意，因此急于发现磁与感应电流的关系，觉得电学在这条路上一定可以充分发展。”

2、安培、科拉顿、法拉第的探索。

法国物理学家安培也曾经将恒定电流或磁铁放在导线圈附近，试图感应出电流，种种尝试均无所获。瑞士人科拉顿的实验研究也遗憾地与成功擦肩而过。只有法拉第依然魂牵梦绕，在经历种种挫折与失败之后，依然坚持不懈的探究、实验。

探索的道路总是艰难曲折的，从来没有轻易而举的成功。他与1822年、1825年、1828年做过三次集中的实验研究，然而均以失败告终。原因在于，他认为，既然在奥斯特实验表面有电流就有磁场，那么有了磁场就一定会有感应电流，而且这个感应电流也应该是稳定的（当时的科学界普遍认为用磁场感应出的电流应该是稳定的）。于是他在这些实验中使用恒定电流产生的磁场，看看这样的磁场会不会在某个电路中产生出感应电流。

直到十年后的1831年，法拉第的实验才取得实质性的进展。

3、法拉第的电磁感应实验

1831年8月29日，法拉第终于发现了电磁感应现象：把两个线圈绕在同一个铁环上，一个线圈接在电源上，另一个线圈接入“电流表”，在给一个线圈通电或断电的瞬间，另一线圈中也出现了电流。他领悟到“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的现象。并设计动手做了几十个实验，各种深藏不露的“磁生电”的现象喷涌而出。

图4.1.2 法拉第用过的线圈图4.1.3 法拉第实验原理图

他把产生感应电流的情况概括成五类：变化着的电流；变化着的磁场；运动的恒定电流；运动的磁场；在磁场中运动的导体。他指出：感应电流与原电流的变化有关，而不是与原电流本身有关。他将这一现象与导体上的静电感应类比，把它取名为“电磁感应”，产生的电流叫做感应电流。后来在考虑了电磁感应的各种情况后，认为可以把感应电流的产生归因于导体“切割磁力线”。在电磁感应现象发现二十年后，在1851年又得出了电磁感

应定律。经过大量实验后，他终于实现了“磁生电”的夙愿，宣告了电气时代的到来。

【扩展阅读】科拉顿的“失败”

1820年，奥斯特的磁效应发表后，在科学界引起极大反响，科学家想既然“电能生磁”，反过来“磁也能生电”。可以说，想实现“磁生电”是当时许多科学家的愿望，例如，安培、科拉顿等人都曾为之努力过，但是都失败了。在这个问题上，最遗憾的莫过于科拉顿。

1825年，科拉顿做了这样一个实验，他将一个磁铁插入连有灵敏电流计的螺旋线圈，来观察在线圈中是否有电流产生。但是在实验时，科拉顿为了排除磁铁移动时对灵敏电流计的影响，他通过很长的导线把接在螺旋线圈上的灵敏电流计放到另一间房里他想，反正产生的电流应该是“稳定”的（当时科学界都认为利用磁场产生的电应该是“稳定”的），插入磁铁后，如果有电流，跑到另一间房里观察也来得及就这样，科拉顿开始了实验。然而，无论他跑得多快，他看到的电流计指针都是指在“0”刻度的位置。科拉顿失败了。科拉顿的这个失败，是一个什么样的失败呢？后人有各种各样的议论。

有人说这是一次“成功的失败”。因为科拉顿的实验装置设计得完全正确，如果磁铁磁性足够强，导线电阻不大，电流计十分灵敏，那么在科拉顿将磁铁插入螺旋线圈时，电流计的指针确实是摆动了的。也就是说，电磁感应的实验是成功了，只不过科拉顿没有看见，他跑得还是“太慢”，连电流计指针往回摆也没看见，

有人说，这是一次“遗憾的失败”。因为科拉顿如果有个助手在另外那间房里，或者科拉顿就把电流计放在同一间房里看得见的地方，那么成功的桂冠肯定是属于科拉顿的。

有人说，这是一次“真正的失败”。因为科拉顿没能转变思想，没有从“稳态”的猜想转变到“暂态”的考虑上来，所以他想不到请个助手帮一下忙、或者把电流计拿到同一间房里来。事实也正是如此，法拉第总结了别人和他自己以前失败的教训，他决定不再固守“稳态”的猜想，终于在1831年8月，观察到了电磁感应现象。科拉顿只能留下永远的遗憾。

【小结】这节课我们学习了“电生磁”与“磁生电”发现过程的曲折与艰辛，从来没有什么成功是轻而易举的，所有的成功都要付出坚持不懈的努力奋斗。我们要学习这些伟大的科学家们艰苦奋斗、不怕失败，坚持不懈的努力的精神，也要学习这些科学家们发现问题、解决问题的方法。

法拉第所处的时代正是第一次工业革命前后，人类进入工业文明时代；我们所处的时代是正在发生新信息科技革命，人类即将步入超信息时代：互联网+的模式正在深刻的改变我们的生活。这都是一个需要巨人并产生巨人的时代：比尔.盖茨、乔布斯、拉里·佩奇、马云、周鸿祎、马化腾......我们要留心社会、生活的变化，要仔细的观察、深入的思考、不畏失败、顽强拼搏，努力的学会科学文化知识。那么下一个大佬、巨人就可能是你：你将收获的是名留青史的荣誉和巨额的财富，这才是我们需要的成功的人生。