高中物理 第1章 电磁感应 第2节 感应电动势与电磁感应定律 法拉第素材 鲁科版选修3-2（通用）

高中物理 第1章 电磁感应 第2节 感应电动势与电磁感应定律 法拉第素材 鲁科版选修3-2（通用）

法拉第 ‎ 迈克尔·法拉第(Michael Faraday，1791-1867)‎ ‎19世纪最伟大的实验科学家之一 ‎【简介】‎ 英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家。‎ ‎        ‎1791年9月22日出生萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭。因家庭贫困仅上过几年小学，13岁时便在一家书店里当学徒。书店的工作使他有机会读到许多科学书籍。在送报、装订等工作之余，自学化学和电学，并动手做简单的实验，验证书上的内容。利用业余时间参加市哲学学会的学习活动，听自然哲学讲演，因而受到了自然科学的基础教育。由于他爱好科学研究，专心致志，受到英国化学家戴维的赏识，1813年3月由戴维举荐到皇家研究所任实验室助手。这是法拉第一生的转折点，从此他踏上了献身科学研究的道路。同年10月戴维到欧洲大陆作科学考察，讲学，法拉第作为他的秘书、助手随同前往。历时一年半，先后经过法国、瑞士、意大利、德国、比利时、荷兰等国，结识了安培、盖·吕萨克等著名学者。沿途法拉第协助戴维做了许多化学实验，这大大丰富了他的科学知识，增长了实验才干，为他后来开展独立的科学研究奠定了基础。1815年5月回到皇家研究所在戴维指导下进行化学研究。1824年1月当选皇家学会会员，1825年2月任皇家研究所实验室主任，1833----1862任皇家研究所化学教授。1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。‎1867年8月25日逝世。‎ ‎【成就】‎ 法拉第所研究的课题广泛多样，按编年顺序排列,有如下各方面：铁合金研究（1818－1824）；氯和碳的化合物（1820）；电磁转动（1821）；气体液化（1823，1845）；光学玻璃（1825－1831）；苯的发明（1825）；电磁感应现象（1831）；不同来源的电的同一性（1832）；电化学分解（1832年起）；静电学，电介质（1835年起）；气体放电（1835年）；光、电和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；“射线振动思想”（1846年起）；重力和电（1849年起）；时间和磁性（1857年起）。‎ 法拉第主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究，并在这些领域取得了一系列重大发现。1820年奥斯特发现电流的磁效应之后，法拉第于1821年提出“由磁产生电”的大胆设想，并开始了艰苦的探索。1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型。接着经过无数次实验的失败，终于在1831年发现了电磁感应定律。这一划时代的伟大发现，使人类掌握了电磁运动相互转变以及机械能和电能相互转变的方法，成为现代发电机、电动机、变压器技术的基础。‎ 法拉第能够这样坚持10年矢志不渝地探索电磁感应现象，重要原因之一是同他关于各种自然力的统一和转化的思想密切相关的，他始终坚信自然界各种不同现象之间有着无限多的联系。也是在这一思想的指导下，他继续研究当时已知的伏打电池的电、摩擦电、温差电、伽伐尼电、电磁感应电等各种电的同一性，1832年他发表了<<不同来源的电的同一性>>论文，用大量实验论证了“不管电的来源如何，它的本性都相同”的结论，从而扫除了人们在电的本性问题认识上的种种迷雾。‎ 为了说明电的本质，法拉第进行了电流通过酸、碱、盐 的溶液的一系列实验，从而导致1833-1834年连续发现电解第一和第二定律，为现代电化学工业奠定了基础，第二定律还指明了存在基本电荷，电荷具有最小单位，成为支持电的离散性质的重要结论，对于导致基本电荷e的发现以及建立物质电结构的理论具有重大意义。为了正确描述实验事实，法拉第制定了迁移率、阴极、阳极、阴离子、阳离子、电解、电解质等许多概念、术语。‎ 在电与磁的统一性被证实之后，法拉第决心寻找光与电磁现象的联系。1845年他发现了原来没有旋光性的重玻璃在强磁场作用下产生旋光性，使偏振光的偏振面发生偏转，此即磁致光效应，成为人类第一次认识到电磁现象与光现象间的关系。1846年他发表了《关于光振动的想法》一文，最早提出了光的电磁本质的思想。他曾设计并不畏艰苦地作过许多实验，试图发现重力和电的关系，寻找磁场对光源所发射光谱线的影响，寻找电对光的作用等等，由于当时实验条件所限，虽未获成功，但他的思想和观点完全正确，均为后人的实验所验证。‎ 法拉第是电磁场理论的奠基人，他首先提出了磁力线、电力线的概念，在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想，并第一次提出场的思想，建立了电场、磁场的概念，否定了超距作用观点。爱因斯坦曾指出，场的思想是法拉第最富有创造性的思想，是自牛顿以来最重要的发现。麦克斯韦正是继承和发展了法拉第的场的思想，为之找到了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。‎ 法拉第对科学坚韧不拔的探索精神，为人类文明进步纯朴无私的献身精神，连同他的杰出的科学贡献，永远为后人敬仰。‎ ‎【法拉第常数】‎ 法拉第常数（F）是近代科学研究中重要的物理常数，代表每摩尔电子所携带的电荷，单位C/mol，它是阿伏伽德罗数NA=6.02214·1023mol-1与元电荷e=1.602176·10‎-19 C的积。尤其在确定一个物质带有多少离子或者电子时这个常数非常重要。法拉第常数以麦可·法拉第命名，法拉第的研究工作对这个常熟的确定有决定性的意义。‎ 一般认为此值是96485.3383±‎0.0083C/mol，此值是由美国国家标准局所依据的电解实验得到的，也被认为最具有权威性。‎ 最早法拉第常数是在推导阿伏伽德罗数时通过测量电镀时的电流强度和电镀沉积下来的银的量计算出来的。‎ ‎【科研】‎ 青少年时代 　‎ ‎1791年9月22日。法拉第出生在萨里郡纽因顿一个贫苦的铁匠家庭里。5岁时随父母到伦敦。在一所普通的日校读书。13岁时法拉第在书店中当学徒，起初送报，后学装订，工余时间自学化学和电学，并动手做实验，验证书上的内容。他在装订不列颠百科全书时，偶然看到了《电学》这个条目，更加激发了他对科学的热情。1810年2月至第二年9月，听了J.塔特姆所作的十几次自然哲学讲演，并开始参加市哲学学会的学习活动,受到了自然科学的基础教育。1812年2月至4月,又在皇家研究所听了H.戴维的4次化学讲座,每次他都细心笔录，清理成稿，而且热忱地抓住戴维的每个科学观点，转述给市哲学学会的同伴。这年10月法拉第学徒满师，写信给戴维，表示献身科学事业的决心，并随信附上自己记录、装订的《H.戴维爵士讲演录》。1813年3月,经戴维介绍进皇家研究所任实验室助手。同年10月，随戴维去欧洲大陆作科学考察旅行。1815年 5月回皇家研究所，在戴维指导下从事化学研究。戴维的广博和深邃的知识，给法拉第以最重要的影响。‎ 早期科学工作 　‎ 法拉第的第一篇科学论文曾发表于1816年。从1818年起他和J.斯托达特合作，研究合金钢，首创了金相分析方法。1820年他用取代反应制得六氯乙烷和四氯乙烯。在1820年H.C.奥斯特发现电流能使其周围的磁针偏转以后，引起研究电和磁的关系的热潮。法拉第研究了这方面的问题,并在1821年9月发现通电流的导线能绕磁铁旋转，这是他的第一个重要发现。1823年，他发现了氯气和其他气体的液化方法。1824年1月,法拉第当选为皇家学会会员,1825年2月任皇家研究所实验室主任。同年，发现苯，为芳香族化合物的研究和应用开辟了道路；并开始研究光学玻璃的制造技术。‎ 电磁感应的发现和场的概念的诞生 ‎　‎ 从1831年起，法拉第的科学工作进入一个新阶段。早在1824年，他就论证过，既然电对磁有作用，那末磁也应当对电有反作用。经过多次实验,他终于在1831年8月获得成功。他在一个圆形软铁环两边绕上A、B两组线圈,在A组线圈同伏打电池接通或切断的瞬间,B组线圈中会感生出电流，法拉第把这叫做“伏打电感应”(见彩图)。10月又发现，磁铁和导线的闭合回路有相对运动时，回路中会产生感生电流，法拉第称之为“磁电感应”。伏打电感应孕育了变压器的诞生，磁电感应预告了发电机的出现。这两类电磁感应现象的发现为电在未来的大规模应用奠定了基础。这项工作获得了皇家学会的科普利奖章。‎ 受电磁感应启示，法拉第直觉地揣测到磁铁周围是一个充满力线的场，感生电流的产生是由于导体切割力线。‎1832年3月12日，他在文稿中写道:“……使我相信，磁的作用是渐进的，是需要时间的，”“有理由假设，电（压）的感应也是以类似的渐进方式进行的。”这是物理学史上第一次认真地向力的超距作用概念提出的挑战。‎ 法拉第电解定律和其他电学实验研究 　‎ ‎1833年法拉第任皇家研究所富勒化学讲座教授。1832年他发表了《不同来源的电的同一性》一文，用实验证明:“不管电的来源如何，它的本性都是相同的。”1833～1834年，他发现了两条电解定律（后来称为法拉第第一和第二电解定律）。这是电化学的开创性工作，第二定律并且指明了电荷具有最小单位。法拉第电解定律是基本电荷存在的有力证据。正如H.von亥姆霍兹所说:“法拉第定律的最令人惊异的结论也许是：如果我们接受元素物质由原子组成的假说，就不可避免地要做出结论：不论正电和负电，都可以分成单元，其行为如同电的原子。”法拉第还制订了许多电化学术语,并测定了电解1克当量物质所需要的电量为96484库仑,后来这被称为法拉第常数。同年他发现了自感现象。从1834年起，法拉第对伏打电池、静电、电容和电介质的性质进行了大量实验研究。1843年，用冰桶实验证明电荷守恒原理，为了纪念他在静电学方面的工作，电容的实用单位称为法拉。‎ 磁致旋光效应和抗磁性现象的发现 　‎ ‎1845年8月,法拉第研究电和磁对偏振光的影响,9月用过去研制的重玻璃做实验，发现原来没有旋光性的重玻璃在强磁场的作用下产生旋光性，使偏振光的偏振面发生偏转。这是人类第一次认识到电磁现象和光现象之间的关系。磁致旋光效应后来称为法拉第效应。1845年11月，法拉第发现大多数物质具有抗磁性，而认为并不存在什么磁极。他提出电和磁的作用是以介质为中介来传递的，而介质便成为电场和磁场的载体。1846年5月，他发表了《关于光振动的想法》一文。他写道：“……把辐射看作在力线中所作的一种高级振动……，我的观点是排除以太，但并不排除振动。”19世纪后半叶，实验观测到电磁波的存在，证实了法拉第的大胆预言。当然，法拉第并没有真正排除以太，他把电磁现象看作是一种连续媒质中的应力和应变的表现。这种假想的连续媒质后来被叫做电磁以太，和所谓的光以太是同一种东西。‎ 晚年研究工作 　‎ 法拉第工作过度劳累，中年开始健康受到损害，但仍一直坚持工作到晚年。他研究火焰和各种气体的磁性，研究晶体在磁场中所受的力。借助力线的概念，他对电磁感应现象进行定量研究，归纳出著名的法拉第电磁感应定律。法拉第晚年的研究工作仍然是为了证实他的一个坚定信念──自然界的各种力相互有关。在1845年他写道：“我早就相信力的统一性。”1849年和1859年进行多次试验，试图发现重力和电的关系。法拉第实验日记中最后一个的编号是 16041。这个实验是在‎1862年3月12日,为的是寻找磁场对光源发射光谱谱线的影响，没有成功。‎ 法拉第的自然哲学思想及其对物理学发展的影响 法拉第是实验大师，人们常常称他是19世纪最伟大的实验物理学家，不过他自己更喜欢称自己是自然哲学家。法拉第具有丰富的直觉想象能力。他的关于自然界的各种力相互有关并具有同一来源，空间有场，场中充满力线，力的作用以场为中心以有限速度传递等观点，与19世纪占统治地位的牛顿派的观点针锋相对，是有革命性的。法拉第的一些失败了的实验，在许多年后由别人做成功了，如电光效应在30年后由J.克尔发现，磁场对光源发射光谱谱线的影响在34年后由P.塞曼证实；而引力场和电磁场的统一至今仍是物理学中的重大问题。H.本斯－琼斯评论他的场论思想说:“将物质非物质化为’力的中心'，又将物质有运动倾向的方向物质化为’物理上实有的力线'。”诚如麦克斯韦所说:“这些观念是以一种更适合于一门正在形成中的科学的语言表述的。”场概念的提出为建立电磁现象的理论奠定了基础。20世纪中发展起来的广义相对论和量子场论，更进一步发展了法拉第的场的理论。 　　‎ 法拉第热心科学普及工作。在任皇家研究所实验室主任后不久，发起举行星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座。他在 100多次星期五晚间讨论会上作过讲演，在圣诞节少年科学讲座上讲演达19年之久。他的科普讲座深入浅出,配以丰富的演示实验,深受欢迎。他在1860～1861年间的演讲，被W.克鲁克斯汇集成著名的科普读物《蜡烛的故事》。法拉第还热心公众事业，长时期为英国的许多公私机构服务。‎ 法拉第为人质朴，喜欢帮助亲友，不善交际、不图名利。为了专心从事科学研究，他放弃一切有丰厚报酬的商业性工作。英国政府拟封他为爵士，1857年皇家学会拟选他为会长，均被拒绝，因为他愿意永远是普通的法拉第。他1865年退休。‎1867年8月25日,在维多利亚女王赠给他的寓所中逝世。‎ 法拉第的主要著作有《电学实验研究》、《化学和物理学实验研究》、《日记》（1932年为纪念电磁感应发现100周年出版）。‎ ‎【人物轶事】‎ ‎1、努力奋斗的法拉第 朋友，你一定知道法拉第这个光辉的名字吧！他在1831年发现的电磁感应现象，预告了发电机的诞生，开创了电气化的新时代。他毕生致力研究的科学理论——场的理论，引起了物理学的革命。相传法拉第的老师戴维，一个誉满全球、世界公认的大化学家在瑞士日内瓦养病时，有人问他一生中最伟大的发现是什么，他绝口不提自己发现的钠、钾、氯、氟等元素，却说：‎ ‎“我最伟大的发现是一个人，是法拉第！”‎ 是的，戴维回答得好，重要的是人！下面就是这个学徒出身的大科学家在踏进科学大门之前，在坎坷的生活道路上向往科学、努力奋斗以及在进入科学殿堂之后建立丰碑的故事。‎ 为了装备自己的小实验室，法拉第到药房里去拣别人扔掉的瓶子，花半个便士买一点最便宜的药品。他抱着拣来的、买来的东西，回到书店里的阁楼上，心里乐开了花。从此，每天下工以后，法拉第埋头在自己的小实验室里点上一支蜡烛，进行实验。‎ ‎1791年9月22日，迈克尔.法拉第出生在一个铁匠的家里。他父亲体弱多病，铁匠铺开不下去了，最后只好盘给人家，自己去当帮工。为了维持生活，法拉第12岁当报童，13岁去里波先生的书店里当学徒，学装订手艺。从此，法拉第走上了生活的道路。‎ 从13岁到21岁，法拉第在书店里当了8年学徒。这正是他长知识、长身体的时期。在将近3000个夜晚，法拉第把时间都用在读书和实验上了。‎ 在里波先生的书店里，到处是书。这里是智慧的源泉，知识的海洋。法拉第象一块巨大的海绵，在知识的海洋里贪婪地吸吮着。劳动了一天以后，他在微弱的烛光下拼命地读书。书里讲的那些电的现象和化学实验，把法拉第迷住了。他渴望把书上讲的那些实验能做一遍，可是一个穷学徒哪来的钱买仪器和药品呢！‎ 里波先生的书店在伦敦是很有名气的，加上法拉第手艺出众，态度和气，赢得了顾客的好感。因此，皇家学会很多会员，都乐意把自己的科技书籍送来装订。顾客中有位当斯先生很喜欢法拉第，有一次他送 给法拉第4张入场券，让他去皇家学院听大化学家戴维的讲座。‎ ‎1812年2月的一个晚上，法拉第生平第一次跨进皇家学院的大门，坐在阶梯形的讲演厅里。他的心情紧张而又焦急。戴维终于出现了，大厅里响起一阵阵热烈的掌声。戴维讲的题目是发热发光物质，讲得那么轻松，却又那么透彻。他精神抖擞，神采奕奕，天才的光华和热力，似乎正从他的身上向外辐射。法拉第被深深地吸引住了，他飞快地记着，笔记本翻过一页又一页。‎ 法拉第一连听了戴维的4次讲座，好像游历了美丽、庄严、圣洁的科学殿堂，那里阳光灿烂，照得他心里 光明、温暖。他把4次听讲的笔记仔细整理以后，用漂亮的皮封面装订成册。他经常轻轻地翻阅，多么渴望 能从事科学研究工作啊！‎ 遗憾的是，在那个时代，命运对穷人从来不露出笑脸。它总是一副威严、狰狞的面孔，迫使你对它膜拜和屈服。然而，也有许多穷人并不屈从，他们顽强地和命运搏斗。法拉第就是其中最顽强的一个。这个铁匠的儿子，从小爱看父亲挥舞大锤，一下一下地锻打烧红的铁块。铁块变冷变硬以后，父亲把它放在炉火里重新烧红。经过千锤百炼，铁坯终于按照人的意志变成各种工具。父亲曾经自豪地对他说：铁匠面前永远没有顽铁。多少年来，父亲的话一直激励着他。‎ 于是，他决定写信给当时的英国皇家学会会长班克斯爵士，要求在皇家学院找个工作，哪怕在实验室里洗瓶子也行。他心神不宁地等了整整一个星期，音信全无。他忍不住跑到皇家学院去打听，得到的回音只是冷冰冰的一句话：“班克斯爵士说，你的信不必回复！”‎ 受到这个屈辱的打击，法拉第感到伤心。但他毫不气馁。他想起自己学画的经历。法拉第从小就练得一手好字。至于绘画，他是从一个名叫马克里埃的法国画家那里学来的。那位曾经给拿破仑皇帝画过像，后来横渡英吉利海峡，流亡到伦敦的画家，恰好借住在里波先生铺子的楼上，和法拉第成了邻居。画家看到法拉第学画心切，答应教他。作为交换条件，法拉第要替画家擦皮靴和收拾房间。画家心眼不坏，教得也很认真，可脾气不好，经常责骂法拉第。法拉第逆来顺受，坚持跟他学画，终于学会了投影和透视，能够逼真地、艺术地把眼前的东西画下来。从这段经历中，他体会到：只有忍辱负重，敢于向命运挑战，才能把本来不属于自己的东西追求到手。‎ 法拉第又一次向命运挑战了。他鼓起勇气给戴维写信，并且把装订成册的戴维4次讲座的笔记一起送去。法拉第巨大的热情、超人的记忆和献身科学的精神，感动了这位大化学家。法拉第到皇家学院化学实验室当了戴维的助手。科学圣殿的大门向学陡出身的法拉弟打开了！　‎ ‎2、实验的价值 发明了世界上第一架发电机的英国化学家和物理学家法拉第（1791—1867年），对知识有着执著的追求，为了一项科学研究，他常常百折不挠，这使得那些急功近利的人迷惑不解。‎ 有一次，他的一个熟人、税务官格拉道斯通，看到法拉第在做一个在他看来毫无实用价值的实验，便问道：“花这么大的力气，即使成功了，又有什么用呢？”‎ 法拉第回答说：“好吧，不久你就可以收税了。”‎ ‎【人物名言】‎ ‎1、希望你们年青的一代，也能象蜡烛为人照明那样，有一分热，发一分光，忠诚而踏实地为人类伟大的事业贡献自己的力量。‎ ‎2、像蜡烛为人照明那样，有一分热，发一分光，忠诚而踏实地为人类伟大事业贡献自己的力量。‎ ‎3、一旦科学插上幻想的翅膀，它就能赢得胜利。‎ ‎4、我不能说我不珍视这些荣誉，并且我承认它很有价值，不过我却从来不曾为追求这些荣誉而工作。‎ ‎5、拼命去争取成功，但不要期望一定会成功。‎ ‎6、科学家不应是个人的崇拜者，而应当是事物的崇拜者。真理的探求应是他唯一的目标。‎ ‎7.爱情既是友谊的代名词，又是我们为共同的事业而奋斗的可靠保证，爱情是人生的良伴，你和心爱的女子同床共眠是因为共同的理想把两颗心紧紧系在一起。‎ ‎【法拉第圆筒实验】‎ 法拉第圆筒实验是来验证电荷只分布在导体的外表面上,导体内部没有净电荷这一物理现象的。‎ 内容是：‎ 取两个验电器A和B，在B上装一个几乎封闭的空心金属圆筒C(叫做法拉第圆筒)。使B和C带电，B的箔片张开。用有绝缘柄的金属小球d先跟C的外部接触，再把d移到A并跟A的金属球接触经过若干次以后，可以看到A的箔片张开，同时B的箔片张开的角度减小。这表明小球d把C的一部分电荷搬运给了A。可见法拉第圆筒的表面是带有电荷的。如果小球d不接触C的表面,而接触C的内部，重做上述实验，不论重复多少次，A的箔片都不张开，B的箔片张开的角度也不减小。这表明小球d并没有把C的电荷搬运给A，可见法拉第圆筒的内部不带电。‎ ‎【法拉第效应】‎ 法拉第效应于1845年由M.法拉第发现。当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；法拉第效应于1845年由M.法拉第发现。当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。‎ ‎【电磁感应定律】‎ 表述：当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，不论这种变化是什么原因引起的，回路中都会建立起感应电动势，且此感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。‎ 数学表达式：当采用国际单位制时，比例系数为 1，数学表达式为：εi=-dΦ/dt ‎【楞次定律】‎ 两种表述:‎ ‎（1）闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。‎ ‎（2）感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因。‎ 应用:判断感应电动势的方向：‎ 楞次定律实际上是能量守恒定律的一种表现。‎ 用楞次定律判断感应电流方向的步骤：‎ ‎（1）判断穿过闭合回路的磁通沿什么方向，发生什么变化（增加或减少）；‎ ‎（2）根据楞次定律来确定感应电流所激发的磁场沿什么方向（与原来的磁场反向还是同向）；‎ ‎（3）根据右手螺旋法则从感应电流产生的磁场方向确定感应电流的方向。‎