法拉第电磁感应现象与阿拉果圆盘实验探讨

庄业友

(江苏省泗阳致远中学，江苏　泗阳　223700)



法拉第电磁感应现象与阿拉果圆盘实验探讨

庄业友

(江苏省泗阳致远中学，江苏泗阳223700)

摘要：本文介绍阿拉果生平及“圆盘实验”，探讨法拉第对阿拉果圆盘实验的解释及这项研究对于促进电磁感应定律建立的意义.

关键词：阿拉果;圆盘实验;法拉第;电磁感应现象

1问题的提出

图1

2015年高考(新课标卷Ⅰ)第19题考查了阿拉果“圆盘实验”,原题如下:1824年法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”.实验中将一铜圆盘水平放置,在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针(如图1)，实验发现：当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时,磁针也随着一起转动起来,但略有滞后.下列说法正确的是().

A． 圆盘上产生了感应电动势

B． 圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动

C． 在圆盘转动的过程中,磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化

D． 圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流,此电流产生的磁场导致磁针转动

解析:在圆盘运动过程中,沿半径方向的金属条在切割磁感线,在圆心和边缘之间产生了感应电动势,选项A对;圆盘在径向的辐条切割磁感线过程中,内部距离圆心远近不同的点电势不等，而产生涡电流,选项B对;圆盘转动过程中,圆盘位置、面积和磁场都没有发生变化,所以没有磁通量的变化,选项C错;圆盘本身呈现电中性,不会产生环形电流,选项D错.本题主要是考查法拉第电磁感应现象,而题中提到的阿拉果“圆盘实验”与法拉第电磁感应现象有着什么样的联系？我们还是要从认识阿拉果及其“圆盘实验”开始.

2阿拉果的生平及圆盘实验

阿拉果是法国天文学家、物理学家，1786年2月26日出生在法国东部比利牛斯省的埃斯特热勒.他在15岁时就只身去巴黎，两年半内他掌握了考试所需的一切知识,还学习了欧拉的无限小量分析、拉格朗日的解析函数理论和分析力学、拉普拉斯的天体力学,这使主考人蒙日大吃一惊,蒙日给了他最高的评语.阿拉果在1803年底入大学,1804年经泊松推荐,担任了巴黎天文台的秘书,并于1806年跟随物理学家毕奥到西班牙进行大地考察.

阿拉果做圆盘实验的思想来自于一次偶然的发现，1822年阿拉果和德国物理学家冯·洪堡在英国格林威治的一座小山上测量地磁强度时发现,放在铜底座上的摆动磁针与孤立放置的磁针相比,其振动振幅衰减较快.他考虑是否存在逆效应,即旋转的铜盘能带动附近的磁针转动,实验证明有此效应,这个发现也就是物理学史上著名的“阿拉果铜盘实验”.阿拉果也由于发现这一现象,获得了1825年英国皇家学会的科普利奖.这个实验在当时引起了许多物理学家极大的兴趣,如物理学家安培、毕奥及数学家巴贝奇等都试图对其作出理论解释,但都由于认知上的错误而导致最终的失败.

3法拉第电磁感应现象

法拉第于1831年发现的电磁感应现象无疑是科学史上最重要的发现之一,它揭开了电力时代的序幕,对人类社会的发展和文明的进步产生了极为重要的影响.而实际上,他的这一发现,与其对阿拉果圆盘实验的研究有着紧密联系.

法拉第对阿拉果圆盘实验的关注和研究从1825年12月就开始了.其后,随着电磁感应现象的发现,他进一步对圆盘实验现象进行了研究和思考:怎样制造一个装置,使其通过持续旋转产生稳定的电流？受阿拉果圆盘实验的启发,法拉第就将巴罗轮反过来运行，巴罗轮由英国物理学家巴罗制成，主要构件是架在水平轴上的一个铅直的活动铜盘,下方侵入一个水银槽里,上方夹在一块马蹄形磁铁之间,当通过轴心和水银槽供给电流的时候,铜盘就转动起来.法拉第将架在水平轴上的铅直活动铜盘一侧夹在马蹄形磁铁中间,转动铜盘时,发现在由盘心到边缘的半径方向上产生电流,只要圆盘不停地匀速旋转,产生的电流就稳定不变.这实际上就是发电机的雏型.由此,他发明了最原始的直流发电机,并借助电磁感应原理完美地解释了阿拉果圆盘实验的内在机理,说明所观察到的实验现象完全是磁体和铜盘相对运动所产生的感应电流作用所致.

实际上,现代生产和生活中广泛应用的各种电磁驱动装置,其原理本质上也都是阿拉果圆盘实验的应用.但是,长期以来,在几乎所有涉及这一研究的论著中,对法拉第研究和解释阿拉果圆盘实验现象的详细实验过程以及这项研究对于促进电磁感应定律建立的意义都未作充分的论述,对于二者之间的紧密联系也未给予充分的说明及论述,很多的中学教材及教辅资料中更是只字未提,致使人们对此研究的实际过程及其产生的重要影响还存在一定的模糊认识.所以我们有必要重新了解历史.其实,法拉第在发现电磁感应现象的第二天,就考虑用电磁感应现象来解释阿拉果实验,他在日记中写道:“在阿拉果实验中,静止及运动的金属表现出力量上的差异,出现这种差异的原因是否可以和这些瞬时效应(感应电流的瞬时效应)联系起来？”他在著名的《电学实验研究》一书的第2节中,称赞它为“非凡的实验”.在第4节中表示他的电磁感应实验是“完满解释阿拉果现象的钥匙”,并把长达69节的第4章命名为“阿拉果磁现象的解释”.可见这一实验影响之深远,也可以看出法拉第电磁感应现象与阿拉果圆盘实验的紧密联系.

参考文献：

[1] 郑惠玉,杨华.阿拉果和阿拉果圆盘实验[J].中学物理教学参考,1999,(6).

[2] 王洛印.法拉第对阿拉果铜盘实验现象的研究和解释[J].哈尔滨工业大学学报(社会科学版),2010,(7).