电磁感应——磁生电，法拉第找到了一条改变世界的规律

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引言

1826年到1827年，欧姆在科隆那所不起眼的中学里，用自制的仪器找到了电流、电压、电阻之间的关系。他把电学从“这是什么现象”变成了“这里有精确的公式”。

当欧姆的论文在德国无人问津时——实际上在他发表论文之前，英国有一位装订工出身的年轻人，正在皇家研究院的地下室里，思考一个完全不同的问题。

欧姆解决的是：电流在电路中怎么流动。

而法拉第想问的是：电，到底从哪里来？

一、既然电生磁，那磁能生电吗？

1820年，奥斯特做了一个让整个欧洲物理学界沸腾的实验。

一根通电的导线，居然让旁边的磁针偏转了。这意味着电和磁之间，从来就不是两件不相干的事。电流本身就能产生磁场。

消息传到伦敦，传到巴黎，传到柏林。实验室里，人们纷纷重复奥斯特的实验，所有人都兴奋不已。既然电能够生磁，那反过来呢？

磁，能不能生电？

这个问题像一颗种子，落在当时许多物理学家的心里。因为如果电和磁真是相通的，那这条道路就应该是双向的——能从电走到磁，就应该也能从磁走回电。

逻辑确实很完美。

二、一个让欧洲物理学界困惑的问题

但有一个在当时非常现实的问题：没有人成功——这成了物理学界最大的困惑。

他们把磁铁放在线圈旁边，等着电流出现。

什么都没有发生。

他们换更强的磁铁，换更多的线圈，换各种不同的材料。

还是什么都没有。

一次又一次的失败，让许多人开始怀疑：也许这条路根本就走不通？也许电和磁的“相通”不是你想的那样？也许磁根本就不能生电？

物理学界的气氛，从最初的兴奋，慢慢变成了困惑，最后变成了沉默。

到了1824年左右，很多人已经放弃了。大家觉得，这个问题要么是错的，要么就是太超前了——总之，不是现在能解决的。

但有一个年轻人不信邪。法拉第不是个急躁的人。他的实验笔记写得工工整整，每个失败的尝试都记录在案。但他骨子里有一股近乎偏执的信念：自然规律应该是美的、对称的，电和磁不可能只是单向的亲戚。

他没上过什么学，没有任何头衔，甚至不算是一个正式的科学家。可他偏偏觉得，那些大人物们都错了。

他不是在盲目乐观。他的所有直觉都告诉他：电和磁之间一定存在着某种对称性。既然电流能产生磁场，那变化的磁场就一定能产生电流。

这个年轻人叫迈克尔·法拉第。

三、那个最不可能成功的人

法拉第1791年出生在伦敦一个穷苦的铁匠家庭。他上不起学。13岁那年，他到一家书店当学徒，学装订技术。这份工作表面上是糊口，实际上是命运留给他的一个后门——书店里那些旧书，就是他最初的老师。

他利用装订书的空隙，一本一本地读。《百科全书》里关于电学的词条，化学实验的描述，那些他从未见过的知识，就这样印进了他的脑海里。

1812年的一天，一位常来书店的顾客——据说是皇家研究院的会员，注意到这个年轻人对科学知识异常熟悉，便将自己多余的讲座票送给了他。

他去听了著名化学家戴维的课，回去后把笔记整理得干干净净，装订成册，连同一封求职信一起寄给了戴维。

注：汉弗里·戴维（Humphry Davy，1778-1829）

他是当时欧洲最负盛名的化学家之一，英国皇家研究院教授。他发现了钠、钾、钙等多种元素，还发明了矿工安全灯。戴维出身也不富裕，靠自学成才，这也是他愿意收法拉第为助手的原因之一。

戴维看了这份笔记，非常意外。一个没受过系统教育的学徒，能把化学原理理解到这个程度。他收下了法拉第。

但戴维收下这个学徒，并没有想到有一天他会超过自己。几年后，当法拉第在电磁学上做出突破性成果时，戴维的态度从欣赏变成了防备，甚至公开质疑法拉第的研究。这是法拉第一生中最难过的一段经历。

从此，法拉第成了戴维的助手，搬进了皇家研究院的地下室——潮湿、阴冷，空气中弥漫着铜线和绝缘布的气味。白天帮戴维做实验，晚上自己研究电磁学。

1820年，奥斯特的消息传来时，法拉第正在皇家研究院的实验室里。他几乎是第一时间就读到了那篇论文。

他放下手稿，望着实验台上那些线圈和磁铁，问了那个所有人都问过的问题：

既然电和磁能够相互联系，那么磁能不能成为电的来源？

四、十年的执念

奥斯特的发现传开后，所有人都想知道一个问题：电流产生的磁场，能不能让物体动起来？
1821年，法拉第决定回答这个问题。
他做了一个装置：把一根通电的导线放在磁铁旁边——导线开始绕磁铁旋转。
这是世界上第一台电动机的雏形。他证明了电能转化为运动。

但法拉第心里始终装着另一个问题：既然电能让磁针动，那反过来，磁能不能让电“动”起来？也就是说，磁场能不能产生电流？

但“磁生电”的实验，始终没有进展。

1822年，失败。

1823年，失败。

1824年、1825年、1826年……他试了各种磁铁，各种线圈，各种排列方式。什么都没有。

这时候，别人都已经不做了。有的转向了其他课题，有的干脆放弃了电磁学研究。只有法拉第，还在那个地下室里，一遍一遍地重复。

一年，三年，五年，八年。

1828年，他在实验笔记上写道：“将条形磁铁的磁极引入铜线环内部……无论磁铁处于什么位置，都观察不到任何效应”。但他依然在坚持和尝试。

三年又过去了。到了1831年的夏天，法拉第已经四十岁了。他在地下室里待了整整十年。

这些年他怎么可能没有怀疑过自己？但他还是坚持了下来。他开始回过头来，重新审视那些失败的实验，试图找出一个共同的盲点，看看是不是哪里有什么疏漏。

然后他偶然地注意到了一件事。

所有人，包括他自己，在做实验时都把磁铁放在线圈旁边，等着电流出现。而线圈里的电流计，始终纹丝不动。

如果磁铁不动，什么都没有。但如果把它移动起来呢？

不是说“磁生电”吗？磁铁放在那里，磁场是存在的。如果磁场真的能生电，那为什么磁铁不动的时候，线圈里什么都没有？

他开始意识到：也许大家从一开始就问错了问题。不是“磁场生电”，而是——变化的磁场生电。

五、磁铁穿线圈

1831年8月，法拉第在实验台上搭了一个新装置。

伦敦的夏天闷热难耐，地下室里更是不透风。法拉第把一块条形磁铁握在手里，深吸一口气，然后缓缓推进线圈。

在插进去的瞬间，电流计的指针偏转了。

他几乎不敢相信自己的眼睛。

十年了。十年来，他试过无数种方法，笔记上写满了“无效应”“无变化”“无结果”。每一次，指针都纹丝不动。每一次，他都收拾好仪器，告诉自己：下一次。
但这一次，指针真的动了。
“快看！” 他几乎是喊出来的，虽然地下室里只有他一个人。
他的手停在半空中，不敢动，生怕这只是错觉。磁铁静置在线圈里，指针又慢慢回到了零。

他深吸一口气，他把磁铁拔出来，指针又偏转了，方向相反。

磁铁静止时，没有电流。磁铁运动时，有电流。运动越快，电流越强。

这个实验太直观了。任何人看完都会明白：不是磁场本身在产生电流，而是磁场的“变化”——磁铁靠近或远离——在产生电流。

法拉第在实验笔记上写下了一行很平淡的字：

“磁铁被引入线圈时，电流出现了。”

在科学史上，这行字的重量，几乎超过了他之前写的任何东西。

六、铁环实验

磁铁穿线圈的实验，让他抓住了电磁感应的核心规律。

但他还需要回答一个问题：这个现象是普遍的，还是只在磁铁和线圈之间成立？

1831年8月29日，法拉第做了一个后来被称为“铁环实验”的装置。

想象一下：一个铁做的圆环，左右两边分别缠着铜线圈。左边的线圈连着电池，右边的线圈连着电流计。左右两边的线圈并不直接接触，它们之间隔着空气和绝缘层。

当他接通电池时，电流计的指针跳动了一下。断开时，又反向跳动了一下。但只要电路保持稳定，指针就始终归零。

这个实验的意义在于：即使没有磁铁在物理上移动，只要电流在变化——通断瞬间，电流从无到有或从有到无——同样能产生感应电流。

也就是说，变化的磁场，不一定是物理上的移动。通电、断电、电流大小发生改变，都能引起磁场的变化。

我们今天所说的‘法拉第电磁感应定律’，其核心思想在这里基本成型了。这个铁环装置，除了为电动机和发电机提供基础，也被公认为世界上第一台变压器雏形。

注：所谓“变化的磁场”，在物理学上可以归结为一个核心概念——磁通量的变化。具体包括三种情形：

• 磁场由无到有或由有到无（例如通电、断电的瞬间）
• 磁场由弱变强或由强变弱（例如磁铁靠近或远离线圈）
• 磁场方向发生改变（例如磁铁翻转极性，或交流电方向变化）
  

这三种情形的共同本质是：穿过闭合回路的磁通量发生了变化。静止的磁场就像一潭死水，什么都不会发生；只有磁场的强弱、有无或方向发生改变时，才能“推”动电荷，产生电流。

七、现代电力时代的起点

1831年的这两个实验，彻底改变了人类的命运。

在这之前人类一直在“认识”电。从伏打堆到电流计，从奥斯特到欧姆，人们学会了什么是电流、什么是电压、什么是电阻，以及电和磁之间有什么关系。

但从法拉第开始，人类真正学会了把机械能大规模转化为电能。

导体与磁场相对运动产生电流——就是发电机的核心。我们手里那个小小的充电器，头顶那条高压线，家附近的变电站，甚至整个国家电网，其理论根源都可以追溯到1831年法拉第那个简单的实验。

伏打堆，是人类第一次获得持续稳定的电流。法拉第的电磁感应，是人类第一次学会大规模制造电。

八、看不见的力线

法拉第还有一个更大的贡献，不太容易被注意到。

在当时的物理学界，主流理论认为电力和磁力都是“超距作用”——两个物体之间不需要任何介质，就能隔空产生作用。

法拉第觉得这种说法不对劲。如果你在空无一物的地方放一枚磁针，附近再放一根通电导线，磁针就会偏转。这意味着，通电导线周围的“空间”里，一定发生了什么变化。

他管这种变化叫“力线”。

他画了大量草图，在法拉第看来，这些力线不是想象的辅助线，而是空间中真实存在的东西——就像琴弦的振动是真实存在的一样。

他试图让这种看不见的结构变得可见。很多数学家不认可他，觉得太“形象化”了，不够抽象。

法拉第发现了电磁感应，提出了力线的概念，但他始终无法回答一个问题：这些力线究竟是什么？

法拉第知道自己缺什么。他能看到力线，能画出力线，但他没法用数学描述它们。这个任务，注定要留给下一个天才。

我们从琥珀到伏打堆，从安培到欧姆，从欧姆到法拉第，这一路走来，我发现他们的这些人的成功都遵循的一个事实与规律：就是信念与坚持。
你可能会说，他们其实就是那成千上百个人中的幸运儿，但我觉得他们的成功是无数次的挫折与失败，之后被逼出来的正确的道路，那些数不清的失败，仅仅是一个数字，冰冷而又温暖。.

科利达王

可能当时实验忘了物理的最基本原则，就是能量守恒，磁生电也是需要能量的，要是磁铁搁在线圈里面，线圈一直有电输出，那么人们向往的永动机就出来了。