物理群星
1831 电磁学

电磁感应

Electromagnetic Induction

变化的磁场能凭空生出电流——人类从此不必依赖电池,可以源源不断地制造电。

关键人物: 迈克尔·法拉第

发电机与电网变压器电动机无线充电

当时的困境

1820 年,奥斯特发现通电导线能让旁边的磁针偏转:电能生磁。整个欧洲的实验室立刻追问反过来的问题——磁能不能生电?人们把最强的磁铁贴着导线一放几个月,电流计纹丝不动,仿佛大自然只肯做单向的交易。法拉第在笔记本里给自己写下目标:「把磁转化为电」。这条路,他断断续续走了十年。

洞见时刻

1831 年 8 月 29 日,法拉第在一只软铁环两侧绕上两组线圈:合上一侧电路的瞬间,接在另一侧的电流计指针猛地一跳,随即归零;断开电路时,指针又反向一跳。所有人都在等「稳定的磁生出稳定的电」,而答案是——生出电流的不是磁场本身,是磁场的变化。几周后,他把铜盘架在马蹄形磁铁两极间转动,得到持续的电流:第一台发电机。据说有人问他这东西有什么用,他反问:「新生的婴儿有什么用呢?」这段对话很可能只是后人的传说,却道破了基础研究的意义。

涟漪效应

发电机与变压器都直接生长自那只铁环:让线圈与磁场相对转动,机械能便化作电能;让变化的磁通穿过匝数不同的线圈,电压便可升降自如——远距离输电由此可行。1880 年代起,电网开始点亮城市。感应定律后来成为麦克斯韦方程组的一员,通往电磁波的预言。今天的电动机、电磁炉、无线充电板、列车的涡流制动,用的都是同一条定律。

如果没有它

现代社会几乎所有的电,最后一步都是电磁感应:烧煤、核裂变、水力、风力,殊途同归,都是想方设法让线圈在磁场里转起来。没有电磁感应,电就只能从化学电池里一点点抠出来,昂贵而微弱——没有电网,没有彻夜通明的城市,没有插上插座就能运转的一切,电气文明根本无从谈起。

走近这些人