图:佚名铜版画,19 世纪,原藏史密森学会图书馆(公有领域,维基共享资源)
海因里希·楞次
Heinrich Friedrich Emil Lenz1804–1865 · 生于俄罗斯帝国利沃尼亚省多尔帕特(今爱沙尼亚塔尔图) · 俄罗斯帝国
给感应电流定下方向的人——他原话说的是「运动」,今天课本说的是「磁通」
「当金属导体在电流或磁铁附近运动时,导体中会激起一股电流,它的方向是这样的:假如这根导线原本静止,这股电流会使它产生一个与此刻所给运动正好相反的运动。」
—— 楞次《论由电动感应激起的伽伐尼电流方向的确定》,1833 年 11 月 29 日宣读于圣彼得堡科学院,刊于《物理与化学年鉴》第 31 卷第 485 页(1834),据德文原文翻译
今天中学课本里的楞次定律只有一句:感应电流的磁场,总要阻碍引起它的磁通变化。可 1833 年楞次在圣彼得堡科学院念出来的那句话里,既没有「磁场」,也没有「磁通」——他说的是运动:导线被推着走,里面生出的电流,恰好会让它往回走。
从运动到磁通,这一步花了十几年,经过了好几个人的手。楞次本人站在起点:他是第一个把感应电流的方向归结成一条通用规则的人。
多尔帕特的德意志少年
楞次 1804 年生于多尔帕特,今天爱沙尼亚的塔尔图,当时是俄罗斯帝国利沃尼亚省一座以德语为主的大学城。他是波罗的海德意志人,受洗名海因里希·弗里德里希·埃米尔,在俄国一直被称作 Эмилий Христианович Ленц。父亲是市政府的首席秘书。
1820 年他进了多尔帕特大学,先读自然科学,据传记所记因为经济原因改读神学,但物理课一直在听。那时多尔帕特大学的物理学教授是帕罗特(Georg Friedrich Parrot),他后来和楞次一起为远洋测量设计了仪器。
一条船,三年,四个大洋
1823 年,俄国海军派科策布(Otto von Kotzebue)率单桅帆船 Predpriyatie 送补给去堪察加,并巡视北美西北海岸。船上要一名物理学家,十九岁、还没毕业的楞次被选中。航行持续到 1826 年,穿过大西洋、太平洋和印度洋。
他的活儿是量海。帕罗特和他一起设计了两样仪器:一台能从指定深度封存水样的采水器,一台测深绞车。靠它们,楞次在不同纬度、不同深度取水,测温度、测比重、测盐度。回来以后他用最小二乘法整理数据,1830 年在《物理与化学年鉴》上发表了《论世界大洋不同深度的水温与盐度》。
据 Grigoriev 的综述,楞次发现最咸的海水不在赤道,而在南北回归线附近的信风带——那里蒸发最强;赤道反而稍淡。他后来又由各大洋深层普遍很冷推想:高纬度的冷水在深处流向低纬度,赤道附近有深水上涌补充表层。这些后续推论的原始出处(1845–1847 年科学院通报)本页没有核到原文,按转述记在这里。
1827 年他凭航行资料在海德堡大学拿到博士学位,第二年当选圣彼得堡科学院助理院士。1829 年科学院派他随埃马努埃尔将军的考察队上高加索,他在厄尔布鲁士峰北坡爬到离顶峰只差几百米的地方,那一片岩石后来就叫「楞次岩」;下山后他又去里海边量水位、看巴库地下冒出的可燃气体。
与法拉第的规则较劲
1831 年法拉第发现了电磁感应。消息传到圣彼得堡时,楞次已经是科学院非常任院士,管着科学院的物理实验室。
他第一件事是做定量测量。1832 年 11 月,他向科学院报告了磁铁插入、拔出线圈时感应的规律:线圈里被激起的电动势与导线的粗细无关,粗线里电流大,只是因为电阻小。这篇论文还讨论了怎样绕线圈最划算——他从一开始就惦记着拿感应做点什么。
真正让他留名的,是方向问题。法拉第在第一辑《电学实验研究》里给过判断感应电流方向的规则,但楞次读了很不满意,1833 年 11 月 29 日宣读的那篇论文开头就说清了理由:
- 法拉第给的是两条不同的规则——一条管电流对电流的感应,一条管磁铁对运动导线的感应——可按照安培的理论,磁铁本来就可以看成一组环形电流,同一个现象不该要两条规则;
- 第二条规则要看导线怎样「切割磁曲线」,法拉第自己拿刀片在磁铁旁比划来说明,也承认方向不好讲清;
- 有些情形两条规则都覆盖不了,比如一根与电流垂直的导线顺着电流方向滑动。
意大利的诺比利(Leopoldo Nobili)试过只用「靠近时反向、远离时同向」一条来解释全部现象,楞次认为在好几处说不通。
1833 年的那句话
楞次的办法是把新现象归结到已经弄懂的旧现象上。安培的电动力学早就能判断通电导线在磁铁或另一电流旁往哪边动;楞次说,感应不过是把这件事倒过来:
当金属导体在电流或磁铁附近运动时,导体中会激起一股电流,它的方向是这样的:假如这根导线原本静止,这股电流会使它产生一个与此刻所给运动正好相反的运动——假定这根静止导线只能沿这一运动方向或其反方向移动。
用法是:先想「要让导线这样动,按电磁学规律电流该往哪流」,然后把答案反过来。
论文剩下的部分是一张对照表。他把已知的电磁运动实验用大写字母编号,紧跟着写出对应的感应实验,用小写字母编号:安培的两根平行导线对应法拉第的平行导线感应;巴洛轮对应法拉第铜盘;德拉里夫的浮动线圈对应把线圈套上磁铁;磁铁绕自身轴转动对应法拉第的旋转磁铁。其中几组是他自己新做的,比如两只互相垂直的圆线圈,一只通电,另一只突然转到与它平行,第二只里就激起反向电流。
他还顺带下了一个结论:每一个电磁运动现象都必有一个感应现象与之对应,只要把本来靠电流驱动的运动改用别的办法造出来就行。后世的电机史常把这句话当作电动机与发电机可逆的早期表述。
论文最后一条脚注点了英国的里奇(William Ritchie):楞次认为对方在同一卷里把同一条定律「正好说反了」,又客气地加上一句「如果我对他那不太精确的叙述理解得对的话」。
原文与课本之间
拿 1834 年的原文对照今天的课本,差别有三处。
第一,楞次讲的是运动,不是磁通。 他的定律只说「导体在运动」时怎样,判据是「反向的运动」。插拔磁铁、转动铜盘都可以还原成运动;但一个不动的线圈旁边另一个线圈通电、断电,楞次这篇论文没有正面处理。今天「感应电流的磁场阻碍原磁通的变化」这种说法,是后人用法拉第的力线图像和后来的磁通概念重新表述的结果。有些现代综述把磁通版本直接放进楞次嘴里,那不是他的原话。
第二,楞次没有写公式。 感应电动势的大小,他的方向论文不涉及。1845 年 10 月 27 日,柯尼斯堡的弗朗茨·诺伊曼在柏林科学院宣读《感应电流的数学定律》。据《科学传记辞典》的诺伊曼条,他以楞次的定律为出发点,推出感应电动势正比于磁通的变化率,式子里那个负号就是楞次的方向。今天课本里的
常被叫作「法拉第-楞次定律」,其实是三个人的东西拼在一起。
第三,楞次没有提能量。 课本喜欢说楞次定律是能量守恒的必然——感应电流若是帮着运动而不是阻碍,推一下就能永远加速,凭空造出能量。这个论证很漂亮,但它属于 1847 年以后,亥姆霍兹写《论力的守恒》的那个时代。1833 年的楞次只是在整理实验,他的依据是安培的电动力学。
导线越热越难导电
与方向论文差不多同时,楞次在 1833 年 6 月向科学院报告了另一项测量:把银、铜、黄铜、铁、铂的导线放在不同温度下,量它们的导电本领。
楞次在论文开头说,最早演示导线变热后导电变差的是戴维。他自己要的是数字,得到的是一组二次式:以铜在冰点时为 100,温度 按列氏度计,铜的导电本领是
银、黄铜、铁、铂各有一组系数。他注意到,导电越好的金属,随温度下降得一般越快,但并不严格成比例。1838 年他又补测了金、铅、锡。今天铂电阻温度计与各种热敏元件依靠的正是这种关系,只是当年的系数早已被更精确的数据取代。
焦耳-楞次定律:谁先谁后
电流通过导线会发热,这件事人人都知道;热量怎样依赖电流与电阻,1840 年代初有两个人在相隔两千公里的地方同时在测。
焦耳这一边。据 Martins 对皇家学会档案的考证,焦耳的《论伏打电流生热》写于 1840 年 10 月,12 月 17 日在皇家学会宣读,学会只印了摘要;改写扩充后的论文 1841 年 10 月登上《哲学杂志》,结论是热量与电流的平方、电阻成正比。
楞次这一边。他的《论伽伐尼电流生热的定律》第一部分 1842 年 12 月 2 日在圣彼得堡科学院宣读(据波根多夫在 1844 年的一条脚注),此后在《物理与化学年鉴》上分三篇刊出(1843–1844)。论文第一段就讲到焦耳:
下面要报告给科学院的研究,我已经做了好几年;它们开始于焦耳的论文在 1841 年 10 月的《哲学杂志》上出现之前很久。尽管我的结果在实质上与焦耳的一致,我仍认为有必要继续做下去,因为对他的实验可以提出一些有根据的异议——我们的同事、院士赫斯先生已经指出了这一点。
楞次最后的结论写得很干脆:导线的发热与它的电阻成正比,与所通电流的平方成正比。
两边的材料就是这些。按宣读与发表的日期,焦耳在前;楞次自述开工更早,但本页没有找到他更早的书面记录。楞次这组论文的第一篇几乎全在检验他的检流计是否可靠。俄语文献普遍称「焦耳-楞次定律」,德语文献中也常见,英语文献通常只说「焦耳定律」。本站焦耳页按发表时间写他在 1840 年报告了这条定律,两种叫法各有依据。
与雅可比一起造电磁铁
1837 年,造电动机的雅可比(Moritz Hermann von Jacobi,在俄国称 Борис Семёнович Якоби)从多尔帕特调到圣彼得堡,1838 年前后在涅瓦河上试验电动机驱动的小船。电动机离不开电磁铁,而当时欧美虽然在比赛造更强的电磁铁——据两人论文开头所说,亨利和 Ten Eyck 在美国做出过能吊起两千多磅的——用多粗的线、绕几层、配多大的电池,却全凭摸索。
楞次和雅可比在 1838–1839 年联名发表了《论电磁铁的定律》。据 Grigoriev 的综述,他们用感应电流的冲量来量铁芯里的磁性——铁芯被磁化或退磁的瞬间,外面套着的线圈里会有一个感应脉冲——这种做法后来发展成冲击检流计测磁通的方法。结论是:同一根铁芯上,磁性与电流成正比、与匝数成正比,所有线圈的总效果等于各匝之和。论文收尾时他们归纳了一条对实用最要紧的规律:给定铁芯和锌板面积,粗线细线都能达到同样的最大磁性,只要电池的接法配得对;而无论怎样达到,单位时间里消耗的锌一样多。
圣彼得堡大学的四十年
1830 年代中期起,楞次在圣彼得堡大学执掌物理学教席,同时在海军学校、炮兵学校、师范学院兼课。1840 年他当选物理数学系主任,一做二十余年;1863 年当选大学校长。他编的中学物理课本 1839 年初版,据 Grigoriev 所记,前后出了十一版;讲自然地理的讲义也一再重印。长子罗伯特·楞次后来也在圣彼得堡做了物理学教授。
据《俄国传记辞典》,他还做过珀尔帖效应的实验:让电流通过铋、锑两根焊在一起的棒,在焊点旁的小窝里把水冻成了冰(1838)。
1864 年春他病倒,获准去罗马休养,1865 年 2 月 10 日在那里因中风去世。
留下来的名字
电感的符号 ,常被说成是纪念楞次,但这一点没有找到可靠的原始出处,只能算流传的说法。确定的纪念是月球背面的楞次环形山(1970)和厄尔布鲁士峰上的楞次岩。
最实在的纪念在身边:电磁炉、高铁与过山车的涡流制动、发电机转子的反拖力矩、变压器断电时的反冲电压,每一处都在按他那条规则办事——感应出来的,总是跟引起它的那件事作对。
代表方程
楞次定律(感应电动势的负号)
感应电动势等于磁通 的变化率,负号说它总要阻碍这个变化。楞次 1834 年只用文字讲运动与反向运动;把这个负号写进公式的是 1845 年的弗朗茨·诺伊曼,据《科学传记辞典》,他以楞次的定律为出发点。
焦耳-楞次定律
导线放出的热量与电流的平方、电阻、通电时间成正比。楞次 1844 年把结论写成两句:发热与导线电阻成正比,与电流的平方成正比。焦耳在 1840–41 年先发表了同一规律,楞次在论文开头说明自己的实验开始得更早,之所以继续做,是认为焦耳的实验还有可推敲之处。
金属电导的温度公式
1833 年楞次把银、铜、黄铜、铁、铂的导线加热,测出导电本领 随温度 (列氏度)升高而下降,用二次式拟合。以铜在 0 度时为 100,铜的系数是 、。
电磁铁的安匝关系
楞次与雅可比 1838–39 年测得:同一根铁芯上,激起的磁性与电流 成正比,与线圈匝数 成正比——所有线圈的总效果等于各匝效果之和。设计电磁铁与电机从此有了可以计算的依据。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.楞次《论由电动感应激起的伽伐尼电流方向的确定》,《物理与化学年鉴》第 31 卷第 483–494 页(1834)——楞次定律原文
- 2.楞次《论磁铁骤然靠近或离开线圈时对线圈作用的定律》,《物理与化学年鉴》第 34 卷第 385–418 页(1835,1832 年宣读)
- 3.楞次《论金属在不同温度下的导电本领》,《物理与化学年鉴》第 34 卷第 418–437 页(1835,1833 年宣读)
- 4.楞次《论世界大洋不同深度的水温与盐度》,《物理与化学年鉴》第 20 卷第 73–131 页(1830)
- 5.楞次与雅可比《论电磁铁的定律》,《物理与化学年鉴》第 47 卷第 225–266 页(1839)
- 6.楞次《论伽伐尼电流生热的定律》,《物理与化学年鉴》第 59 卷第 203–240 页(1843)——开头说明与焦耳的关系
- 7.楞次《论伽伐尼电流生热的定律》(续),《物理与化学年鉴》第 61 卷第 18–49 页(1844)——导线发热的两条定律
- 8.波根多夫《论普遍的检流计定律》,《物理与化学年鉴》第 61 卷第 50 页起(1844)——脚注记下楞次第一部分的宣读与刊出日期
- 9.焦耳《论金属导体以及电解时电池槽内放出的热》,《哲学杂志》第 19 卷第 260–277 页(1841 年 10 月)
- 10.F. Neumann《感应电流的普遍定律》,《物理与化学年鉴》第 67 卷第 31–44 页(1846);完整论文《感应电流的数学定律》1845 年 10 月 27 日宣读于柏林科学院
- 11.Grigoriev《Emilius Lenz (1804–1865)》,《交通世界》第 18 卷第 4 期第 200–210 页(2020)——生平、海洋学与电机工作的俄方综述
- 12.波洛夫佐夫主编《俄国传记辞典》第 10 卷「楞次」条(圣彼得堡,1914)——生平年份