感應現象

利用磁荷觀點計算了旋轉磁鐵端面上的磁流，然後利用磁流的安培環路定理求出單極感應發電機迴路中的電動勢，並且指出迴路中的電動勢與迴路的形狀無關。利用磁荷觀點還克服了使用相對論觀點時對磁鐵旋轉速度過度限制、對磁鐵端面磁場過度簡化以及計算複雜的缺點。 ^[2] 

單極感應現象及起因的解釋

單極感應現象是一種運動磁體的電磁感應現象。當一圓柱形磁體以恆定的角速度ω繞其對稱軸旋轉時，在與 這磁體滑動接觸的靜止的迴路中出現一穩恆的電流。這現象最早由法拉第進行了研究，後被韋伯命名為單極感應發電機。

關於單極感應現象起因的解釋，以法拉第為代表的觀點認為：當軸對稱的磁體繞其對稱軸旋轉時，周圍空間 的磁場分佈並無變化，但是導電的磁體在磁場中運動。運動的導電磁體切割磁感應線，從而產生感應電動勢，因此這是一種動生電動勢，電動勢的源分佈在磁體內部。另一種觀點以韋伯為代表，這種觀點認為磁場的磁感應線 跟隨磁體 一起以ω旋轉，運動的磁感應線切割靜止的導線迴路，從而產生感應電動勢。因此電動勢源分佈在靜止不動的迴路中。電動勢究竟在哪裏？要用實驗回答這一問題是困難的。

法拉第認為不論磁鐵是靜止還是轉動，其外部的磁場均保持不變這一觀點雖不符合相對論對電磁場變換的觀 點，但在磁鐵轉速不大的情況下是近似正確的。但法拉第認為電動勢只存在於轉動的磁鐵中這一觀點則是錯誤的。韋伯認為電動勢分佈於靜止的迴路中的觀點符合實際，但是他認為磁鐵的磁場“剛性”連接於磁鐵的觀點則是不符合現代物理學對場的認識。 ^[2] 

用狹義相對論的觀點來解釋單極感應現象缺點

第一是由於在計算過程中使用了電磁場的相對論變換公式，計算過程比較複雜。特別是對於初學者有相當困 難；第二是為了得到整個迴路電動勢的具體數值，假設磁體端面上的磁場為均勻場。這一假設有些過度簡化；第 三是認為磁鐵的轉速“比較小”，將轉動的磁鐵近似看做慣性系。這不僅對問題的範圍形成了過度限制，而且將轉動系看做慣性系總讓人有點“不安”。實際上為了使感應現象明顯，磁鐵的轉速不會太小。而人們更感興趣的是高速 轉動情況，這對於僅能處理慣性參考系問題的狹義相對論有很大的挑戰性。這也正如賈起民先生在他的書中所説的那樣：“因為單極感應問題涉及轉動，在這裏是否可直接應用僅適用於慣性系間相互轉換的狹義相對論的結果也是值得商榷的。 ^[2] 

可以看到用磁荷觀點解釋單極感應現象，比用相對論觀點解釋單極感應現象不僅簡潔、普遍、精確，而且物 理圖像清晰，爭議性小。但由於磁荷觀點考慮的是整個迴路中的電動勢，因此對局部迴路的電動勢認識不清，這是其缺點（根據相對論的觀點，不論是在實驗室系還是轉動參考系，電動勢都為零。） ^[2] 

通過研究«法拉第日記»及其他資料，詳細敍述了法拉第對地磁電感應現象的研究過程，並對其該階段的科學思想變化情況進行了探討。指出 ：法拉第研究地磁電感應現象受到了地磁學研究的影響；通過研究地磁電感應現象，法拉第發現了電力、電流和電阻三者之間的相互關係，揭示了歐姆定律的內容。 ^[3] 

法拉第研究地磁電感應現象的起因

地磁學的研究及發展在英國有着悠久的歷史。早在1600年，英國人吉伯(W·Gilbert，1544 ～1603)就在其著作«論磁石、磁體及地球這個大磁石 ：一種新的生理學»中對地球磁性進行了研究，得出了地球是個大磁體的結論。他將一塊天然磁石加工成球形，將小磁針放在磁球表面附近進行觀察，發現小磁針的行為和指南針放在地球上顯示的行為完全一樣。他用粉筆沿着小磁針的排列方向畫出了許多子午線，發現這些子午線和地球上的經線很相似。他將這些磁子午線在磁球上的兩個交點叫做磁極"。吉伯發現，小磁針在兩極中間平行於磁球表面，在兩極則垂直於磁球表面。而且，當小磁針相對於磁球表面移動時，它相對於表面的傾角隨其離兩極的距離而變化，由此，他得出了地球是個大磁體的結 論，並把實驗用的磁球稱為小地球"。吉伯把神秘的磁力作用從天上轉移到了地上，認識到磁力其實是地球自身的一種性質，這是地磁學發展史上的一個巨大進步。 ^[3] 

利用地磁產生電磁感應現象

1831年8月29日，法拉第通過著名的圓環實驗"發現了電磁感應現象。此後的幾個月內，對該現象進行了一系列的實驗。與1821年研究電磁旋轉現象類似，在發現電磁感應現象以後，對地磁電感應現象也進行了研究。主要集中在1831年12月14日至1832年3月1日這段時間內，在日記裏對此作了詳細地記錄。發現了地磁電感應現象，進一步明確了電磁感應現象產生的機理。 ^[3] 

1831年12月14日，法拉第用一個很精妙的實驗藉助地磁產生了感應電流 ：嘗試地磁的感生電流效應實驗，獲得很好的結果。軟鐵棒(通過預先加熱至紅熱然後冷卻消磁 ———法拉第注)放入線圈O中，線圈用8英尺長的導線與電流計連接。然後翻轉(轉動180度)軟鐵棒及線圈，指針立刻移動；重複翻轉，使翻轉的節奏和指針的擺動節奏一致，後 者擺動到180度或更多。

單獨一根導線的實驗用一根普通鈴線(bell wire)約 8 英尺長，兩端與電流計導線連接，然後使迴路在電流計上方向左右兩側轉動，儀器指針立刻移動，四、五次來回轉動後，指針擺動到90度或更多，這個地磁對運動導線的效應和轉球的效應是一樣的，是一個真正的基本的實驗。

通過這些實驗，清晰地顯示了利用地磁作為磁源可以產生感應電流。同時，這些實驗研究使他認識到，電磁感應原理不僅僅適用於普通的磁電感應現象，而且也適用於地磁電感應現象，由此促進了電磁感應定律的建立。 ^[3]