電磁感應原理影片－法拉第如何藉由磁力變化發現電磁感應？│科學史第二季

電磁感應由法拉第所提出

電磁感應是什麼？

電磁感應是在磁力 ( 磁場 ) 產生變化時，能夠看到電產生的現象。

電磁感應的重點

電磁感應只會發生在磁力產生變化的時候
影片 06:09 中，電流計上的指針移動時，皆在鐵圈接上電源和關掉電源的瞬間。

影片 07:29，使用磁鐵取代電源來產生磁力變化，證明是磁力的變化導致電流產生。
電磁感應產生的電流是瞬間的，不是穩定的
影片 04:32 中，當鐵環接上電源時，電流計的指針會跳一下，並沒有一直指著某個刻度。

電磁感應是在磁力產生變化時，能夠看到電的產生的現象

你所不知道的電磁感應

影片 06:09 中，當法拉第完成了他的軟鐵環後，便開始進行了他的測試。只是在測試的時候，他注意到了一些奇怪的事情：法拉第發現到，當他只要把電池的電打開時，連接在 B 線圈上的電流計，就會輕微地晃動一下，不只如此，當法拉第把電池關掉時，電流計又會再次輕微地移動，而這個現象深深引起了法拉第的注意。

電生磁會在接上電源的時候發生

電生磁會在拔掉電源的時候發生

因為如果軟鐵環上真的有從 A 線圈那端穩定供電下，所產生出的穩定磁力，那麼他應該會看到 B 線圈所感應到的電，會是一直保持穩定，因此電流計的指針應該也會一直顯示有電流的狀況才對。但法拉第現在卻看到，只有在通電和斷電的瞬間，電流計才會輕微地跳動一下，所以在穩定電生磁那端是一直有持續穩定產生磁的情況下，怎麼電只會在瞬間產生，而不是穩定產生呢？

大家原本想像電磁感應會產生穩定電流

電磁感應影片重點

01:10 使用電流計測電源的穩定電流
01:25 確認電磁鐵能產生穩定的磁力
04:30 法拉第假設磁生電
04:42 法拉第發現磁不會生穩定的電
06:28 動畫：只有磁力產生變化時才會產生電
08:10 法拉第使用磁鐵來產生磁力變化

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作者：陳薏琪

電與磁的歷史

在歷史上，「電」和「磁」之間的關係，總是在各個時代引起許多的探討與研究。在 1600 年以前，人們時常認為電和磁是同一種吸引力，但這時期的吉爾伯特 (William Gilbert)，經過一番的研究後，認為電和磁的概念應該要被分開，因此他正式命名了「電」(electricity)。

圖│吉爾伯特 (William Gilbert)

然而，當電學和磁學各自發展了好幾年之後，在 1820 年時，一個讓電學和磁學再次有了關係的現象，讓這兩者間所隱藏的秘密，又成為世人不斷探討的內容。

1820 年，一名叫做厄斯特 (Hans Christian Ørsted) 的科學家，在那年的 4 月 21 日這天，他正準備著要拿來在演講上表演的實驗，就在這時，他只是打開了電池，居然看到了在電線附近的羅盤指針轉動了。而在他過去的測試中，雖然他曾經將電線和羅盤指針放成垂直夾角後通電，但卻沒有得到指針的任何反應，這次他只是將羅盤改成和電線平行放，卻意外讓羅盤指針動了起來。

圖│厄斯特 (Hans Christian Ørsted)

圖│厄斯特發現電生磁的現象

由於羅盤的指針也是一種磁針，所以通電的電線可以吸引「磁」，也就變成了十分轟動的現象——因為這代表「電是可以產生磁」的概念，就這麼被一個偶然發生的事件證明出來。

於是找到這個現象的厄斯特，就在 1820 年這一年，在他的著作中提出了「電可以生磁」的概念。而在 1800 年代，電與磁學也隨著厄斯特的證實，逐漸開始發展，人們漸漸開始相信，電與磁之間確實有著互相牽連的關係。

既然已經有人證明了電能夠生磁，大家不免就會開始想要挑戰，「磁是否能反過來生電呢？」接著科學家們開始試圖想要找到磁能生電的可能性。但這條找尋的道路並不容易，所以就算經過了好幾年的時間，也一直沒有人成功證明這件事，就連在電學上著名的科學家安培 (André-Marie Ampère)，當時盡了他的力量，卻也只能夠做出電生磁的實驗。

圖│安培 (André-Marie Ampère)

不過在電磁學被不斷探討的年代氛圍下，這樣的困境也沒有持續太久。因為在大概 10 年之後，對於電磁學做出巨大貢獻的法拉第 (Michael Faraday)，便發揮他細微的觀察能力，讓「磁生電」的現象，能夠被世人所看到。

圖│法拉第 (Michael Faraday)

科學家法拉第的故事

在 1791 年，法拉第出生於倫敦。他是一名鐵匠的兒子，家庭狀況也並不富裕。在這樣的條件之下，法拉第只有接受過基本教育後，就沒有繼續到學校去。但法拉第卻從小熱愛科學，也熱愛著閱讀。雖然因為家境的關係，他無法買書來看，但是他還是找到了方法，讓自己能夠有大量的書能夠閱讀——法拉第選擇到一家書本裝訂廠打工，在打工之餘還能看書，這樣他就能夠有數不完的書可以看了。

於是在法拉第 14 歲到 21 歲的這段期間，他透過邊工邊「讀」的方式，閱遍工廠中所裝訂的書，尤其是深受科學知識吸引的他，總是喜歡閱覽科學的書。而在這些科學科目中，最讓他感興趣的就是化學的知識了。

不過他也沒有因為對於化學特別感興趣，所以就鑽研著化學，法拉第只是發惠著他對許多事情抱持著很強烈的好奇心，去嘗試各種事情。就像是他在自己的好奇心驅使下，還做了屬於自己的一台靜電機。然而，這樣的成就，也只是法拉第開始展現他在科學才華上的第一步。

在 1812 年，一名認識法拉第的顧客幫助之下，法拉第得到了一張能夠參與皇家學會的戴維 (Humphry Davy) 講座的入場券。第一次到這樣場合的法拉第，原本也很擔心自己所閱，無法跟上如此艱深的講座內容。但意外地，當法拉第在聽演講時，他發現到自己竟然都能夠聽懂戴維所提到的內容，這讓他的信心倍增，同時也非常開心自己的自學成果似乎非常有效。

圖│戴維 (Humphry Davy)

在聽完這場演講之後，法拉第對戴維也感到很敬佩。於是法拉第便興奮地寫信向戴維推薦自己，希望自己能夠成為他的助理，同時他還在信中附上了他在演講中所寫下的 300 頁筆記給戴維，希望能給戴維良好的印象。然而，第一次與戴維接觸的法拉第，並沒有獲得來自戴維的好回應，也就是戴維婉拒了法拉第的信。

但很快地，法拉第的機會又再度到來。在 1813 年，戴維正在找他的皇家研究所 (Royal Institution) 化學助理時，他馬上就想到了前一年因為好學而感動到他的法拉第。於是在就在 1813 年，法拉第就如願成為了戴維的助手。

不久之後，戴維決定去歐洲旅遊。在這趟旅程中，法拉第是以助手、僕人的身分隨同，但他卻沒有受到很良好的待遇。戴維夫人把法拉第當下人來使喚，但法拉第還是都忍了下來，只因他在這趟旅程中，跟著戴維拜訪了許多當代著名的科學家，像是伏打 (Alessandro Volta)，所以讓他覺得那些不公與可以見到科學家的機會比起來，似乎都是可以忍下來的事情。也因此，這趟旅程成為了激勵法拉第的科學人生重要旅程。

圖│伏打 (Alessandro Volta)

1815 年，隨著戴維回國後，法拉第馬上在實驗室中展現了他的實驗才能。雖然說法拉第因為自幼沒辦法有良好的學習環境，因此算術能力非常不好，但是他在實驗上的天分，卻十分充足地彌補了他這方面的不足。

而到了厄斯特發現電可以生磁的 1820 年後，法拉第和研究室的夥伴，也一起研究了電動機，但他們沒有成功做出電動機。不過法拉第沒有因為這次的失敗而放棄，他甚至還私下繼續研究下去，並在一段時間後，靠自己的力量成功解決了當時他和夥伴遇到的問題。然而，法拉第因為對於學術界的不了解，所以他在成功做出電動機後，就直接以自己的名義，對外發表了「單極電動機」的雛型，而這件事因為觸犯到學術倫理，因此自然引起了提供研究環境給法拉第的戴維，以及曾經和法拉第合作的夥伴不滿。

而在這件事之後，戴維也因為法拉第逐漸嶄露的出色成就，如他在電化學上的電解成就、他找到加壓氣體的方法、被任命為皇家研究院實驗室主任等等事情，所以開始嫉妒法拉第，便開始想要讓法拉第在學界難以生存。

時間到了 1824 年，法拉第因為相信「電能生磁，磁也應該能反過來生電」的法，因此想要檢驗磁的電流效應。法拉第先是準備兩根導線，便想透過實驗來看到，沒有電的導線，會不會被有電導線的磁力感應之後，就能夠產生出電流？

所以為了要做出實驗，法拉第便用了「電磁鐵」的概念，希望能透過感應來產生出磁力。因為當時已經知道，電磁鐵能夠在通電時產生出磁力，所以法拉第認為，如果倒過來用導線通電產生出的磁力，去靠近另一條導線，說不定有機會看到「磁生電」的情況發生。然而當時法拉第不管嘗試了幾次的實驗後，還是完全沒有發現磁能生電的現象。

圖│1830 年的電磁鐵

又過了一年後，戴維似乎因為過於嫉妒法拉第的才華，因此身為他的上頭老闆，便決定禁止法拉第研究電磁學，並要他去轉研究光學玻璃。

然而，光學玻璃完全不是法拉第所感興趣的領域，雖然他還是在這個領域取得了一些成就，但法拉第卻無法發揮他的長才。熬過了五年的時間，一直到了 1829 年，有意阻礙法拉第發展的戴維，在這一年去世，沒了上頭的壓力後，法拉第終於能夠重返他所想探討的研究主題，也就是電磁學的懷抱。

而到了 1831 年，對於這門學問深感興趣的法拉第，也即將提出震撼世人的現象……

法拉第發現通電和斷電的瞬間才會產生磁生電

在 1831 年 8 月 29 日的這天，法拉第在努力研究電磁學的時候，他想再次嘗試他過去曾經試過的實驗，來讓「磁生電」：也就是他想再次用有通電的導線產生出磁力，在靠近另一條導線後，讓被靠近的這條導線，能夠因為感應到磁力，而產生出電流。

從開始研究電磁學之後，大家知道要讓電磁鐵穩定產生出磁力，只要給穩定地供電，那麼磁力也就會穩定輸出；反過來說，如果導線所感應到的磁力是穩定的，那麼產生出的電應該也是穩定的才對。

有了這樣的想法後，法拉第開始嘗試各種方法，為的就是要成功讓「磁生電」能夠展現在眼前。在一個想法的展現之下，法拉第做出了一個帶有電磁鐵概念的裝置：

法拉第認為，如果通電的導線就能夠產生磁，那麼他只要做出一個裝置能夠把磁直接傳到沒有帶電的導線上，他應該要能夠在這條沒有帶電的導線上，測到「電」的存在才對。

這麼想的法拉第，便找來一個厚約 2 公分、直徑約 15 公分的軟鐵環。而法拉第也為了讓使用的線圈能夠絕緣，於是他按照當時能夠產生最強電力的電磁鐵製造方式，將銅線纏上絕緣麻布，這樣他就能讓他要纏上的 7.3 公尺銅線線圈，能夠彼此不會互相影響。

當把線圈絕緣後，他便將右側纏上了線圈，也就是法拉第說的 A 線圈，並在 A 線圈這端接上了電池，讓 A 線圈能夠靠著電池產生出「磁」，再讓磁充斥在這個軟鐵環中。

之後，法拉第又同樣把左側纏上了 7.3 公尺的銅線線圈。但這次，他在左線圈 ( 或是法拉第說的 B 線圈 ) 上，接上了可以檢測電流的電流計，目的是希望測量，從 A 線圈通電所產生的磁，透過軟鐵環的傳遞後，是不是能讓 B 線圈產生電。

圖│法拉第的軟鐵環圈

當法拉第完成了他的軟鐵環後，便開始進行了他的測試。只是在測試的時候，他注意到了一些奇怪的事情：法拉第發現到，當他只要把電池的電打開時，連接在 B 線圈上的電流計，就會輕微地晃動一下，不只如此，當法拉第把電池關掉時，電流計又會再次輕微地移動，而這個現象深深引起了法拉第的注意。

然而法拉第完全無法解釋，到底在那瞬間 B 線圈發生了什麼事？於是這便成了法拉第下一個想要探討的問題。

法拉第猜測磁力的變化能夠產生電

在猜想各種可能性時，法拉第也同時思考，他所做的這個裝置，在通電的瞬間，到底有什麼發生了改變？因為那個改變，應該就是藏著秘密的關鍵。

法拉第開始思考，這個裝置一邊是電磁鐵，而他每次看到電流計產生指針改變時，都是在開啟、關閉電源時，那麼按照電磁鐵的概念來說，在通電、斷電的這兩個瞬間，有產生變化的就是磁力了。

有了這樣的想法後，法拉第突然有了個靈感：他認為，正因為這個裝置是一個電磁鐵，而且在打開、關閉電源的瞬間，等於也是開、關閉電磁鐵，表示磁力會產生變化。也就是說，在打開電源時，這個裝置才會變成電磁鐵，因此磁力會從沒有到有，磁力也就產生了變化；而在關閉電源瞬間，也因為電磁鐵從有磁力，變成了沒有磁力的狀態，磁力也是在此刻產生了改變。這代表，有可能就是打開、關閉電源的瞬間，磁力會產生變化，才會只有在一瞬間產生電，所以讓電流計產生轉動。

於是法拉第對這個裝置提出了他的假設：根據打開電源的瞬間，A 線圈上的電，會讓整個軟鐵圈從沒有磁到產生磁，所以磁力產生了變化之後，就讓 B 線圈受到磁力的改變，因此那瞬間就會產生電，便會讓電流計產生了電流的變化；而當關閉 A 線圈的電源時，軟鐵圈也會從有磁變成沒有磁，因此 B 線圈所受到的磁力又會再次產生變化，因此就會產生電，讓電流計在瞬間產生轉動。

法拉第認為，如果他的假設沒錯，那麼他也許就找到一個可以證明磁可以生電的現象了。

用普通磁鐵來驗證磁生電的想法

有了這樣的想法後，法拉第也想更進一步確定，自己的假設到底是不是正確的。於是他認為，如果是因為磁力產生變化時，就產生出電流，那麼他如果不使用電流，只是用一般的磁鐵來讓磁力產生變化時，應該也能看到磁鐵在改變磁力的同時，電流計會產生電流，所以會輕微跳動。

於是法拉第找來了兩根磁鐵，並把磁鐵以相反的磁極相連後，排成一個 V 字型的樣子。法拉第想將磁鐵排成 V 字型，可能是因為他認為原本的軟鐵環圈，如果只看半邊，看起來很像是一個半圓形的磁鐵。但他當時又沒辦法找到那麼像是半圓形的磁鐵來做磁力變化的實驗，因此他只好將兩根磁鐵排成 V 字型的樣子。

當磁鐵設置好後，他又將一根鐵棒纏上了鐵絲，再讓這根纏了線圈的鐵棒，連接上電流計來測量電流。

圖│法拉第驗證的實驗裝置

在這個裝置下，由於很乾淨可以看到只有磁鐵所創造出來的磁力變化，因此如果用這個方法能夠看到和軟鐵圈一樣的情況，也就表示磁確實可以生電。

而當法拉第嘗試各種方法來使磁力發生改變，在試了各種方法後，他在嘗試把磁鐵在鐵棒的兩側開合，一下夾起鐵棒，一下又放開鐵棒時，就看到電流計的指針就像他在前一個實驗中所看到，會不斷地轉動，也就是這兩個磁鐵所產生的磁力，確實產生了電流。

法拉第的假設把他所發現的現象給驗證，同時也讓世人一直想探討的「磁生電」順利呈現在世人的眼前。在這之後，法拉第依然使用了各種的磁鐵和電磁鐵來進行實驗，而所有的結果都能夠再次強調和證明「磁生電」，於是法拉第便把這些實驗結果寫成了文章後發表到皇家學會 (Royal Society)，同時也在文章中提到，這些從磁所產生的電流，因為是透過感應磁力變化而產生的電流。如果以現在的概念來說，法拉第所定義的，就是「感應電流」。

法拉第還為了區別他用電磁鐵裝置所產生的感應，以及單純用磁鐵所做出來的感應，因此他稱有通電的電磁鐵，所產生出的磁電感應為「伏打電感應」(volta-electric induction)；而透過不須通電的磁鐵，所做出來的磁電感應，則被稱「磁電感應」(magneto-electric induction)。

「磁力」顯現在大家眼前

法拉第的發現，當然震撼了世人，而人們也終於知道了磁和電兩者是相輔相成，磁既可以生電，電也可以反過來生磁。

但在發表完自己的研究結果後，法拉第沒有因此而停下他在電磁學的研究腳步。為了要能夠更清楚解釋磁電感應，法拉第提出了當時還未出現的想法，那就是「磁力線」(lines of magnetic)。

由於法拉第認為，當時代在討論的超距力，對於一般人來說並不好懂，因此他想藉著牛頓力學闡述的方法，來把電磁學所形成的原理，用更具體的方式來描述。而法拉第認為，因為磁鐵、電流等等，都會產生一種「力線」，而這些力線也就顯示了這些作用力的方向。雖然說這些磁力線是無法被看見的，但它們會佔據整個磁鐵的內部和周圍。

但光是這樣說明，也只是在「紙上」有了更好的方式來說明而已，還不足以讓人一目了然，於是法拉第發揮了他的能力，把鐵粉直接灑在了磁鐵上方的紙，而紙上的鐵粉，會因為磁鐵不同地方所產生的磁力大小不同，所以吸引鐵粉的情況就會不同。

而法拉第也觀察到，當鐵粉撒在磁鐵周圍時，鐵粉似乎就會照著磁鐵周圍的磁力大小不同，產生出不同的排列方式，所以理論上磁力越大時，鐵粉就會被吸的越多，這樣就能解釋，法拉第看到磁力線較為密集的磁鐵兩極，應該也代表這是磁力最強的地方。

圖│可以用鐵粉做出磁鐵的磁力線模型

※科學家小故事※

你有聽過「克拉尼圖形」(Chladni's figure) 嗎？這是科學家克拉尼 (Ernst Chladni) 用金屬板，在上面撒了沙子後，用小提琴琴弓摩擦金屬板後，沙子震動完就會顯示出的音頻圖形。

圖│克拉尼圖形

圖│真實的克拉尼圖形

而當法拉第在思考該怎麼呈現出磁力線的時候，他就想到了他的好友惠斯通 (Charles Wheatstone) 曾經向他展示了克拉尼圖形。而這個經驗，也讓法拉第想到，既然聲音可以用這樣的方式來呈現，那麼磁力線會不會也能用類似這種方式來呈現呢？於是法拉第就把這樣的經驗，遷移到了他在研究的電磁學上，於是「磁力線」就能夠用鐵粉，簡單地呈現在我們眼前了。

而當法拉第在研究電磁感應時，他也發現到，把磁棒插入線圈中，在插入和拔出的瞬間，線圈接上的電流計會顯示出電，且產生出的感應電流效果明顯。

圖│法拉第發現用磁棒插入線圈的感應電流效果明顯

而在有了磁力線的概念之後，法拉第便也用磁力線的概念，再次解釋了這個裝置中的電磁感應現象：在磁棒插入線圈的瞬間，原本線圈中並沒有磁力線，但插入後就會有數條磁力線在線圈中，磁力線產生變化的這一瞬間，便會產生電流；而當磁棒從線圈中拔出時，線圈中的磁力線，會從原本有數條磁力線，變成沒有磁力線的存在，因此磁力線再次產生變化的這一瞬間，又會產生電流。

圖│當磁鐵深入線圈時，磁力線會有數條在線圈中

圖│當磁鐵遠離線圈後，磁力線在線圈中的數量就變少

也就是說，會讓線圈產生出感應電流的關鍵，應該是線圈中的磁力線多寡。而這也就能解釋，為什麼接著電源時，反而不會讓電流計轉動，是因為線圈中的磁力線沒有發生變化，而沒有變化之下，就不會產生電磁感應，便不會看到電流計跳動了。

法拉第的發現，不只讓他聲名大噪，成為了電磁學上重要的一人，他還用了這個概念，發明了發電機。直到現在，我們的生活也依然受到法拉第深深地影響。

參考資料

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參考圖片

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