闪电的驯服者：电学的历史
How an Electromagnet Works and Why a Shoemaker Invented it

01 电磁铁

一、前言

什么是电磁铁，需要我们对他的发明人，威廉·斯图金，进一步了解一下。斯图金的一生充满传奇和励志，他的连鬓胡须形象也很奇特。下面听Kathy老师讲讲这位退伍老兵，一位制鞋匠发明电磁铁的传奇故事以及电磁铁的工作原理。

二、从军人到鞋匠

威廉·斯图金1783年出生在英国北部的一个鞋匠家庭里，小时候家庭待他不好。十岁那年他的妈妈去世了，几年后他的爸爸将他卖给了另外一个鞋匠做干儿子，继父对他也不好。后来他回忆那时的生活简直是生活牛马不如。

▲ 图1.2.1 斯图金的出生在英国北部地区

当他19岁了，他离开家入伍当兵了。军队生活很好，特别是他的长官很是欣赏他的修理能力，特别是修鞋的功夫。他也会通过自己制作的业余科学实验来讨好长官和战友。通过技能可以减轻他的工作量，并有机会到办公室借阅书籍。那个时期并没有免费图书馆，书籍价格也是非常昂贵。通过阅读他自学了数学、希腊语、拉丁语、法语、德语以及意大利语，此外还有光学和雕版印刷技术。

十八年后他从部队复员，定居在伦敦伍尔维奇街区。因为他与军队里一些军官有联系所以他计划开一个鞋店做生意。这些军官里很多对于最新科技进展感兴趣，于是经常找斯图金帮他们维修相关的科学仪器。

▲ 图1.1.1 伦敦伍尔维奇街区

三、电磁现象

在他退伍同一年，丹麦科学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现导线内的电流会使得附近磁针产生运动。其中一件令人感到困惑的是，奥斯特实验中的电流往下流动，但产生的磁场却是围绕电线的圆圈。周围磁针都指向圆周方向。为此奥斯特错误地认为电线中的电流不是直线流动，而是在电线内部沿着螺旋线运动。

法国人安培读到奥斯特的论文后，开始做了一系列关于电磁实验。比如他观察两条平行的电线通有相同方向的电流，电线之间会产生相互吸引力。安培的实验影响重大，后来电流单位就是以他的名字命名。

▲ 图1.1.2 电流周围的磁场

一天安培开始考虑奥斯特螺旋流动电流理论，他想如果把电线本身也做成螺旋形状会发生什么呢？于是安培做了一个螺旋线圈，研究它在通有电流后所产生的磁场。

▲ 图1.1.3 螺旋线内的磁场

次年，一位年轻的英国人名叫麦克·法拉第，发表了至今仍然被承认的实验结果，电线内的电流是沿着直线流动的。它所产生的磁场是围绕电线的圆环，而不是螺旋形状。对于多个并行电线中电流产生的磁场是它们的组合，称此为组合作用。比如安培的平行电线之间的作用力，实际上是两条电线产生磁场之间的相互作用力。

法拉第认为安培螺旋线圈磁场也可以使用多个平行导线磁场组合来产生。螺旋线圈可以看成很多平行电线的组合。法拉第注意到这个螺旋线圈所产生的磁环与一个条形磁铁磁场相同，只不过磁场强度弱了些。

▲ 图1.1.4 条形磁铁与螺旋线圈的磁场
下面在谈谈斯图金的工作。在1824年斯图金的朋友帮助他在军事学院谋得一个进行科学展示的工作。所以他有时间和经费阅读安培和法拉第的论文并重现他们的实验，并可获得新的发现。

一天他为了重现安培的实验，在一个铁棒上绕制螺旋线圈。他惊讶的发现铁棒居然可以把线圈磁场进行放大。这是因为电线中的电流将铁棒进行了磁化，于是形成了电磁铁。

四、磁铁与电磁铁

下面谈谈磁铁以及电磁铁。普通的永磁铁具有南极和北极。北极和北极，南极和南极之间产生斥力。北极和南极之间相互吸引。

▲ 图1.1.5 磁铁

永磁铁可以吸引一些没有磁性的铁质物体。比如把一个曲别针放在磁铁旁边，它就会被磁铁吸引。这是因为曲别针使用钢铁制作。钢铁内部存在一些小的磁铁，称为磁畴，它们随机分布。当曲别针靠近一个磁铁，其中的磁畴方向就会顺着外部磁场排列，使得曲别针产生磁性。曲别针的南极与磁铁的北极相互吸引。如果一个物体是磁铁，那么就可以将曲别针磁化并吸引它。

▲ 图1.4.2 磁铁吸引曲别针

电磁铁是由金属线圈绕在一个铁棒上形成。如果没有通电，这个铁棒不会吸引曲别针，它没有磁铁的作用。当通有电流之后，线圈中电流产生磁场会让铁棒中的磁畴方向排列整齐，使其形成磁铁一样南极和北极。电流越强，磁场越大。如果切断电流，铁棒上的磁场也会消失殆尽。这种由于电流所产生的磁铁称为电磁铁。

▲ 图1.4.3 电磁铁

在1826年斯图金将电线绕制在一个U型铁棒上，通电后形成一个U型磁铁。只使用少数几匝线圈以及很小的电流，就可以形成一个电磁铁能吸起九磅重的物体。断电后重物会突然掉落。

由于这个发明，斯图金被授予了一个银质奖章，相当于30几尼。

▲ 图1.1.6 斯图金的银质奖章

那个时候人们认为电磁铁只能用于娱乐表演，的确它看起来很有戏剧性。但是这种可以通过电流控制的电磁铁具有很多重要的用途，超过当时很多人的认知。

实际上，电磁铁在很多电气设备的发明中具有关键作用。仅举几个例子：比如电话、发电机、电磁波、X射线机器以及电视机等等。第一个应用斯图金电磁铁的发明就是电报机。

▲ 图1.4.5 电磁铁的应用

五、后记

在1826年斯图金的电磁铁来到纽约州，一位无聊的数学教师约瑟夫·亨利由此发明了电报。另外一个种族主义分子、自我主义者，塞缪尔·摩尔斯，将亨利的思想、名誉以及由此带来的经济利益都进行了剽窃。这中间的离奇故事下回接着说。

■ 相关文献链接:

闪电的驯服者：电学的历史
How an Electromagnet Works and Why a Shoemaker Invented it

● 相关图表链接:

图1.2.1 斯图金的出生在英国北部地区
图1.1.1 伦敦伍尔维奇街区
图1.1.2 电流周围的磁场
图1.1.3 螺旋线内的磁场
图1.1.4 条形磁铁与螺旋线圈的磁场
图1.1.5 磁铁
图1.4.2 磁铁吸引曲别针
图1.4.3 电磁铁
图1.1.6 斯图金的银质奖章
图1.4.5 电磁铁的应用

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