法拉第研究电磁旋转现象的过程及相关问题的再探讨，本文主要内容关键词为：法拉第论文,电磁论文,现象论文,过程论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号 N091:04-091 文献标识码A 文章编号1000-0224(2012)03-0360-19
修回日期：2012-05-01
法拉第(M.Faraday，1791-1867)发现电磁旋转现象是其从事电磁实验研究初期的重要成果，对他随后从事电磁学研究产生了深远的影响。对法拉第研究电磁旋转现象的过程及其对电磁作用的早期认识进行充分的探讨，是阐明其整个电磁学成就和物理思想不可或缺的组成部分。因此，前人的相关论著对法拉第发现电磁旋转现象及相关问题都作了一定程度的论述。[1-14]然而，由于涉及文献的范围和对文献的取舍、解读程度的不同，加之著述者本身的知识、兴趣和研究视角的差异，这些论述之间存在一些分歧，或出现一些与史实不尽相符的现象，在所难免。近年，王洛印等人根据《法拉第日记》等原始文献对此进行了较为系统的研究[15]，澄清了前人的一些模糊认识，是我国科学史界对法拉第研究进入一个更高层次的标志性工作，值得称道。
但是，就我们目之所及，在已有对法拉第研究电磁旋转现象的诸多论述中，仍存在不少问题。这些问题的表现或产生的主要原因在于：(1)法拉第写作《电磁历史概要》是其系统研究电磁作用现象之肇始，忽略对该文的分析，便难以充分说明法拉第研究电磁作用的动因及随后从事有关电磁旋转等实验研究的指导思想；(2)未对法拉第有关电磁旋转研究的专题文章进行深入解读，仅根据其日记中的实验记录，难以完全理清法拉第在这一发现过程中对电磁作用的认识等问题；(3)不对原始文献作深入分析和综合考察，则难以说明奥斯特的发现及其后继研究者对法拉第所产生的影响。
有鉴于此，我们认为有必要根据法拉第的论著、书信和日记等原始文献，对其研究电磁旋转现象的过程及相关问题作进一步考察，以期对有关问题获得更加全面的认识。
1 《电磁历史概要》的写作及对前人工作的认识
1820年，奥斯特(H.
rsted，1777-1851)发表了电流磁效应的研究结果，随即引起了欧洲科学界的广泛关注，激发了人们研究电磁现象的热情，掀起了电磁研究的一个高潮。翌年，因英国皇家研究院《哲学汇刊》(Annals of philosophy)编辑菲利普(R.Phillips，1778-1851)之邀，法拉第撰写了一篇自奥斯特发现以来电磁研究领域发展概况的综述文章。文章以《电磁历史概要》为题，分别于1821年9月、10月和1822年2月在《哲学汇刊》上陆续刊出[16-18]。关于这篇文章的写作过程，法拉第自己说道：“整个《概要》基本上是在1821年7月、8月和9月写成的……通过艰苦的努力，我参考了各种杂志不同哲学家的文章，并且重做了这些文章中所描述的几乎所有的实验。”[19]
就内容而言，《电磁历史概要》分为三部分：第一部分集中对奥斯特发现电流磁效应的实验研究及结果作了较为全面的介绍；第二部分综述了随后科学家们重复奥斯特的实验及其进一步研究的一些主要结果；第三部分则是对奥斯特新发现及相关实验现象作出解释的一些代表性论点进行了评述。在《电磁历史概要》的最后，编辑加了一篇附注[20]，对法拉第研究电磁作用现象的最新成果[即法拉第1821年10月发表于《科学季刊》(The Quarterly Journal of Science)第12卷上的《论一些新的电磁运动及磁学理论》，后收录于《电学实验研究》第2卷，详见下文讨论]作了简介。关于《电磁历史概要》的写作与法拉第这项研究之间的关系，他本人在有关书信和论著中曾进行了说明。
1821年10月8日，在给司徒达特(J.Stodart，1760-1823)的信中，法拉第写道：
我辅助戴维先生几乎所有的实验工作，因此关注这一主题。但是，在文章中，我所详细描述的实验研究直接动因源于《电磁历史概要》的写作……正如文中所述，这项研究的目的是检验在《概要》中我反复提及的位置问题，由此引导我探明了磁极绕载流导线的旋转。[21，22]
1844年3月，在整理出版《电学实验研究》第2卷时，法拉第在有关电磁旋转实验论文之后加了一个附注，又写道：“1821年9月之前，我一直忙于《电磁历史概要》的写作……引发了一些思考，导致上述文章的发表和电磁旋转的发现。”([19]，158页)
由此可见，《电磁历史概要》的写作对法拉第从事电磁作用的研究应该产生了重要的影响。然而，我们必须对其内容进行分析，才能更好地理解法拉第研究电磁作用的直接动因及随后从事有关电磁旋转等实验研究的指导思想。
在《电磁历史概要》中，法拉第对奥斯特及来自法国、英国和德国等地二十多位科学家，在1820年4月～1821年7月间研究电磁作用的研究成果进行了较为全面、系统的评述。从法拉第评述的侧重点及与他本人随后研究电磁作用工作的关联程度来看，奥斯特、安培(A.M.Ampère，1775-1836)和沃拉斯顿(W.H.Wollaston，1766-1828)在《电磁历史概要》中处于较为特殊的地位。现择其要者简述如下。
1.1 对奥斯特发现的概述与认识
在《电磁历史概要》中，法拉第首先对奥斯特发现电流磁效应的实验研究及结果作了较为全面的介绍。通过对奥斯特有关电流磁效应论著的解读，法拉第认为磁针相对于载流导线的位置是决定其两极受到吸引或排斥作用之关键所在，而这在当时也是奥斯特实验结果中令人费解之处。正如法拉第所说：“我已尽力对这个简单却重要的位置问题作出了解释，因为许多人都认为这个问题难以理解，而它又是奥斯特发现中非常重要的组成部分。”([16]，199页)
对于奥斯特发现磁针处于相对载流导线不同位置所受到的吸引或排斥作用现象，法拉第概述如下：
将载流导线靠近磁针的两极而不是其中部，如图5所示，在这两个位置处，导线对磁针的两极都产生吸引作用。可以发现，磁针受到载流导线的吸引和排斥的所有情形能够归并为它们处于四个位置处。在这些位置上，磁针与载流导线(横截面的外圆)总是相切的。图6和图7分别表示磁针两极受到吸引作用所处的不同位置。图6是磁针北极受到吸引作用的情形，图7是磁针南极受到吸引的情形。在此两种情形下，如果将磁针两极易向，而切线方向不变，则两极将会受到排斥作用。([16]，199页)
法拉第所论及的“图5”、“图6和图7”如下图1和图2所示([16]，198页)。图中，P、N分别表示导线连接电堆的正负极，箭头表示磁针北极的指向，图6和图7中N两侧上下指向的箭头分别表示磁针北极的初始指向(即上述引文中的“切线方向”)。
从日记中我们可以看到，1821年9月3日，法拉第开始研究电磁效应就是从确定磁针受载流导线吸引和排斥作用的位置着手的[23]。这一方面说明法拉第对奥斯特的这些实验结果心存疑问，认为必须分别加以检验；另一方面，也正是在重复奥斯特这些实验的基础上，法拉第通过更加仔细的观察和深入研究，才逐步认识到磁极绕载流导线的旋转现象。
图1 载流导线靠近磁针两极产生吸引作用示意图
图2 磁针受载流导线的吸引和排斥的四个位置示意图
对于奥斯特对其实验发现的理论解释，法拉第在文中承认自己难以完全理解([18]，108页)。关于奥斯特理论解释的核心内容，法拉第评说道：
……奥斯特先生的理论似乎要求存在两种电流体，它们既不混合，也不分离，而是处在结合过程中(in the act of combining)。然而，又要求它们相互分离，通过并围绕导线，做相向的螺旋运动。还要求它们拥有独特而又完全不同的磁动力。一种电(负电)推动磁铁的北极，而对其南极不发生任何作用；另一种电(正电)推动磁铁的南极，而对其北极不发生任何作用。([18]，108页)
实际上，这就是奥斯特“电冲突”(electric conflict)的主要思想。而奥斯特自己对这种解释也并不满意。在进一步探索电流与磁针之间相互作用的规律后，他又总结出了所谓的“电磁效应第一定律”，在1821年11月发表的文章中作了更为详细的说明：
在此，对于所有电磁效应所遵循的规律，我应该比在第一次发表的论著中作更加详细的说明。当两个相反的电力在具有阻碍作用的环境中相遇时，它们对磁针的作用遵循一种新的规律，即：正电排斥磁针的南极，而吸引其北极；负电排斥磁针的北极，而吸引其南极。但是，在这种情况下电力作用的方向并非沿直线，而是沿由左手向右手旋转的螺旋线。[24]
即便如此，他的理论对于自己及随后科学家所做出的有关电磁作用的实验结果，也都难以给出令人满意的解释。正如法拉第在对奥斯特工作评述的最后说道：
希望这位杰出的哲学家能够在短时间内，将已经发表的原理更大程度地加以完善。在此过程中，他无疑将会给世人带来另外的新成果，正如他已经做出的努力那样。同时，他将会为科学作出更重要的贡献，也会为自己带来更大的荣誉。([18]，108页)
1.2 对安培有关实验研究及其理论的综述与认识
在对奥斯特工作进行评述之后，法拉第写道：“奥斯特先生所获得的实验结果立即被各地许多哲学家重复实验加以验证。在设计各种实验、创新实验方法和对结果提供理论解释等方面，安培的积极性和创造性是无人能比的。”([17]，274页)由此可见，法拉第对安培的研究成果是非常关注的。
在对安培所报告的一些研究结果进行说明之后，法拉第评述道：
这些实验是安培运用不同方式设计的，形式多种多样。从插图和文字描述来看，所用装置非常精巧，具有独创性，实验效果明显。通过这些实验，安培所得到的结果可以概括成以下几个方面：1.两电流同向平行运动相互吸引，反向平行运动则相互排斥；2.两电流分别通过两金属导线，导线仅能在相互平行的平面内转动，使两电流趋向平行、同向；3.这种电流之间的吸引和排斥与通常的电吸引和排斥是完全不同的。([17]，276页)
对于安培的这些实验结果，法拉第当然毫不例外地通过自己的实验加以检验。但从1821年9月4日的日记记录中，我们看到，法拉第是在完成电磁旋转系列实验之后，再从事与两平行载流导线有关的实验研究([23]，51页)，因此难以说明这与他发现电磁旋转具有直接的关系。
对于安培关于实验结果所作的理论解释，法拉第也颇有好感。他写道：
在所有关于电磁现象所给出的理论解释中，安培的观点是最广泛、最精确的，并且得到了实验结果和理论计算的检验，远超出其他人的观点。事实上，在已经公开发表的所有关于电磁现象的理论观点中，如果非要做出评判的话，那么仅有安培的解释能够称作为一种理论(A Theory)。……安培的理论解释是基于假设两种电流体(electric fluids)存在，这种理论的基础我相信在法国现在是流行的……利用电流体(electric fluids)的这一术语，并将电流视为物质流(currents of matter)，几乎可以肯定，安培所说的电流是由两种不同的流体组成的。尽管它们一种被称为正电，另一种被称为负电，但它们同样确实都是存在的，并且拥有同样的动力。([18]，111页)
安培的这些观点是其“电动力学”的基本思想，其主要论点是认为所有的磁现象都是由电流引起的，磁铁是内部具有微小圆电流的分子的集合。对此，法拉第评说道：“根据这种观点，电学和磁学是统一的，或者说，磁现象属于电现象的范畴。因此，磁学应该被视为电学的一个分支，纳入电流标题之下……”([18]，114页)然而，对于安培的“分子电流说”，法拉第却不无困惑地问道：“……在普通的磁铁中何以存在电流呢？”([18]，114页)
1821年9月12日，法拉第在给里夫(C-G.De La Rive，1770-1834)的信中，也同样表明自己对安培理论的态度。他写道：“直到通过不同的磁效应证实磁铁中存在这种电流(electrical currents)之前，我将保持对安培理论的怀疑。”([21]，317页；[22]，223页)
事实上，法拉第对安培关于电磁效应的理论解释的评述已经触及安培“电动力学”的一些本质问题。显然，这种建立在超距作用观念基础之上的理论，难以对当时人们已经观察到的电磁效应所有实验结果提供令人满意的解释，从而使得法拉第无法完全理解和接受安培的理论。通过自己日后的实验研究，法拉第逐步走向其反面。在那时法拉第就能够有此见识，抑或确是他的一种本能反应。正如爱因斯坦(A.Einstein，1879-1955)所说：“对于一切要把电磁现象归之于带电粒子之间彼此相互反应的超距作用的这种企图，法拉第必定是以其准确无误的本能看出了它们的人为的本性。”[25]
1.3 对沃拉斯顿“电磁流”假说的引述
由于沃拉斯顿与戴维之间的关系甚密，作为戴维助手的法拉第对沃拉斯顿的研究工作自然有所了解。但是，法拉第写作《电磁历史概要》是基于文献之上的，而在写作之初，他没有见到沃拉斯顿公开发表有关电磁作用现象的研究结果，所以他在《电磁历史概要》前面部分和《论一些新的电磁运动及磁学理论》中，都没有引介沃拉斯顿的有关工作或论点([21]，302页；[22]，229～230页；[19]，160页)。直至《电磁历史概要》写作接近尾声，法拉第才看到《科学季刊》第10卷第363页发表的一篇署名为“沃拉斯顿博士”的短文，介绍了载流导线之间相互作用的“电磁流”假说([18]，110页)。法拉第认为它可以代表沃拉斯顿关于电磁作用的基本观点，因此在《电磁历史概要》最后部分，法拉第对短文引述如下：
电磁或载流导线之间相互作用的现象，可以借助假设载流导线中存在电磁流(electro-magnetic current)来加以解释。电磁流绕导线的中心轴旋转，旋转方向由导线中电流的方向或导线与电池正负极连接方式决定。如图所示为两载流导线的截面，当它们电流方向相同时，两电磁流的南、北异极相遇，则它们相互吸引；当它们电流方向相反时，两电磁流的南、北同极相遇，则它们相互排斥。沃拉斯顿博士([18]，110页)
文中附图如图3所示([18]，110页)，其中箭头表示“电磁流”的方向，S、N分别表示“电磁流”的南、北极。对于沃拉斯顿“电磁流”假说，法拉第在文中未作进一步评述。应该指出的是，有的文献中多处提及沃拉斯顿有关电磁作用“圆周力”的观念([15]，420、425和427页等)，但我们认为所谓的“圆周力”只能视为后人对“电磁流”假设作用效果的一种解读，不可将二者混为一谈。
图3 两载流导线“电磁流”之间的吸引(左图)和排斥(右图)示意图
根据这种“电磁流”的假说，我们不难理解沃拉斯顿认为磁极靠近载流导线时，导线会绕其自身轴转动的实验设想。对此，法拉第随后通过实验观察，但结果是否定的([23]，49～50页)。在法拉第日记、书信和论著等文献中，我们没有看到法拉第在研究电磁旋转效应过程中再对沃拉斯顿的“电磁流”假说作过考虑。然而，沃拉斯顿假设“电磁流”不仅存在于载流导线之中，而且环绕导线周围，这与奥斯特和安培等人的思想相比具有一定的新意。这给法拉第留下较为深刻的印象，对他认识电磁作用的本质应该具有一定的启示作用。
在《电磁历史概要》中，法拉第还对阿拉果(D.F.J.Arago，1786-1853)、毕奥(J.B.Biot，1774-1862)、萨伐尔(F.Savart，1791-1841)、戴维(H.Davy，1778-1829)和里夫等人的有关实验及对电磁作用的论点作了评介。在此不再赘述。
总之，法拉第对奥斯特发现电流磁效应，以及随后许多科学家对电磁现象的实验研究工作，都非常肯定，乃至赞赏。但是，对他们关于实验现象的理论解释或论点，法拉第或难以理解和接受，或感到不能令人满意，或不置可否。这恰似当时人们对电磁作用现象认识整体状况的一种真实反映。正如爱因斯坦曾指出：
对于电和磁现象的理论概念，人们又引进了一种特殊的物质，人们假定在这些物质之间存在超距作用力，这种力类似牛顿的引力。但这种特殊的物质好像没有惯性这个基本特性；而作用在这些物质和有重物质之间的力仍然是不清楚的。除了这些困难，还要加上这两种物质的极性特征，这同古典力学的纲领是不调和的。当知道了电动力学现象以后，这个理论的基础变得更加不能令人满意了，尽管这些现象能够使物理学家通过电动力学现象来解释磁的现象，并且由此使磁性物质的假设成为多余。这个进步实在是由增加相互作用力的复杂性而换取得来的，在运动着的带电物体之间，必须假定有这些力存在着。([25]，355～356页)
这是对自奥斯特的发现到安培电动力学的建立之后，那个时期人们关于电磁作用现象认识所面临的困境一种很好的总结和描述。
然而，写作《电磁历史概要》过程中，法拉第的收获是不言而喻的。通过文献研读和重复实验，他熟知了奥斯特等人的实验内容和研究思路，掌握了他们的实验方法和对现象的理论解释，为自己进一步研究奠定了重要的基础。
2 电磁旋转及相关电磁作用现象的研究过程
根据日记的相关内容，我们知道法拉第分别在1821年9月3日～10日、12月21日～25日和1823年1月18日～28日①，对电磁旋转现象及相关电磁作用先后进行了三个系列的实验研究([23]，49～57、61～63、91～95页)。第一系列实验内容最多，是法拉第发现电磁旋转现象及其早期从事有关电磁作用研究最为重要的组成部分。这一系列实验日记中的记录大多依次编号，为论述方便起见，现将其中记录内容及条目序号等情况列表如下(见表1，根据[23]，49～57页内容编制)。而第二、三系列实验仅是对第一系列相关实验内容的补充或拓展研究。
在实验过程中，法拉第对一些主要的实验结果，随即撰写成文在皇家研究院学术期刊上发表。第一系列研究的大部分内容以《论一些新的电磁运动及磁学理论》为题于1821年10月在《科学季刊》发表([19]，127～147页)，1822年1月该刊又发表了法拉第的《电磁旋转仪》([19]，147～148页)和《演示电磁旋转运动实验仪的说明》([19]，148～151页)两篇短文，它们是对第1篇文章中有关电磁旋转实验的补充。1822年1月，法拉第还发表了《关于新的电磁运动的注记》([19]，151～158页)一文，内容是第二系列研究的大部分实验结果。而第三系列实验研究结果，未见法拉第以专题文章形式发表。
结合《法拉第日记》中的记录及相关文献，对这些专题文章进行系统的分析，将有助于我们进一步厘清法拉第发现电磁旋转的过程和其间他对电磁作用现象的认识等相关问题。
2.1 发现电磁旋转现象的实验方法和过程
在《论一些新的电磁运动及磁学理论》中，法拉第首先论述了发现电磁旋转现象的实验方法和过程，并分别附图加以说明。根据文中讲述的实验顺序，比照《法拉第日记》中相应条目的记录内容，这一过程可以分成以下三个步骤。
2.1.1 观测磁极受载流导线吸引和排斥作用的位置
从日记和文章中我们知道，法拉第首先观察磁针两极在载流导线周围受到吸引和排斥作用的位置情况，结果如图4所示([19]，图版Ⅱ)。图中Z和C分别表示电池的锌板(负极)和铜板(正极)；箭头方向表示磁针或磁铁北极的指向，也可表示其运动的方向；圆点表示磁针或磁铁的位置([19]，127页)。
图4 磁针两极受载流导线吸引(左)和排斥(右)作用的位置示意图
参照日记相应的内容，我们发现，图4是法拉第将1821年9月3日所做的多项实验记录条目2～5的多幅草图②([23]，49页)合并而成，简明扼要。对于这项实验的方法和结果，法拉第写道：
将载流导线竖直放置，移动磁针向其逐渐靠近，以便确定磁针受到吸引和排斥作用相对于导线的位置。我发现了八个位置，而不是四个位置，每个磁极受到吸引和排斥的位置各两个……这与奥斯特所说的结果不符……([19]，128页)
显然，法拉第是在重复奥斯特有关实验(参见本文图1、图2)及验证其实验结果的基础上，发现问题之后，才对载流导线与磁针之间相互作用现象作进一步研究的。毫无疑问，正如前文所述，法拉第在《电磁历史概要》中对奥斯特有关实验的解读，对他的这些实验观察产生了直接的引导作用。而这些实验结果又促使法拉第设计新的实验，仔细探究载流导线与磁针之间相互作用的效果。
2.1.2 探明载流导线绕磁极或磁极绕载流导线的转动
为了进一步观察磁针在相对于载流导线不同位置处两极所受到的吸引和排斥作用现象，法拉第改变了实验方法。将磁针位置固定，观察载流导线在磁极周围的受力情况([19]，129页)。经过反复观察，仔细分析，法拉第认识到载流导线会绕磁极转动，或磁极会绕载流导线转动，并绘图加以说明，如图5所示(根据[19]，图版Ⅱ中图3复制)。此图是他根据日记9月3日条目6记录、草图([23]，49页)绘制的。
通过这些实验，法拉第对载流导线与磁极之间的相互作用获得了一些新的认识。在文章中，他写道：
根据这些事实能够得出几个重要的结论，即载流导线与磁极之间不存在相互吸引的作用，载流导线必定绕磁极转动或磁极绕载流导线转动，载流导线与磁极之间的吸引和排斥是一种复合作用，磁极是整个磁体感应作用的中心……([19]，129页)
图5 载流导线在磁极作用下发生转动示意图
这些实验研究在法拉第发现电磁旋转的过程中及对电磁作用的认识方面都起到重要的作用。一方面，这些实验结果否定了戴维关于导线在通电后即变成了磁铁的观点。此前，戴维在获悉奥斯特的发现之后，也重复了奥斯特的有关实验，其实验内容在1820年11月12日给沃拉斯顿的信中作了详细说明[26]。在《电磁历史概要》中，法拉第对戴维的主要研究结果也作了介绍。戴维通过不同方法观察磁针受载流导线的作用情况，“立即将这种效应归结于载流导线本身变为磁体……”([17]，288页)若果真如此，那么载流导线与磁极之间的作用和磁铁之间的作用情况应完全相同，必定相互吸引或排斥。但通过实验，法拉第得出的结果是否定的。
另一方面，通过这些实验及结果的分析，法拉第得出“载流导线必定绕磁极转动或磁极绕导线转动”的判断，从而迈出发现电磁旋转现象的关键一步。正如在文章中他继续写道：“载流导线与磁极相互转动的首要问题就是需要证明它们之间相互作用力的本质，并通过不同方法加以实现。”([19]，129页)这便是法拉第后续实验研究的重要目标和内容。
值得注意的是，法拉第在文中随后叙述的实验次序与他日记中记录的实验次序不尽一致。在文中，他紧接其后论述了观察载流导线与磁极之间相互旋转的实验方法和过程，而这些对应的是9月3日日记中最后一条记录(条目13)和9月4日日记中条目14～16的记录内容([23]，50页，参见本文表1)。而9月3日日记中其余实验记录(条目7～12)内容([23]，49～50页，参见本文表1)，法拉第在文中此后再作了简单说明([19]，131页)。从逻辑角度看，这种处理可以视为法拉第对电磁旋转现象发现过程的理性重构。但是，如前文所述，条目7恰是他检验沃拉斯顿关于磁极能够使载流导线绕其自身轴转动观点的实验记录，其中写道：“不同强度的磁铁沿垂直方向靠近导线，不能使之像沃拉斯顿所希望的那样发生旋转，而是将其从一边推到另一边。”([23]，49～50页)或许，正是由于这种处理导致文章发表后当时人们对他产生了一些误解，责备他有窃取沃拉斯顿研究成果之嫌。通过他与沃拉斯顿等人的及时交流与沟通，并公开说明自己相关研究的详细情况，不久这种误解便烟消云散了([21]，299～308页)。
至于有学者反复强调沃拉斯顿对法拉第发现电磁旋转现象产生了重要的影响([15]，424、427页等)，即便法拉第随后的一系列实验也难以支持这种观点，我们不敢苟同。
2.1.3 实现载流导线绕磁极和磁极绕载流导线的旋转
根据日记内容，在9月3日最后一条记录(参见本文表1)中(如图6所示，根据[23]，50页复制)，法拉第首次说明了他设计的实验及对载流导线绕磁极连续旋转的实验观察结果。他写道：
13.从以上所观察的运动情况来看，处于圆心的单个磁极应该能够使载流导线连续旋转。将磁针插入玻璃管中，管中装有适量的水银；借助软木塞和水等来支撑导线，以便导线上端插入银杯中的水银里，下端能够在环绕磁极的水银中移动。电池与导线连接方法如上述实验相同。通过这种方法即可观察到载流导线绕磁极旋转，旋转方向自上而下看，如图所示。非常满意，但需要制作更灵敏的仪器。([23]，50页)
结合9月3日的系列实验记录，我们知道法拉第在这项实验中将磁针插入装有水银的玻璃管，以便使其直立于盛水的盆中，将导线插入软木塞中，使其漂浮于水面之上并能够自由运动，实验装置与条目14、15所描述的相似(参见图6左下实验装置草图)。继之，9月4日法拉第改进了装置(用蜡将磁铁一端固定于盆底，使其更加稳定、直立于水盆中，整个装置在条目14、15中作了详细说明)，进一步观察载流导线绕磁极的旋转现象，得到与9月3日实验同样的结果(见图6右下和左上图)。在文章中，法拉第对9月4日改进的实验装置进行了更为详细的描述([19]，129～130页)，但没有附图，仅对实验结果辅以图示(如图7所示，根据[19]，图版Ⅱ中图4、5复制)予以说明。
完成上述实验后，从运动的相对性来说，观察磁极绕载流导线的旋转自然成为法拉第下一实验研究目标。实验方法在条目16中作了说明，并辅以多幅草图([23]，51页)。在文章中，法拉第对此项实验仅作了简短的文字描述([19]，131页)，在实验结果多幅草图中选择两幅重绘(如图8所示，根据[19]，图版Ⅱ中图6、7复制)辅助说明。
图6 条目13-14，15有关载流导线绕磁极的旋转内容及草图
图7 载流导线绕磁极的旋转示意图
图8 磁极绕载流导线的旋转示意图
应该指出的是，有学者在论述这一过程时，强调法拉第9月4日所做实验(条目14、15所述实验，参见图6中部及左下)的重要性，而忽视了它们实际上是9月3日实验(条目13所述实验)的重复和改进([15]，423～424页)。这可能是作者漏读或误读了条目13的内容，难免影响了对这一过程叙述的准确性和真实性，从而容易导致人们对法拉第发现电磁旋转现象实验过程的逻辑连贯性等问题产生一些模糊认识。倘若我们一定要指认法拉第发现电磁旋转现象的“原始实验装置”，那么它应该是条目13所描述的。至于不少学者将法拉第后来在文章中所说明的大型电磁旋转演示仪，误以为是他发现电磁旋转现象的“原始实验装置”，仅说明他们根本没有研读过《法拉第日记》而已。
事实上，这些实验总体才是法拉第发现电磁旋转现象的标志。同时，它们也很好地彰显了法拉第敏锐的观察能力和精湛的实验技能。随后他精心设计和制作电磁旋转演示仪，更体现了他精益求精的工作态度和勇于创新的科学精神。
2.2 电磁旋转实验仪的设计与制作
为了更好地演示电磁旋转现象，法拉第随后对仪器不断改进和完善。同时，为了便于他人重复实验，1822年1月法拉第又发表了《电磁旋转仪》和《演示电磁旋转运动实验仪的说明》两篇短文，既是对第1篇文章中有关电磁旋转实验的补充说明，又是电磁旋转仪的制作方法和操作指南。尤其在《演示旋转运动电磁仪器的描述》中，法拉第详细介绍了他所研制的两种电磁旋转演示仪，并分别对它们的结构附图加以说明(如图9、图10所示，根据[19]，图版Ⅳ中图1～5复制)，其基本设计思想与法拉第上述相关实验装置相似。
图9 大型电磁旋转演示仪及其组件说明示意图
图10 小型电磁旋转演示仪示意图
图9所示为法拉第设计的大型电磁旋转演示仪，并请仪器工匠纽曼(Newman)制作([19]，147页)。这种仪器的优点在于能够同时演示载流导线绕磁极旋转(参见图中仪器主体右侧)和磁极绕载流导线旋转(参见图中仪器主体左侧)，但对电池要求较高。
图10所示为法拉第设计、制作的小型电磁旋转演示仪，是根据上述日记中条目13和条目14、15所描述实验装置改进而成的，对电池要求较低，便于实验，但仅能演示载流导线绕磁极旋转现象。法拉第制作了多台这种小型演示仪送给他的同事，并随同他的文章一起寄送法国和德国等地的科学家([14]，348～349页)。这不仅有效地传播了他的物理发现和思想，促进了科学交流，也由此扩大了他在欧洲物理学界的影响。
这些实验装置、仪器的设计和制作以及系统的实验观察便构成了法拉第发现、研究电磁旋转现象的一个相对完整的过程。但对这种现象的合理解释是法拉第继续努力的目标。
在《大不列颠百科全书》的“法拉第”条目中，麦克斯韦(J.C.Maxwell，1831-1879)曾写道：
他第一个著名的发现就是实现了磁铁和载流导线的相互旋转。由奥斯特的伟大发现(1820年7月21日)可推演的结果，在1821年人们仍然以某些混乱的方式加以理解，即便最重要的科学家也是如此。[27]
无疑，对于刚刚涉足电磁研究领域的法拉第来说，对当时电磁作用的理论解释感到困扰在所难免。但是，法拉第并没有就此止步。在发现电磁旋转现象之后，他对电磁旋转及相关电磁现象作了进一步研究。
一方面，法拉第继续重复凭借写作《电磁历史概要》过程中所熟知的安培等人的实验，并努力创新实验方法，力争再有新的发现；另一方面，他将自己所观察到的实验现象与已有代表性的理论进行比照，努力探寻对自奥斯特发现以来人们所观察到的所有新的电磁作用现象作出合理的理论解释。这些后续的研究，法拉第也在《论一些新的电磁运动及磁学理论》和随后发表的《关于新的电磁运动的注记》中作了详细论述。
2.3 载流导线与磁体之间作用现象的进一步研究
在《论一些新的电磁运动及磁学理论》中，法拉第说明发现电磁旋转现象的过程和实验方法之后，他写道：
在成功地完成上述实验之后，我尽力地使载流导线和磁铁绕其自身轴旋转，而避免它们绕其对方作圆周运动。但是，没有任何迹象表明存在这种情况，这种运动似乎是绝对不可能的。③([19]，131页)
继之，法拉第则断言：“这种运动明显是由通过导线的电流或其它因素造成的，而不属于导线本身，导线仅是电流的载体。”([19]，131页)为了对此作进一步确证，同时寻求理论解释，在9月4日及随后的研究过程中，法拉第重复了安培等人所做的许多实验，并对其中的电磁作用机制作进一步探讨。
2.3.1 观察两平行载流直导线与磁极之间作用效应
在文章中，法拉第对9月4日随后所做实验及结果进行了论述。在重复安培两载流导线相互作用现象的基础上，综合上述实验结果，法拉第发现载流导线与磁极相互作用的效应类型取决于导线与磁极的不同组合方式。当单导线与磁极组合时，便产生旋转运动现象；当两导线与单磁极或单导线与两磁极组合时，便产生直线运动现象。
直线运动跟旋转运动一样，也可以通过实验加以观察。悬浮于两平行载流导线之间的磁极，在其间作直线运动(如图11所示，参见[23]，51页，条目17及附草图；根据[19]，图版Ⅱ中图8复制)。与此类似，悬浮于两磁极之间的载流导线，也在其间作直线运动(如图12所示，参见[23]，52页，条目22及附草图；根据[19]，图版Ⅱ中图10④复制)。
由此，法拉第指出：“所有现象都证明，磁极与载流导线之间不存在吸引力，仅存在圆周方向上的运动，磁铁或磁极的所有运动情形都可由此推演出来。”([23]，51页，条目17)他进而断言：“表观上所显示的吸引和排斥，仅是磁极竭力绕导线旋转的两个圆周的复合作用……”([23]，52页，条目22)这就是法拉第根据实验结果总结出的有关磁力作用的新观点，他的后续实验在不同程度上都是对此作进一步的验证。
2.3.2 观察里夫弧形载流导线与磁体之间的作用效应
9月5日，法拉第用里夫设计的仪器从事实验研究。在文章中，他描述了这种仪器([19]，135页)。这项实验结果表明磁铁使飘浮的弧形载流导线后退，转动并靠近磁铁，沿着磁铁移动到其中心。自由运动又是实验成功的关键。这种运动通过装置的水平截面图加以解释(如图13所示，根据[23]条目30、31草图复制，53页)。导线的运动是磁极与弧形载流导线中流过的两反向电流之间作用的合成效应。
图11 磁极在两载流导线作用下作直线运动示意图
图12 载流导线在两磁极作用下作直线运动示意图
图13 里夫弧形载流导线与磁铁之间的作用示意图
图14 里夫弧形载流导线在地磁作用下旋转示意图
9月6日，法拉第用类似的装置观察其在地磁作用下的运动情况。实验结果表明：“圆形导线与电池两极连接时，受到地磁作用发生偏转，止于垂直于磁子午面的平面内。”([19]，146页)实验装置如图14所示(根据[23]条目36[I]、37[I]草图复制，54页)，法拉第将弧形载流导线插入长颈瓶中，以免受到水平空气流的影响致使其不稳定，从而获得良好实验效果。
此外，法拉第还研究了螺旋等不同弯曲形状载流导线与磁极之间的作用效应，进一步探明这些作用的规律。
归纳这一系列实验观察结果，法拉第写道：
在所有这些导线与磁极之间的磁运动中，那些类似吸引和排斥作用，即那些作用发生在直线上，要求至少两个磁极和一根导线，或者两根导线和一个磁极；由于它们似乎像存在于导线和电池两极之间一样，因此具有欺骗性，或许应该分解成圆周运动。([19]，136页)
对于导线与磁极之间作用所产生的各种磁运动，法拉第将其全部归并于圆周运动或圆周运动的复合效应。这种解释虽然具有明显的唯象特征，但在当时却能够说明所有观察到的电磁作用现象。对此，他非常满意，并十分激动。正如法拉第1821年9月12日给里夫的信中说道：
我发现通常所见的磁针被载流导线吸引和排斥都是骗人的假象，这种运动既不是吸引或排斥，也不是吸引力或排斥力的作用结果，而是载流导线中一种力的作用结果。只要电池始终供电，这种作用不是将磁极拉向或推离导线，而是尽力使其绕导线作永不停息的圆周运动。我不仅从理论上成功地说明这种运动的存在，而且从实验上也实现了载流导线绕磁极任意地旋转，或磁极绕载流导线任意地旋转。磁针和载流导线所有其他的运动都能够通过这一旋转定律得以简化，这一定律简单而优美。([21]，316页；[22]，222页)
至此，法拉第认为已完成了对电磁旋转现象的实验和理论的研究工作。而载流导线在地磁作用下的旋转是一种有趣的现象，他随后对此作了进一步研究。
2.3.3 进一步观察载流导线在地磁作用下的运动情况
1821年12月21日～25日，法拉第对电磁旋转现象及相关电磁作用进行了第二个系列的实验研究，集中对载流导线在地磁作用下的运动情况作进一步观察。首先，他将一弯曲导线悬于可自由转动的玻璃棒上，使之水平、平衡，通电后他发现在地磁作用下导线绕玻璃棒转动，如图15(a)所示(根据[23]，12月21日记录草图复制，61页)。
其次，法拉第将一水平导线以丝绸线悬于天花板，两端分别浸入水银盆中，如图15(b)所示(根据[23]，12月22日记录草图复制，61页)。他发现导线通电时在水平内发生横向运动，而且其运动方向始终与导线自身垂直。由此，他得出结论认为：“这明显表示导线具有绕地极旋转的趋势。”([23]，12月22日记录，61页)
最后，在1821年的圣诞节，法拉第重复了在发现电磁旋转现象之初的9月4日所做一个类似实验。但此时他将导线倾斜悬挂，通电后在地磁作用下导线绕通过悬点的竖直轴线旋转，如图15(c)所示(根据[23]，12月25日记录草图复制，63页)。完成实验时，法拉第欣喜若狂。正如当时在实验室他的亲属巴纳德(G.Barnard)日后回忆道：
当导线开始旋转时，他突然惊叫起来：“你看到了吗？你看到了吗？你看到了吗？乔治。”导线的一端插入水银中，另一端系于水银盆中央上方。我永远不会忘记他那狂热的面部表情和闪烁喜悦的眼神！([7]，89页)
1823年1月18日～28日，法拉第再度回到电磁旋转实验研究问题之上。除了重复安培已实现的载流导体在磁极作用下绕其自身轴旋转的实验外，他还设计了近三十种不同形状的导体及导体与磁铁的不同组合的实验，进一步观察导体中的电流与磁极之间的作用效应([23]，91～95页)。这也预示着电磁作用的实验研究将会成为法拉第特别热衷的研究领域。
在《自然》杂志关于法拉第的专题纪念文章中，麦克斯韦曾写道：
在他之前，许多基本现象已经发现，电和磁的吸引与排斥，电流及其效应。……因此，当法拉第开始进入他的科学研究生涯时，电磁科学领域已经非常宽广。这个领域如此宽广，以致接受其任何一个局部的观点都应具有思想的伸展，必须特别的准备。于是，我们发现法拉第尽力从已知的任何一种电作用的源头开始入手，从而展示每一种现象。因而，建立了所有电现象本质的统一性。他的下一个目标就是形成电或电作用的概念，由此将所有电现象包含其中。([27]，358页)
图15 载流导线在地磁作用下旋转实验示意图
(a)弯曲载流导线的转动；(b)载流直导线的转动；(c)倾斜悬挂直导线的旋转
而这一目标通过法拉第随后四十多年的艰苦探索，以及许多物理学家的共同努力，最终由麦克斯韦建立电磁场理论才得以实现。
3 结论与讨论
通过对法拉第的论著、实验日记和书信等相关文献的仔细分析，我们就能够对他发现电磁旋转现象的过程及相关问题获得更为清楚的认识。
(1)1821年7月～9月间撰写的《电磁历史概要》，是法拉第系统研究电磁作用现象之滥觞，对其随后从事电磁实验研究并作出一系列发现起到重要的奠基作用。法拉第1821年9月3日开始从事电磁实验研究，是从重复奥斯特实验观测磁极在载流导线受吸引和排斥的位置着手，逐步认识到磁极与载流导线之间的相互作用能够使它们绕其对方转动，从而发现电磁旋转现象。因此，奥斯特的相关实验对法拉第的这项研究产生了直接的引导作用。但是，即便如此，法拉第能够发现电磁旋转现象，其主要因素应归之于他精湛的实验技能和敏锐的观察力。在评述奥斯特的发现时，法拉第曾说：“毫无疑问，任何人如果阅读了这个哲学家作出发现前后的论著都会感到，与其说他的理论引导实验，不如说他的实验引导理论。”([18]，107页)从1821年开始，在终其一生有关电磁现象的研究过程中，法拉第自己又何尝不是如此呢！
(2)从观测磁极受载流导线吸引和排斥作用的位置、探明载流导线绕磁极或磁极绕载流导线的转动，到实现载流导线绕磁极和磁极绕载流导线的旋转以及电磁旋转实验仪的设计与制作，这一系列实验设计和研究是法拉第发现电磁旋转现象的重要标志。人们通常将这些实验中的某项实验或实验装置看作是法拉第发现电磁旋转现象的标志，这些看法失之偏颇。我们认为，这一系列实验设计和结果整体才是法拉第对电磁旋转及相关电磁作用研究早期所取得的重要成果。而包括奥斯特发现及其后许多科学家的一系列相关研究工作，整体构成了1821年7月法拉第写作《电磁历史概要》及开始对电磁作用现象进行系统研究的前提和背景。
(3)尽管在1821年9月3日～10日及随后的有关电磁作用的研究过程中，法拉第重复了奥斯特和安培等人所做的许多实验，但无从谈起这些科学家有关电磁作用的理论对法拉第发现电磁旋转现象及随后实验的研究产生了直接的影响。在《论一些新的电磁运动及磁学理论》一文的最后，法拉第曾写到：“上述试图对一些电磁运动进行解释，并说明电与其他磁铁之间的关系时，我未曾想采用任何磁力产生原因的理论，也未曾想反对任何理论。”([19]，145页)就安培相关理论而言，在1821年9月12日给里夫的信中，法拉第还说道：
安培的实验是精彩的，理论是富有创造性的。而在收到您的来信之前，对于其理论我自己思索甚少。原因很简单，我认为，在缺少大量实验事实证据时，(我们)自然应对这些哲学理论抱怀疑态度。从那以后，我专心从事这个主题的研究，研究论文一、两周内将在我们‘学院期刊’上发表。其中包含的实验安培可以用于对他理论的直接支持，比他自己的实验更有说服力。([21]，315页；[22]，222页)
诚然，我们不得不承认在科学发现背后的思想与发现者事后对科学发现过程的追述之间总是存在某些“豁缝”)[28]。但是，在对法拉第的日记、论著和书信等多种文献进行认真比对的基础上，我们还是可以对他关于电磁旋转现象发现过程的自述作出合理的判断的。总而观之，那些认为“法拉第在安培理论和沃拉斯顿理论之间的左右逢源……”和“安培和沃拉斯顿的理论与观点都对法拉第的研究产生了重要影响……”([15]，425、427页)等诸如此类的论述，都是缺乏充分史实依据的，令人难以置信。
(4)在对法拉第研究电磁旋转及相关电磁作用现象过程的考察中，我们深深体会到法拉第日记及其论著不仅具有很高的科学史文献价值，而且还具有独特的科学教育价值。法拉第既对自己的实验研究过程认真记录，还对所有记录进行仔细的整理。在去世前他自己就已将日记六卷装订成册([23]，vii页)，为后人的编辑、出版提供了很大的方便，这在科学史上是极为罕见的。尤其是，正如有学者对法拉第遗存的日记和笔记进行系统研究之后，指出：
当法拉第积极从事《日记》中信息的整理工作时，其目的往往并非仅在于整理笔记本身。他拼盘式的整理还另有目的，即对自己理解一些物理过程顺序进行归整和梳理。[29]
正因为如此，今天的人们才能够更好地重复他所做过的实验，并带领学生亲历其科学发现的曲折过程，获得良好的教育效果([11]，[14])。而法拉第整理的日记、笔记和依此撰写的专题论文，不仅为后辈物理学家树立了科学研究的楷模，而且直接为麦克斯韦建立电磁场理论奠定了坚实的实验基础。麦克斯韦在其1873年出版的《电磁通论》前言中，曾充满深情地写道：
学习任何课题，阅读有关该课题的原始论著总是大有好处的，因为科学总是当它处于新生状态时得到最完全的消化的。在法拉第的《研究》事例中，这是比较容易的，因为那些研究是分开发表的，从而可以依次阅读。如果我通过所写的任何东西可以帮助任一学生理解法拉第的思想模式和表达模式，我就将认为那是我的主要目的之一得以完成——那目的就是把我自己在阅读法拉第的《研究》时所感到的同样的喜悦传播给别人。[30]
致谢 王洛印博士惠赠其博士学位论文《法拉第的电磁学实验研究——根据(法拉第日记)进行的分析》和王元春女士从美国代购新版的《法拉第日记》，对本文写作提供了很大的帮助；审稿专家对本文初稿提出了许多宝贵的意见，对本文的修改和完善起到重要的指导作用；特此致谢。
注释：
①文献[15](421页，426页)将此系列实验开始时间写为1823年1月23日，疑为误读。
②鉴于文献[15]对这些草图全部复制，并作了较为详细的说明，在此不再重复。下文图5、7、8情况类似。
③正如前文所述，法拉第此时才论及沃拉斯顿的实验及日记条目7～12等实验内容，是对9月3日～4日实验过程的一种逻辑重构。
④应该指出的是，此图是法拉第根据日记条目22侧边草图绘制，仅运动方向标注有所改变。遗憾的是有的学者将其误读为两载流导线对磁极作用效果的说明示意图([15]，425页，图12)。