物理學(xué)家的技術(shù)發(fā)明案例分析——法拉第發(fā)明電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的啟示

劉家岡 李俊清 王本楠

（1北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

（2中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100083）

自20世紀(jì)30年代美國北部達(dá)拉斯大學(xué)克勞福德提出“特性列舉法”，并首次在大學(xué)開設(shè)創(chuàng)造思維類課程，從而建立創(chuàng)造學(xué)以來，國際國內(nèi)創(chuàng)造學(xué)界在創(chuàng)造哲學(xué)、創(chuàng)造心理、創(chuàng)造思維、創(chuàng)造原理和創(chuàng)造技法等方面展開了深入研究［1］.創(chuàng)造學(xué)居高臨下，將人類創(chuàng)造史中豐富的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律納入自己的理論體系，并對如何進(jìn)行人的創(chuàng)造性開發(fā)獲得了很多積極成果.

特別是，創(chuàng)造學(xué)提倡的發(fā)散思維，主張不受過去知識的束縛，不受已有經(jīng)驗(yàn)的影響，從各個(gè)不同甚至是不合常規(guī)的思路去思考問題.主張不受任何框架、模式的約束，從而突破傳統(tǒng)觀念和習(xí)慣勢力的禁錮，從新的角度認(rèn)識問題，以新的思路、新的方法解決現(xiàn)實(shí)難題或創(chuàng)造更好、更美的事物.認(rèn)為發(fā)散思維是構(gòu)成創(chuàng)造性思維的主導(dǎo)成分［2］.

無疑，發(fā)散性思維，以及創(chuàng)造學(xué)其他成果，為許多現(xiàn)實(shí)問題提供了很好的解決途徑，也為發(fā)明家提供了有力的思維工具.確實(shí)是創(chuàng)造學(xué)重要的原則.

但另一方面，作者認(rèn)為，創(chuàng)造學(xué)現(xiàn)有的理論，包括發(fā)散思維，對許多歷史上的發(fā)明案例，特別是利用科學(xué)原理進(jìn)行技術(shù)發(fā)明的重大案例的解釋，還不夠確切，或者說，還不能完全概括，沒有抓住事物的本質(zhì)，對許多案例的描述，總有一種隔靴撓癢的感覺.種種現(xiàn)象表明，創(chuàng)造學(xué)現(xiàn)有理論需要作進(jìn)一步發(fā)展.

如何發(fā)展？我們認(rèn)為不是居高臨下，不是從哲學(xué)、心理、思維和原理出發(fā)，去歸納實(shí)際現(xiàn)象和實(shí)際過程.而應(yīng)該從下往上，從基礎(chǔ)做起，從個(gè)案做起，分析主要的歷史案例，看看發(fā)明家和科學(xué)家到底是怎樣想的，追尋他們真實(shí)的創(chuàng)造過程，并從中歸納出創(chuàng)造學(xué)新的基本規(guī)律.

法拉第（M.Faraday）是19 世紀(jì)的偉大科學(xué)家，在電磁學(xué)史上，有許多基礎(chǔ)性的重大理論貢獻(xiàn).尤其是，他不僅在理論上有許多貢獻(xiàn)，而且還是發(fā)明家，有許多重大發(fā)明，值得我們?nèi)フJ(rèn)真研究［3～5］.本文試圖從法拉第發(fā)明世界上第一臺電動(dòng)機(jī)和第一臺發(fā)電機(jī)的過程，分析他的真實(shí)發(fā)明過程，總結(jié)相應(yīng)的創(chuàng)造學(xué)規(guī)律.

1 電動(dòng)機(jī)的發(fā)明

1820年，奧斯特（H.C.Oersted）發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，而后建立了畢沙拉（Biot－Savart－Laplace.）定律和安培（A－M.Ampere）定律.這些激動(dòng)人心的科學(xué)進(jìn)展，使得思想敏銳的法拉第由此前的主要做化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，轉(zhuǎn)而進(jìn)入電磁學(xué)的研究領(lǐng)域［3］.

1821年9月，法拉第重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電流對磁極有橫向作用力，使之有繞電流作圓周運(yùn)動(dòng)的傾向.根據(jù)這個(gè)效應(yīng)，法拉第設(shè)計(jì)制造了一個(gè)磁棒繞通電導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)和通電導(dǎo)線繞磁棒旋轉(zhuǎn)的對稱實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1）.圖1中，左邊的導(dǎo)線固定，當(dāng)導(dǎo)線與水銀接觸而有電流通過時(shí)，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生了環(huán)形磁場，使得可動(dòng)磁鐵繞導(dǎo)線不停轉(zhuǎn)動(dòng)；右邊的磁鐵固定在水銀槽里，當(dāng)可動(dòng)導(dǎo)線接觸水銀表面而有電流通過時(shí)，因?yàn)榉醋饔?，使得?dǎo)線也不停地轉(zhuǎn)動(dòng)起來［3］.

圖1 法拉第的電磁旋轉(zhuǎn)裝置示意圖

法拉第的這個(gè)“電磁旋轉(zhuǎn)”實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，成為人類歷史上第一臺電動(dòng)機(jī).此后的各類直流電動(dòng)機(jī)，雖然在結(jié)構(gòu)上有了很大的變化，但原理卻沒有本質(zhì)區(qū)別［3］.

案例分析：

1）首先是奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，法拉第重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電流對磁極有橫向作用力，使得小磁鐵有繞電流作圓周運(yùn)動(dòng)的傾向.正是電流的這個(gè)效應(yīng)，使得法拉第想到去挖掘它的潛力，實(shí)現(xiàn)了這個(gè)電能變機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)裝置，發(fā)明了世界上第一臺電動(dòng)機(jī).我們把這個(gè)創(chuàng)造技法稱作“效應(yīng)潛力挖掘法”.

2）為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)效應(yīng)，建立這個(gè)電磁旋轉(zhuǎn)裝置，需要一定的條件，既要有形成電流的回路，又要有可以旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)體和磁棒，法拉第采用了如圖1所示的水銀杯和懸掛結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)這個(gè)條件.這是“條件的實(shí)現(xiàn)”創(chuàng)造技法.在后來的年月里，電動(dòng)機(jī)在各個(gè)方面獲得了巨大改進(jìn)，例如用電磁鐵代替永久磁鐵，這樣就獲得了更加強(qiáng)大的磁場；用多匝線圈代替單根導(dǎo)線，可以得到更大的力矩，等等.我們統(tǒng)稱之為“條件實(shí)現(xiàn)改進(jìn)法”.

2 發(fā)電機(jī)的發(fā)明

1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了變化磁場能夠在封閉電路中產(chǎn)生電動(dòng)勢，就是著名的電磁感應(yīng)現(xiàn)象.他當(dāng)時(shí)總結(jié)出五種情況下，即變化的電流、變化的磁場、運(yùn)動(dòng)的恒定電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵、在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體，會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流［3，4］.

法拉第用一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓盤置于磁鐵的磁場中，并用電流表測量圓盤邊沿（A）和軸心（O）之間的電流（如圖2）.實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，電流表發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，證實(shí)回路中出現(xiàn)了電流.也就是說實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這是歷史上第一臺發(fā)電機(jī).

圖2 法拉第圓盤發(fā)電機(jī)原理圖

這里我們提一個(gè)有趣的、有關(guān)創(chuàng)造思維的問題：究竟法拉第是怎么想的，他為什么會把發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)成在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體圓盤？因?yàn)榘凑宅F(xiàn)在的觀點(diǎn)，那不一定是最好的方案.

應(yīng)該說這和法拉第的研究經(jīng)驗(yàn)有關(guān).

1822 年，法國物理學(xué)家阿爾果（D.F.J.Arago）曾經(jīng)做了一個(gè)非常著名的圓盤實(shí)驗(yàn)，他用一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓盤和一個(gè)與之不接觸的小磁鐵實(shí)現(xiàn)了互動(dòng)：磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)圓盤作異步且滯后的旋轉(zhuǎn)；圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)也可帶動(dòng)小磁鐵旋轉(zhuǎn)，也是異步、滯后的.當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家試圖解釋這個(gè)現(xiàn)象，但都沒有成功［3，4］.

法拉第也一直很關(guān)注阿爾果的圓盤實(shí)驗(yàn)，被他稱為“非凡的實(shí)驗(yàn)”.直到1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，才成功地對其給出了正確解釋.法拉第認(rèn)為，在阿爾果的圓盤實(shí)驗(yàn)中，是小磁鐵的磁場，使得作相對運(yùn)動(dòng)的圓盤中的磁場發(fā)生變化，進(jìn)而在圓盤中出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又產(chǎn)生了磁場，這個(gè)磁場與小磁鐵的磁場相互作用，才出現(xiàn)了圓盤和磁鐵的互動(dòng)，而且是異步、滯后的［3］.

有了對阿爾果圓盤實(shí)驗(yàn)研究的經(jīng)驗(yàn)，法拉第很自然會想到，在磁場里運(yùn)動(dòng)的金屬圓盤會出現(xiàn)電動(dòng)勢，既然有電動(dòng)勢，用兩個(gè)電極把它們引出來就行了.實(shí)際上，法拉第正是這樣做的，他通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)電極接觸圓盤的轉(zhuǎn)軸（O），另一個(gè)電極接觸圓盤邊沿（A），這時(shí)有最大電流.法拉第的圓盤發(fā)電機(jī)就這樣產(chǎn)生了.

案例分析：

1）法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，指出變化磁場會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.作為定律的發(fā)現(xiàn)者，法拉第非常敏感地意識到，這個(gè)效應(yīng)具有開發(fā)成發(fā)電機(jī)的潛力.于是法拉第根據(jù)電磁感應(yīng)定律發(fā)明了世界上第一個(gè)發(fā)電機(jī)，這體現(xiàn)了“效應(yīng)潛力挖掘法”.

2）法拉第之所以把發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)成圓盤發(fā)電機(jī)，是因?yàn)榘柟麍A盤實(shí)驗(yàn)顯示，在磁場中旋轉(zhuǎn)的金屬圓盤內(nèi)應(yīng)該有感應(yīng)電動(dòng)勢存在，只要用兩個(gè)電極把電動(dòng)勢取出來就行了.這就是“條件的實(shí)現(xiàn)”創(chuàng)造技法.后來的發(fā)電機(jī)，又進(jìn)行了金屬圓盤改為線圈，水平電磁鐵改為轉(zhuǎn)動(dòng)電樞，勵(lì)磁方式改為混激式、自激式和自饋式［5］等方面的改進(jìn)，都體現(xiàn)了“條件實(shí)現(xiàn)改進(jìn)法”.

3）在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)后來的改進(jìn)過程中，都使用了多匝線圈.這個(gè)技術(shù)改進(jìn)增加了“磁鏈數(shù)”，使得安培電流的磁效應(yīng)和電磁感應(yīng)的效應(yīng)大大增強(qiáng).此外在電磁鐵里普遍采用軟鐵芯，使得磁場強(qiáng)度極大增強(qiáng)［5］.我們把這種利用某種結(jié)構(gòu)、某種材料來增強(qiáng)效應(yīng)的方法，稱作“效應(yīng)倍增法”.

3 討論

1）本文根據(jù)法拉第發(fā)明電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的案例分析，提出的“效應(yīng)潛力挖掘法”、“條件實(shí)現(xiàn)改進(jìn)法”和“效應(yīng)倍增法”三條創(chuàng)造技法，適用于利用科學(xué)原理進(jìn)行技術(shù)發(fā)明的場合.

2）法拉第作為物理學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)電流對磁極有橫向作用力，使得小磁鐵有繞電流作圓周運(yùn)動(dòng)的傾向，還發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律.但是他沒有僅僅停留在自然規(guī)律的發(fā)現(xiàn)上，而是非常敏感地認(rèn)識到，這個(gè)定律的效應(yīng)有開發(fā)成電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的巨大潛力.于是他又扮演起發(fā)明家的角色，立刻投入到電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中去.當(dāng)然，作為物理學(xué)家，他不一定要去開發(fā)實(shí)用性的機(jī)械，而只需要研制出原理性示范機(jī)器、能夠?yàn)楹笕酥赋龇较蚓涂梢粤?

3）從自然科學(xué)的基本規(guī)律發(fā)現(xiàn)，到開發(fā)它的效應(yīng)潛力，發(fā)明相應(yīng)的機(jī)械，是需要機(jī)遇的.法拉第自己發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，并且第一時(shí)間挖掘它的效應(yīng)潛力，發(fā)明了世界第一臺發(fā)電機(jī).如果錯(cuò)過了這個(gè)最佳時(shí)機(jī)，再想要去找機(jī)遇，就很困難了.當(dāng)然，效應(yīng)的潛力是多方面的，你還可以去挖掘它的其他應(yīng)用潛力.對于電磁感應(yīng)定律，還有很多其他應(yīng)用，變壓器、自感線圈、互感線圈、電磁鐵、諧振線圈等等.電流的磁效應(yīng)本是奧斯特發(fā)現(xiàn)的，但被法拉第首先抓住了它的效應(yīng)，首先發(fā)明了電動(dòng)機(jī).應(yīng)該說，法拉第有非常高的敏感性和自覺性.

4）“條件實(shí)現(xiàn)改進(jìn)法”，在本文案例中似乎也可以換作“缺點(diǎn)列舉法”［1，2］.但后者比較籠統(tǒng)，可以指一切缺點(diǎn)，包括外觀、花色等等；而前者所指比較明確，是專指實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)“效應(yīng)潛力”所需要的條件，有更強(qiáng)的指向性和可操作性.本文案例中是如何增強(qiáng)磁場，如何增加電動(dòng)勢或力矩，如何整流成直流電等等.

［1］李建軍.創(chuàng)造發(fā)明學(xué)導(dǎo)引［M］2版.北京：中國人民大學(xué)出版社，2009

［2］魯克成，羅慶生.創(chuàng)造學(xué)教程［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，1997

［3］陳秉乾，舒幼生，胡望雨.電磁學(xué)專題研究［M］.北京：高等教育出版社，2001

［4］陳秉乾，王稼軍.電磁學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2003

［5］胡顯章，曾國平.科學(xué)技術(shù)概論［M］2版.北京：高等教育出版社，2006