第53章 电磁感应

  孟川走进教室时，手里提着一个木箱。他将木箱放在讲台上，打开，里面是精心准备的实验器材：一个绕了数百匝漆包线的线圈、一根条形磁铁、一个灵敏电流计、几段导线。

  “同学们，”孟川的声音在安静的教室里响起，“上节课我们留下了一个悬念——如何不用电池，也能获得电流？”

  他拿起磁铁和线圈：“今天，我们就来揭开这个谜题。”

  天幕在这一刻亮起，万朝天穹下，无数双眼睛瞬间聚焦。

  秦，咸阳宫密室。

  嬴政罕见地放下了手中的政务，与蒙恬、李斯等人一同坐在特设的“观天室”内。这间密室三年前建成，专门用于观测天幕、记录天理。墙上挂满了三年来的笔记和草图——杠杆原理、滑轮组、牛顿三定律、电荷的发现等内容。

  此刻，所有人的目光都紧盯着天幕中孟川手中的磁铁和线圈。

  “磁石，”嬴政沉声道，“此物我大秦军中亦有，用以辨方向、查铁器。然则，如何能生电？”

  蒙恬躬身道：“陛下，三年前孟先生讲磁石时，曾言其有南北两极，同性相斥、异性相吸。但其与电之关联却为明言。”

  他没有说下去，因为天幕中，孟川已经开始演示。

  “我们先做一个最简单的实验。”孟川将线圈两端连接到灵敏电流计上，形成一个闭合回路。

  电流计的指针停在中央零刻度位置。

  “看，线圈没有连接任何电源，电流为零。”孟川拿起条形磁铁，“现在，我把磁铁的N极，快速插入线圈——”

  他做了。

  就在磁铁插入线圈的瞬间，电流计的指针猛地向右偏转了一下，然后迅速回到零位。

  教室里响起一片低低的惊呼。

  孟川将磁铁静止在线圈中：“磁铁不动时，指针回零，没有电流。”他缓缓拔出磁铁，“现在，我快速拔出——”

  指针又动了，这次向左偏转，然后归零。

  孟川重复了几次，每次插入或拔出时，指针都会偏转，但方向不同。

  “实验现象很明确，”孟川总结道，“当磁铁与线圈有相对运动时，线圈中会产生电流。但一旦相对运动停止，电流就消失。而且，插入和拔出时，电流方向相反。”

  他在黑板上写下关键观察：

  相对运动 → 产生电流

  运动停止 → 电流消失

  运动方向改变 → 电流方向改变

  “这个现象，在历史上被称为电磁感应。”他在黑板上写下这四个字，“是英国科学家法拉第在1831年发现的。那么，为什么会发生电磁感应呢？”

  他擦掉部分板书，开始画原理图。

  “关键概念是——磁通量。”孟川画出穿过线圈的磁感线，“我们可以把磁感线想象成一根根‘磁力线’。穿过线圈的磁感线条数，就是磁通量。”

  他画出磁铁远离线圈时的情况：“磁铁离得远，穿过线圈的磁感线少，磁通量小。”

  然后画出磁铁插入线圈的情况：“磁铁插入，更多磁感线穿过线圈，磁通量大。”

  “法拉第发现，”孟川写下定律，“当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势，从而产生感应电流。感应电流的方向，总是要阻碍引起它的磁通量的变化。”

  这就是著名的法拉第电磁感应定律和楞次定律。

  孟川用动画演示：磁铁插入时，磁通量增加，产生的感应电流会建立一个磁扬，这个磁扬方向与磁铁的磁扬方向相反，以“阻碍”磁通量的增加。

  “所以插入时电流是一个方向，”他画出电流方向，“拔出时，磁通量减少，感应电流会建立一个磁扬，方向与磁铁磁扬相同，以‘阻碍’磁通量的减少。所以拔出时电流方向相反。”

  宋，汴京万象书院。

  沈括听到“磁通量变化”时，手中的笔停了下来。

  “磁通量，”他反复咀嚼这个词，“磁感线还有穿过线圈的条数。”

  他在纸上画了一个圈，想象有无数条看不见的线从磁石发出，穿过这个圈。

  “磁石动，穿过圈的线就变多或变少，”沈括试图理解，“这‘变化’，就是关键。”

  但他遇到了认知的壁垒。

  “可这‘磁感线’是什么？”沈括皱眉，“是实际存在的线吗？还是只是为了理解而想象的？”

  如果是想象的，那为什么想象出来的“线”的数量变化，就能产生真实的电流？

  如果是实际存在的，那它是什么东西？怎么测量？怎么看见？

  沈括感到一阵眩晕。三年来，他学习的天幕知识，大多能通过实验直接或间接验证。但“磁感线”它看不见摸不着，只是一个概念模型。

  “孟先生说‘想象成一根根线’，”沈括自语，“这就是说，它不是真线，而是帮助我们思考的工具。”

  他明白了，但要完全接受这个“工具”，还需要时间。就像一个人习惯了用实物计算，突然要他接受“负数”的概念——虽然有用，但违背直觉。

  “那么，如何增大感应电流呢？”光幕中，孟川开始讲应用。

  他做了几组对比实验：

  缓慢插入磁铁 vs 快速插入磁铁

  弱磁铁 vs 强磁铁

  线圈匝数少 vs 线圈匝数多

  实验结果显示：运动越快、磁铁越强、线圈匝数越多，产生的感应电流越大。

  “总结规律，”孟川写下公式：

  感应电动势 ε = -n ΔΦ/Δt

  “其中n是线圈匝数，ΔΦ是磁通量变化量，Δt是变化时间。负号表示方向，遵循楞次定律。”

  他解释道：“这个公式告诉我们，要获得更大的感应电流，可以：增加线圈匝数、使用更强的磁铁、让磁通量变化更快。”

  然后，孟川开始演示一个更精巧的实验——手摇式发电机。

  那是一个带有摇柄的装置，转动摇柄时，内部的线圈在磁铁中旋转，产生的电流点亮了一个小灯泡。

  “看，通过持续不断的相对运动，”孟川匀速摇动手柄，“我们就能获得持续的电流，点亮灯泡。”

  灯泡发出稳定而柔和的光芒。

  “这就是发电机的雏形。”孟川说，“通过机械能——我手臂的动能——驱动线圈在磁扬中旋转，磁通量持续变化，就产生了持续的电流。机械能转化成了电能。”

  他停下来，灯泡熄灭。

  “但是，这个发电机产生的电流，方向是周期性变化的。”孟川画出电流随时间变化的曲线——一个起伏的波形，“因为线圈每转半圈，穿过它的磁通量变化方向就反过来，所以电流方向也跟着反过来。”

  “这种大小和方向都周期性变化的电流，我们称之为交变电流，简称交流电。”孟川写下“AC”两个字母，“而我们之前电池产生的、方向不变的电流，叫直流电，DC。”

  天幕恰到好处地开始黯淡。

  孟川最后的话语在万朝时空中回荡：

  “今天我们看到，机械运动可以产生电。但这只是开始——下节课，我们将看到，如何大规模地、高效地产生可以照亮千家万户、驱动各种机械的电流。”

  “从手摇式发电机，到蒸汽机驱动的发电站，人类将掌握一种全新的能量转换方式。”

  万朝天穹下，一片茫然与震撼交织的寂静。

  秦，咸阳宫。

  嬴政沉默良久，缓缓道：“李斯，你听懂了么？”

  李斯躬身，额角渗出细汗：“陛下，臣、臣只听懂了三成。磁铁与线圈相对运动，可生电。但其中原理却不慎了解。”

  “蒙恬呢？”嬴政转向大将军。

  蒙恬苦笑：“陛下，臣只知，若此理为真，则我大秦或可不用火把，而用电灯。但如何实现，那线圈绕法、磁铁强度、转动速度，皆有讲究，臣不甚明了。”

  嬴政看着天幕最后定格的画面——那个被手摇点亮的小灯泡。

  “但孟先生说了，”皇帝的声音低沉，“此乃‘发电机’之雏形。机械能可转为电能。”

  他站起身，走到密室墙边，看着上面挂着的三年来所有的天理笔记。

  “三年前，朕令尔等研习天理，多有成果：改良弩机、改进农具、精算历法。”嬴政转身，目光如炬，“然今日所见，方知从前所得，不过皮毛。”

  “这‘电磁感应’，这‘发电机’，”嬴政缓缓道，“才是真正改天换地之力。”

  李斯与蒙恬对视一眼，都看到对方眼中的震惊——陛下对此事的重视，已远超从前。

  明，南京天工院。

  宋应星坐在案前，面前铺开的纸上，画满了线圈、磁铁、箭头的草图。

  “磁通量变化，”他喃喃自语，“为何变化就能生电？”

  这是他无法跨越的认知鸿沟。他可以理解杠杆省力，因为那是可见的；可以理解电荷相斥，因为能通过实验感受到。但“磁通量变化产生电流”其中的因果联系，他抓不住。

  就像一个古人看见两块磁石隔着纸还能相吸，会觉得那是“神通”。宋应星此刻的感受类似——他知道现象是真的，但不懂为什么。

  “院正，”一位年轻的研究员小心翼翼地问，“咱们要试着做那个‘手摇发电机’吗？”

  宋应星沉默许久，缓缓点头：“做。虽不懂其理，但可仿其形。”

  他站起身，对院中所有人说：“孟先生演示了，线圈、磁铁、转动，三者结合，可得电光。我等不必完全明白‘为何’，但可先学会‘如何’。”

  “从今日起，”宋应星下令，“天工院分三组。一组专攻磁石提纯与强化；一组专攻铜丝精炼与线圈绕制；一组专攻转动机构设计。”

  “我们或许造不出孟先生那么精巧的装置，”他看着众人，“但我们可以造出我们自己的、粗糙的‘发电机’。一次不行就十次，十次不行就百次。”

  光幕已经消失许久，但冬日的寒风中，一种焦灼的渴望在蔓延。

  所有人都在等待——等待下一次天幕亮起，等待孟先生揭开更多的秘密，等待那道照亮千古长夜的光，真正降临人间。

  而他们不知道，下一次，孟川要讲的，将是改变整个世界的力量。