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第10章 法拉第(1)

法拉第是19世纪伟大的物理学家和化学家,他在化学、电化学、电磁学、电力和通讯工程等很多领域都做出了重大贡献。英国著名电学史专家莫特雷对法拉第做了这样的评价:“法拉第的一生,是通过他的坚忍不拔的意志和努力,克服自身和教育上不寻常的障碍而获得辉煌成就的极好榜样……”

(一)贫寒的出生

1791年9月22日,法拉第出生于英国萨里郡的一个铁匠家庭里。1796年全家迁到伦敦。由于家境贫寒,仅靠父亲一个人维持全家生活,所以法拉第只受过最基本的初等教育。

法拉第自己说过:“我所受的教育是最平常的,比在普通的日校中基本的读、写、算多不了多少,我课外的时间都消耗在家里和街道上。”

1804年,十三岁的法拉第在一家书店兼装订厂当童工,第二年转为装订学徒工。

浩瀚的书海给他打开了知识的宝库,他在业余时间里阅读了大量的书籍,既有像《天方夜谭》那样的文艺书籍,也有像《大英百科全书》、《化学对话》等科技毫籍,特别是《大英百科全书》中的“电学”条目,引起了,法拉第探寻学问的极大兴趣,成为他研究电学问题的第一个人门向导。按着书中的描述,法拉第在自己狭小的住处里添置了极简单的化学、电学设备,自己动手做一些较简单的化学和电学的实验。

慢慢地,法拉第的头脑像一块巨大的海绵,贪婪地吸取着知识。他读了很多书,像莎士比亚的《哈姆雷特》、《李尔王》,还有《一千零一夜》,都让他大饱眼福。不过,最吸引法拉第的是《大英百科全书》中讲的那些电的现象和《化学漫谈》中讲的那些化学实验。法拉第被迷住了。

拿一根玻璃棒在毛皮上摩擦几下,玻璃棒就能吸引纸屑,这就是电。这个他知道,他在别的书上看到过而且自己也试验过小小的电的吸引力。可是现在《大英百科全书》上说,可以把这些细微的电一点一滴地贮存起来,贮存多了就可以“啪”地一下放出一个火花,像天上的雷鸣、闪电一样。在自己家里就可以制造出雷声和闪电,真是太有趣了!

还有,《化学漫谈》中说,只要把一片铜片和一块锌片浸在盐水里,就能做一个伏打电池,使电源源不断地流动起来。用许多伏打电池串联起来,就能使水分解成两种气体,而这两种气体混合在一起,一点火,又会“轰”的一声爆炸,重新再变成水。啊!电,化学,太神奇了。

从此以后,法拉第经常到外面捡些旧瓶子之类的,统统用于实验。他把书上的每个实验都做了一遍,亲眼看到那些神奇的现象在自己眼前出现。科学引起了法拉第浓厚的兴趣,各种实验的操作培养了法拉第极强的动手实验能力,这些都为他以后从事科学研究打下了初步的基础。

逐渐地,他身边的书已经不能满足他的要求了,他开始去追寻更深奥的知识。

(二)步入科学的殿堂

1812年,七年学徒期满,法拉第成为一名技术工人。就在这一年,法拉第有幸聆听了大化学家戴维(1778—1829)在皇家研究院的四次讲座,受益匪浅。

法拉第坐在皇家学会富丽堂皇的大厅里。阶梯形的大厅里座无虚席,谁也没注意第7排中间位置上的法拉第。他穿得很旧,薄呢大衣早已磨得露出经纬,和满厅的听众相比,他显得很寒酸。

马蹄形的大讲台旁边,正站着一个漂亮的中年人,他讲得那么轻松,却又那么透彻,他精神抖擞,神采奕奕;天才的光华和势热力,似乎正从他的身上向外辐射。

他是戴维教授,当时英国科学界的巨子。他23岁时就被任命为皇家学会化学教授。他还不到25岁就当选为皇家学会会员,两年后又获得英国皇家学会的的最高荣誉——柯普莱奖。现在,戴维教授已成为皇家学会的灵魂。由于他的努力,虽然只有33岁,已经赢得了崇高的国际声誉。他对于氯气的研究,他所发现的钠和钾,给全世界留下了深刻的印象。

法拉第被迷住了,激动得有些发抖的手正用笔飞快地记录着戴维教授的每一句话、每一个字的意图。周围的人觉得他挺可笑,那么认真干什么,听听不就行了吗!

然而,人们没有想到,这以后不久,这个贫寡的青年成了戴维的得力助手,更没想到他最终成为一代伟大的科学家。

戴维教授的讲演开拓了法拉第的视野,法拉第连续听了4次戴维教授的讲演。法拉第被戴维的魅力深深地吸引住了,决心把自己的一生献给科学事业。出于对科学和大科学家的虔诚,法拉第认真地把戴维教授的4次讲演纪录整理好,配上精致的插图,并精心地装订成册,书脊上用烫金字写着“亨·戴维爵士讲演录”。

出于对科学的向往,法拉第鼓起勇气给皇家学会会长约瑟夫·班克斯爵士写了一封求职信,表示愿意到皇家学会来工作,不管干什么都行,只要是为科学服务,他就满足了。然而,他只得到了班克斯爵士的一个仆人的一句话:“不予回复!”

当时,命运决不愿对穷苦出身的人露出笑脸,它永远是一副威严、凶恶的面孔,叫你对它屈服、膜拜。然而,法拉第决不屈从命运,他顽强地与之搏斗。

不久,戴维在一次化学实验中意外受伤,视力也受到影响。昕到这个消息后,法拉第给戴维写了一封信,除了问候戴维之外,又将自己在听戴维讲演时所做的笔记装订成册,共计386页,也一起寄给了戴维。

戴维被法拉第的认真勤奋精神所感动。从1813年开始,法拉第成为皇家研究院的一名助理实验员。1813年10月,作为戴维助手,法拉第陪同戴维夫妇到欧洲大陆访问旅行。11月到达法国巴黎,物理学家安培(1775—1836)接待了戴维和法拉第,并给戴维赠送了碘的样品,请求戴维鉴定。碘最早是库尔图瓦(1771—1838)在1810年发现的,但他弄不清碘是一种什么类型的物质。德索尔麦(1777—1862)错误地把它当作一种混合物。

戴维在巴黎即席化验,结果证明碘是一种类似于氯的元素。碘元素的发现给法拉第以深刻的启迪,使他认识到每一项发现的背后,还有更深刻的内涵没有被发现。库尔图瓦由于自满,德索尔麦由于粗心,均没有得到正确的结论。法拉第在12月7日的日记中写道:“这个物质的发现,应当促进人们去考察现代化学家的思想方法。它证明,科学领域中被认为完全理解了的那些部分,实际上并不一足已被彻底理解。”

法拉第陪同戴维夫妇访问了欧洲大陆的法国、德国、意大利、瑞士等多个国家,历时一年有余,于1815年3月返回伦敦。这次访问旅行,使法拉第开阔了眼界,增长了才干,并结识了一批著名学者,为他此后50余年的科学研究工作打下了坚实的基础。1816年,在戴维指导之下,法拉第发表了第一篇论文,题目是“多斯加尼本土生石灰的分析”。从此以后,法拉第便开始了独立的科学研究工作。

(三)法拉第与力线

1820年,丹麦物理学家奥斯特(1777—1851)发现了电流的磁效应,此后,在欧洲大陆掀起了轰轰烈烈的电磁学研究热潮。1821年,英国《哲学杂志》编辑请法拉第写一篇关于电磁学问题的述评文章,这件事导致了法拉第在整理电磁学文献时,亲自做了许多实验,胡括奥斯特和安培的实验。

在实验过程中,他发现了一个相现象:如果在固定的载流导线附近只有磁铁的一个极,磁铁就会围绕载流导线旋转,这就是电磁旋转现象。在1821年圣诞节期间,法拉第将此装置做了公开演示,获得好评。

法拉第的电磁旋转原理实际上就是电动机原理,他的电磁旋转装置可以认为是人类第一台将电能转化为机械能的机器。1821年10月21日,法拉第发表了第一篇有关电胡学领域的论文——《论某些新的电磁运动兼论磁学的固论》,开始在电磁学领域崭露头角。

奥斯特的发现,表明电流产生了磁。既然电流能够产生磁,那么反过来磁也应该能够产生电流。法拉第想方设法实现磁产生电流的转换。从1824年到1828,法拉第做了四次较大的尝试,全都以失败告终。但法拉第不是轻易认输之,他确信自然界是统一的、和谐的,电和磁是彼此有关联的。虽然一再失败,但是通过磁转变成电流这个念头从来没有在他的头脑中消失过。有一个时期,他的口袋里总放着一个电磁线圈模型,一有空闲,就拿出来比划,思考着由磁产生电流的各种可能途径。

工夫不负有心人。经过近十年的断断续续的努力,法拉第终于发现了由磁产生电流的定律——法拉第电磁感应定律。他在1831年8月29日的实验日记中写道:“用软铁做了一个圆铁环,环的外径是6英寸(1英寸等于2.533厘米)。铁环的一半绕上许多铜线圈,线圈之间用麻线和白布隔开以便绝缘,其中共有三根导线各长24英尺(1英尺等于0.305米)左右,它们可以接成一根,也可以三根单独使用。用电池试验时,这三根导线彼此之间是绝缘的。我们称环的这半边为A。隔开一定距离,在另一半绕有两根导线,共长60英尺左右,绕线方向与上述线圈相同,这半边称为B(见下图)。

(四)法拉第日记中电磁感应插图

把十个电池联在一起,每个电池极板的面积为4平方英寸,把B边的两个线圈联成一个线圈,并将其两端用一铜线相连,铜线经过一段距离(离圆铁环3英尺远)刚好越过一根磁针。然后把A侧的一个线圈与电池接通,立刻就对磁针有明显的影响。磁针摆动着,最后又停在原来的位置上。断开A侧线圈与电池的连线时,磁针又一次受到了扰动。

把A边的所有导线连成一个线圈,使电池的电流通过全部线圈,则对磁针的影响比以前强得多。

法拉第继续实验,他注意到,如果维持线圈A的通电状态,磁针毫无反应。法拉第有一个习惯,每当做出一个新发现以后,他总要改进仪器,变换条件,从各个角度对这个新发现进行细致、透彻的研究。现在,法拉第又改进了仪器,用比较灵敏的弦线电流计代替磁针,这样就能比较精确地测定线圈A中电流在接通或断开时候线圈B中感生电流的大小。法拉第又把铁环改成铁棒,把A,B两边的线圈都绕在这根铁棒上,重复前面的实验过程,结果发现仍有电流产生,但是比用铁环的时候弱。法拉第进一步想,如果不用铁芯会怎么样呢?于是,他用螋纸板做了一个圆筒,把A,B线圈都绕在圆筒上。A线圈与电池相连,B线圈联上弦线电流计,结果在A线圈中的电流在接通或断开的时候,弦线电流计的指针只是略有偏转,表明感生电流较小。

这样,法拉第就弄清楚了,有铁芯的感生电流比没有铁芯的强,圆铁环做的铁芯比用直铁棒做的铁芯效果好。法拉第认为,其原因就在于铁芯有导磁作用,圆铁环的导磁性比直铁棒好些。

法拉第进一步又问,为什么A线圈中的电流保持不变的时候,B线圈中就不能感应出电流来呢?法拉第于是领悟到,这类感应现象具有特殊性,是和瞬间的变化过程联系在一起的。产生感应电流的根本原因是磁的变化。在A线圈接通或断开电流的时候,它所产生的磁在变化,所以就能够在日线圈中感应出电流。

而当A线圈中的电流稳定以后,它所产生的磁没有变化,B线圈中就不会感应出电流。

想到这里,法拉第豁然开朗。既然磁的变化可以引起感应电流,那么,直接用磁铁来引起磁的变化也能感应出电流。于是,他又做了另一个实验,在一根铁棒上绕上线圈,线圈与弦线电流计相连。铁棒两端各放一根磁棒,当磁棒张开或闭合的时候,发现电流计的指针不断摆动,表明产生了感生电流。后来,法拉第把磁棒插在线圈里不动,而让线圈相对于磁棒上、下运动,结果同样能够感生出电流来。但是,当线圈与磁棒相对静止时,电流就消失了。

法拉第并不满足。因为法拉第发现,只有当磁棒和线圈之间有相对运动的时候,才有感应电流产生;相对运动一旦停止,电流也随之消失,并不能像伏打电堆那样成为稳定的电源。法拉第想出了一个巧妙办法,来解决产生稳定的感生电流的难题。他做了一个圆铜片,在圆铜片中心安装上转轴,使它能在马蹄形磁铁的两个磁极中间旋转。用导线将圆铜片的轴和圆铜片的边缘以及电流计连接起来,法拉第用手摇动与转轴相连的手柄,电流计显示产生了恒定的电流。法拉第兴奋不已,在1831年10月28目的实验日记中写道:“圆铜片的轴和边缘同一只电流计连接起来。圆铜片旋转的时候,电流计指针发生偏转。效果非常清楚、恒定。”

法拉第在“恒定”两个字上打了加重符号,因为重要的正是产生恒定的电硫。这样,根据电磁感应现象,世界上第一台发电机就这样诞生了。

一个月以后,法拉第对各项实验结果做了总结,向英国皇家学会报告说,产生感应电流的情况可以分为五类:①变化中的电流;②变化中的磁场;③运动的隐恒电流;④运动的磁铁;⑤运动的导线。

当年,法拉第只是定性地用文字表述了电磁感应现象。1833年,俄国物理学家楞次(1804—1865)进一步发现了楞次定则(或称楞次定律)用来判定感生电流的方向。1845年,由纽曼(1798—1895)以公式的形式提出电磁感应的定量定律。现在教科书中电磁感应定律的公式一般写为ε=-dΦdt式中,中表示磁通量,负号的含义为能量守恒定律,亦即楞次定则。

发现电磁感应定律是法拉第一生中对人类所做出的最伟大的发现。根据电磁感应定律,人类可以制成发电机和变压器,电能就能够大规模的产生和远距离输送。电可以从科学家的实验室走向工厂、矿山、城市、农村,走进每一个家庭,为人类的文明进步产生了巨大的影响。法拉第是在1831年发现电磁感应定律的,因此人们把这一年称为电气时代纪元的一年。1931年,为了纪念电磁感应定律发现一百周年,在英国伦敦还举行了盛大的庆祝活动。

法拉第有一条坚定不移的信念,他相信大自然是统一的、和谐的。在法拉第时代已经发现了五种电,即伏打电(化学电源)、普通电(摩擦电以及大气中的电等等)、磁感应电、热电(温差电)和动物电。这五种电既有相同的地方,也有不同的地方。有人认为它们本质上是同一种东西,也有人认为不是,众说纷纭,莫衷一是。法拉第对这五种电进行了全面的考察。他发现,这五种电都有一定的生理效应,能使动物和人的肌肉抽搐,产生触电的感觉;它们放电时都能产生热,还能发出火花;它们都有化学效应(当时大部分人认为,只有伏打电池产生的电才能使化合物电解即具有化学效应)。法拉第经过大量的实验证明,“不管电的来源如何,它的本性全都是相同的。”法拉第用电的同一性为他的“大自然是统一的”信念提供了有力的证据。

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