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  • 从学徒工到科学家——法拉第及其对电磁学的贡献

    日期:2004-02-20  地址:  作者:
      

    法拉第是19世纪最伟大的实验物理学家,同时又是杰出的化学家和自然哲学家,他在电磁学研究方面的卓越贡献如同伽利略、牛顿在力学方面的贡献一样,具有划时代的意义。
    然而,这位伟大的科学家却只读过几年小学,凭着对科学的执著热爱,他发奋自学、努力奋斗,在长达半个多世纪的岁月里,他对科学真理孜孜不倦地追求,终于登上了科学的顶峰。
    1791年9月22日,法拉第诞生在伦敦南面的萨里郡纽因顿一个贫困的铁匠家庭。5岁那年,全家为谋生迁居伦敦,靠有病的父亲一人工作维持全家的生计,艰苦的生活造就了法拉第勤劳、刻苦的品格。

    1804年,13岁的法拉第便离开了学校,成了G·黎堡先生书店的小报童,第二年他被正式收为学徒学习装订技术,在书店里,法拉第接触到了大量的书籍,这启发了他强烈的求知欲望,他利用所有的工余时间贪婪地阅读各种书籍,正是通过大量地、勤奋地读书,法拉第才走上了科学之路。

    最早使法拉第对科学产生兴趣的是《大英百科全书》。当读到其中梯特勒(Tytler)撰写的“电学”条目时,他被深深地吸引住了,他用自己微薄的工钱买来实验器具,照着书上的实验一个个地做,并作了实验记录,这位伟大的实验大师的最初实践就这样开始了。

    1810年,法拉第参加了塔特姆(Tatum)组织的“市哲学学会”,在那里,他获得了力学、电学、光学、化学等基础学科的启蒙知识,对科学的兴趣与日剧增,在此期间,玛丽特(Marcet)夫人所写的《化学对话》一书使著名化学家戴维(Davy)爵士成了年轻的法拉第所崇拜的榜样。戴维当时任皇家研究院化学教授,经常举行化学讲座,一个偶然的机会,法拉第听了4次戴维的讲演,他被深深地感动了,决心寻找自己的科学道路。

    1812年,法拉第学徒期满,他怀着敬仰之情将经过自己补充、整理的戴维讲演记录装订成册,并在书脊上烫上金字寄给了戴维,并附上了一封信,请求戴维帮助他到皇家学院工作。收到法拉第寄来的书,戴维大为感动。他向皇家学院理事建议录用法拉第。1813年,法拉第的愿望终于实现了,他成为皇家研究院实验室助理,搬进了研究院的顶楼,从此开始了他献身科学的历程。

    由于他工作勤恳、聪明机敏,很快便掌握了实验技术,成为戴维的得力助手。1813年10月—1815年4月,法拉第随戴维夫妇到欧洲作科学旅行。一路上,他听取戴维介绍各种科学知识,并有机会见到了安培、伏打等知名科学家,参观了他们的实验室。这使法拉第眼界大开,他称这次旅行为一所社会大学。1815年回到英国后,法拉第开始独立进行科学研究,发挥了惊人的才干,获得了累累硕果。

    1821年,法拉第任皇家学院实验室总监和代理实验室主任。此时,他开始进行电和磁的研究。

    静磁现象和静电现象很早就受到人类的重视,对这些现象进行系统研究则始于16世纪,但这些研究始终只是将静电学和静磁学孤立开来进行的,电和磁究竟是否有联系?这个问题悬了几百年,1800年伏打电池的发明提供了产生恒定电流的电源,这使人们有可能从各个方面研究电流的各种效应。1820年4月,丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应,从此电学与磁学彼此隔绝的状况有了突破,电磁学的新阶段开始了。从1820年开始,电磁热席卷欧洲大地,研究成果大量发表。1821年英国哲学报请法拉第写一篇关于电磁问题的述评。法拉第仔细、认真地研究了文献,并将其中的许多实验一一亲自做过之后,他以《电磁学的历史概要》为题,发表了评论。从此法拉第走进了电磁学研究领域。

    在研究文献的过程中,他特别仔细地考察了奥斯特的实验,又经过自己反复实验与思考,制作了一个电磁旋转仪,其装置示意图如图1所示。图中右边是磁棒竖在固定的水银槽中,导线可以转动;左边是导线固定,磁棒可以绕竖直导线转动,当电流通过时右边的导线和左边的磁棒就会不停地转动,这就是电磁旋转效应。1821年10月,法拉第以《论某些新的电磁运动兼论磁学理论》为题,发表了论文,总结了他的这一发现。他实现了电流使磁体转动。

    电磁旋转的研究引导法拉第进一步寻找新的电磁效应。1822年,法拉第在日记中写下了一个崭新的研究课题:把磁转变成电。

    从1824年起,法拉第开始用实验的方法探索这一课题。1824年至1828年间,法拉第进行了多次电磁学实验,但磁生电的迹象却始终未出现,然而,失败并没有使他放弃实验,转磁为电的想法一直萦绕在他的心头。因为他坚信自然力是统一的、和谐的,电和磁是彼此有关联的。既然奥斯特实现了电产生磁,那么反过来,磁也一定能产生电,在此期间,他甚至把一个电磁线圈放在口袋里,一有空就拿出来进行试验。

    1825年,斯特詹发明了电磁铁,1818—1831年亨利和莫尔等相继对电磁铁作了重大改进,从而获得了更强的磁场,这给法拉第的研究带来了新的希望。

    1831年,法拉第的实验终于得到了突破性进展,在8月29日的实验日记里,法拉第写道:“一、磁生电的一些实验,等等”。法拉第的实验是这样做的:在一个铁环上绕有A、B两组线圈,如图2所示。A线圈用3股线绕成,B线圈用2股线绕成,两个线圈可以单独使用或联合使用。B线圈抽头接成闭合回路,A线圈两端接于电池组,当电源接通时,放在闭合回路近旁的小磁针发生了明显摆动;切断电流时磁针摆动方向相反,这一效应是很短暂的,这就是著名的法拉第圆环实验。这一实验通常被认为是电磁感应现象的发现,法拉第本人则把这一实验称作电流的感应,他认为这还不是他理想中的磁生电现象。他改进了实验仪器继续进行实验,他用弦线电流计替代了小磁针,将铁环改成铁棒,又改成硬纸管,经过反复试验,反复思考,法拉第心里豁然开朗。他决定用磁铁代替电流,直接体现奥斯特效应的逆效应——将磁转变成电。他把绕在硬纸管上的8个线圈并联起来,并把端点接在电流计上,拿起一根磁棒猛地往纸管内一插,只见电流计指针动了一下,当他猛地抽出磁棒时,指针又向相反的方向动了一下。他反复试着,指针来回摆动着……,成功了!磁变成电的理想终于实现了!这一天是1831年10月17日。

    这以后,他又设想用电磁感应原理制造出永久性的稳定电源。他做了一个圆铜片,装上轴,夹在马蹄形磁铁的两个磁极中旋转。他在10月28日的日记中写道:“圆铜片的轴和边缘用一只电流计连接起来,圆铜片旋转的时候,电流计的指针发生偏转,效果非常清楚、恒定。”于是世界上第一台发电机诞生了之后,法拉第又从各个角度探讨电、磁、光,寻找新的规律。这些工作后来汇集在《电学实验研究》这部凝结着他毕生心血的巨著中。1831年11月24日,法拉第在皇家学会上宣读了他的《电学实验研究》第一辑的4篇论文,公布了他发现的电磁感应现象。

    电磁感应现象的发现是19世纪最伟大的发现,也是整个科学史上最伟大的发现之一,它具有划时代的意义。它不仅奠定了电力工业最重要的基础,而且在奥斯特实验的基础上进一步揭示了电现象和磁现象的紧密联系,他的发现,并非是偶然的机遇,而是一位具有唯物主义物理观和辩证法思想的伟大科学家对真理执著追求的结果。

    法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应现象,他还发现了电解定律(1833—1834年)、光磁效应(也叫法拉第效应,1845年)、物质的抗磁性(1845年)等。1851年,他发表了《论磁感线》的论文,在大量实验的基础上创建了力线思想和场的概念,为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。

    法拉第一生致力于科学研究事业,不恋钱财、不图虚荣,为科学事业贡献了毕生精力,1867年8月25日,这位对科学作出巨大贡献的老人坐在他的椅子上安安静静地去世了。他被安葬在海洛特公墓,遵照他的遗嘱,他的墓碑上只刻下三行字:

    迈克尔·法拉第

    生于1791年9月22日

    殁于1867年8月25日

     

    参考文献

     

    1.束炳如等,物理学家传,湖南教育出版社,1985。

    2.钱临照等,世界著名科学家传记,科学出版社,1994。

    3.郭奕玲,沈慧君,物理学史,清华大学出版社,1993。


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