在欧洲大陆科学家进入电磁学领域开疆拓土的时候,英国人也没有闲着。不久,英国出现了一位电磁学巨人,他就是迈克尔·法拉第(MichaelFaraday,公元-年)。
人们早就知道磁铁能使邻近的铁块感应而带上磁性,也知道电荷能在邻近的物体上感应出相反的电荷。法拉第就想电流也应当具有这样的效应。他从年开始寻找这种效应,他先根据自己的猜想写下在自然现象之间的一系列可能联系,然后进行观察,有的联系还真的被他找到了。经过近十年的实验摸索,法拉第在年发现了电磁感应现象,证明一个电流可以产生另一个电流,这个现象把机械运动、磁现象跟电流的产生联系在一起,这进一步证实了电与磁的统一性。法拉第发现当一个金属线圈中的电流强弱发生变化时,能在一个邻近的线圈中感应出一个瞬时电流。如果将通有恒定电流的线圈(或者一个永久磁铁)在第二个线圈附近移动,也会产生同样的效应。正如奥斯特发现了电动机的基本原理一样,法拉第发现了发电机的基本原理。
法拉第不过,在开始闯入电磁学领域的时候,法拉第只是一个地位卑微的小人物,他是化学家戴维实验室里的一个小助手。
年9月22日迈克尔·法拉第出生在伦敦郊区的萨里郡纽因顿的一个贫困家庭,他的父亲还患上了重病。小迈克尔13岁就去了曼彻斯特一个书商兼装订的店铺里当学徒,在那儿他呆了8年的时间,大部分时间都是订书。对于一般人来讲,这基本上就注定了这个人碌碌平淡的一生。但是这里的书却把少年法拉第引向了科学殿堂的大门。有过类似经历的还有一个人,就是本杰明·富兰克林。除了勤奋之外,法拉第是幸运的,他的雇主乔治·雷波不仅让这位学徒自由地使用他的图书馆,并且还允许在他的店铺后面做实验。年前上中学的牛顿寄住在一位药剂师家里时也有幸遇到过同样的好运。
法拉第并不只是埋头做自己的研究,19岁那年,他开始参加曼彻斯特市哲学学会的周会,还在周会上提交自己的论文,在学术的圈子里开始小有影响。法拉第在听著名化学家汉弗莱·戴维的一些演讲时,记下了这些演讲的笔记,然后全部清清楚楚地书写出寄给戴维,同时表示自己热切希望能够从事科学研究,恳求戴维帮他在皇家研究院找一份工作。戴维收到信后征求一位朋友的意见,朋友说:“让他洗瓶子吧。如果他不肯就算了。”戴维回答说:“不,不,我们应该让他试试别的事情。”结果戴维雇法拉第在实验室做了助手。戴维爵士这时候肯定没有想到这个出身卑微、没有受过正规教育的年轻助手后来的贡献和名气远远地超过了自己。如果法拉第没有鼓起勇气给戴维寄去他的笔记,人类就不会有这样一位伟大的实验科学家,电磁学的历史不知道会往后推迟多少年。当然,如果戴维对这个无名小辈不予搭理,那也是同样的结果。
法拉第开始是继续戴维的化学研究,因化学涉及电的特性,后来他越来越多地进入到物理的领域,结果后人都知道他是个物理学家,而不知道他本来还是个化学家。
20镑英钞上的迈克尔·法拉第年初,英国科学家渥拉斯顿(Wollaston)试图把因电流引起的磁针的偏转变换成为磁针围绕电流的恒定转动。他经过周密的计划,在皇家研究院的实验室里,在戴维爵士面前进行了这项实验。尽管没有实现磁针的持续转动,但是这件事引起了法拉第对该问题的注意。于是法拉第阅读了这方面的许多资料,开始了对电磁学的学习和研究。
年9月,法拉第在重复奥斯特“电生磁”实验的时候,制造出了人类史上第一台最原始的电动机的雏形──在水银杯中围绕固定的通电导线连续旋转的磁铁。
年,40岁的法拉第通过阅读和实验已经完全熟悉了电和磁的科学,他试图用一根导线上的电流所产生的磁现象感应另一根导线使之产生电流。法拉第用两根带绝缘层的导线一起绕在同一个木圆柱体上,这样就做成了一个螺旋管。其中一根导线连接到由10个伏打电池组成的电池组上,另一根连接到一个灵敏电流计上。当接通电池,电流通过时,没有观察到电流计上有任何影响。他把电池组从10个电池增加到个电池,仍然毫无变化。但是法拉第非凡的观察力和敏锐性起了作用,任何蛛丝马迹都不会逃过他的眼睛并被他抓住不放。他注意到,当他接通电池组的那一瞬间,电流计的指针总是有微弱的移动,然后指针又恢复原位保持静止。在电路断开的一瞬间,指针又出现移动,方向与电路接通时观察到的移动方向相反,接着又恢复原位。
之后,法拉第用永久磁体插入线圈中,也得到了同样的效应:在磁体插入线圈的同时,线圈中冲过一阵电流;在磁体从线圈中拔出的同时,线圈中又冲过一阵等量而反向的电流。
7年前,法国的阿拉果已发现非磁性金属材料的盘有能力使悬吊在其上面的振动的磁针迅速静止。对于这个问题阿拉果和安培两人都探究过,泊松(这个名字在高数上也见过)还曾发表过关于这个题目的理论研究论文。但是对于如此异乎寻常的现象却找不出任何解释。法拉第做出上述发现之后又开始对法国人留下的这个问题进行研究。他把盘的边缘放在皇家学会的大马蹄形磁铁的两极之间,将盘的轴和边缘用一根导线与电流计相连,当盘转动时,他得到一恒定电流。电流的方向是由盘的转动方向确定的,当反向旋转时,电流的方向也反向。这可以说是人类历史上第一个模型发电机。电动机和发电机的问世预示着人类电气时代的到来。
法拉第感应电流实验示意图也是在这个时候,法拉第提出了“磁力线”的概念。他把撒在磁铁及其周围的铁屑所排列成的曲线称作磁力线。他指出,产生感生电流既不需要接近也不需要远离磁极,唯一必需的是恰当地切割磁力线。法拉第对各项实验进行了总结,他的关于电磁感应的总结报告于年11月24日在英国皇家学会宣读。他把能够产生感应电流的情况分为五种:(1)变化中的电流;(2)变化中的磁场;(3)运动中的稳恒电流;(4)运动中的磁铁;(5)运动中的导线。
年,法拉第确定了相同的电量可以分解相同当量的化学物质。这个发现表明,如果化学物质是由原子构成的,那么电也应该具有微粒的特性。但是法拉第是原子论的反对者,尽管他的老师戴维曾对道尔顿的原子论给予高度评价。法拉第宁愿采取这样的看法:物质到处都存在,没有不被物质占有的中空地带。法拉第认为物质是像以太那样的连续介质,这种介质也就是传递自然界的各种力的媒介。他设想,弥漫整个空间的以太是由力的线组成的,这些线将相反的电荷或磁极连接起来。在磁场中的纸上撒上铁屑,就可看见联接相反两极的无数条线。这些“线”以及由线所组成的“场”是描述和解决电磁学问题的极为有用的工具,但是对于法拉第来说,它们具有实在的物理意义,也就是说,法拉第的这种基于工具主义的方法,在他自己看来是本质主义的,是真实的存在。
作为一个在电磁学领域取得了重大发现的科学家,法拉第已经预见到自己的发现将会引起重大的社会变革。他曾引用富兰克林说过的一句话:“一个婴儿有什么用处?”以此来说明有的科学发现似乎毫无用处,因为这是在它婴儿期和无用状态的时候,但是当它生长发育成熟之后,就会看到它的能力。据说,当时的英国财政大臣威廉姆·格莱斯顿曾问法拉第:“电将会有什么实际用途?”他回答说:“先生,总有一天您会向人民征收电税的。”
年,法国的仪器制造商皮克西(Pixies)根据法拉第发现的电磁感应原理,研制成功了一种安装了两个线圈的手摇直流发电机,它是所有实用发电机的始祖。“发电机”这一术语是由从事电气工程的W.西门子(WernerSiemens)在年率先使用的。西门子还是一位实业家,他一生在电气工程上成就卓著。
法拉第在年对电磁感应现象只是做了定性的表述。年,俄国物理学家海因里希·楞次(HeinrichLenz)进一步发现了楞次定律,说明感生电流的方向。楞次定律的内容是:感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
楞次定律还可以简单地表述为:感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。很明显,楞次定律是一条典型的作用逆反规律,凡是学过这条定律的人都会对它留下深刻的印象,只是,楞次定律仍然停留在定性描述这一步上。这条定律不仅是一条作用逆反规律,德国物理学家亥姆霍兹证明楞次定律实际上还是电磁现象的能量守恒定律。
楞次出生于爱沙尼亚,当时这里被并入了沙俄帝国。在发现这一定律时楞次是俄国圣彼得堡科学院的通信院士,发现楞次定律的第二年即年成为正式院士。
海因里希·楞次在楞次定律的基础上,法拉第根据大量的实验事实总结出了定量化的电磁感应定律,线圈中所感应出的电动势与穿过线圈的磁通量的变化率成正比。其数学表达式可以写成:e(t)=-n(dΦ)/(dt),它显示状态的变化能够产生与其变化量成正比的逆反作用。表达式中的负号则显示了楞次定律所指出的作用的逆反性。这一数学表达式跟作用逆反律的正比表达式完全相符。
年,德国物理学家纽曼(F.E.Neumann,-年)从理论上推导出法拉第电磁感应定律的数学表达式。
年法拉第发现了磁光效应,又称法拉第效应。年,他又提出光的本质是电力线和磁力线的振动,这一看法后来被麦克斯韦发展成为光的电磁说。
法拉第不是科班出身,特别是在数学上没有受过系统的高等教育,他不能用数学工具建立起一套电磁学的理论。但是法拉第通过大量实验所做出的重大发现以及所提出的电力线、磁力线、电场和磁场概念为后来的电磁场理论的建立奠定了很好的基础。接下来就需要伟大的理论物理学家麦克斯韦出场了。
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