電學(xué)之父法拉第

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2018-04-01? 青野云麓

邁克爾·法拉第 （Michael Faraday，1791年9月22日～1867年8月25日），英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家，也是著名的自學(xué)成才的科學(xué)家，出生于薩里郡紐因頓一個(gè)貧苦鐵匠家庭，僅上過(guò)小學(xué)。1831年，他作出了關(guān)于電力場(chǎng)的關(guān)鍵性突破，永遠(yuǎn)改變了人類(lèi)文明。

他的發(fā)現(xiàn)奠定了電磁學(xué)的基礎(chǔ)，是麥克斯韋的先導(dǎo)。1831年10月17日，法拉第首次發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并進(jìn)而得到產(chǎn)生交流電的方法。1831年10月28日法拉第發(fā)明了圓盤(pán)發(fā)電機(jī)，是人類(lèi)創(chuàng)造出的第一個(gè)發(fā)電機(jī)。

由于他在電磁學(xué)方面做出了偉大貢獻(xiàn)，被稱(chēng)為“電學(xué)之父”和“交流電之父”。

1791年9月22日是一個(gè)光輝的日子，一代科學(xué)巨匠邁克爾·法拉第降生在英國(guó)薩里郡紐因頓一個(gè)貧苦的鐵匠家庭。法拉第的一生是偉大的，然而法拉第的童年卻是十分凄苦的。他的父親是個(gè)鐵匠，體弱多病，收入微薄，僅能勉強(qiáng)維持生活的溫飽。但是父親非常注意對(duì)孩子們的教育，要他們勤勞樸實(shí)，不要貪圖金錢(qián)地位，要做一個(gè)正直的人。這對(duì)法拉第的思想和性格產(chǎn)生了很大的影響。

由于貧困，法拉第家里無(wú)法供他上學(xué)，因而法拉第幼年時(shí)沒(méi)有受過(guò)正規(guī)教育，只讀了兩年小學(xué)。1803年，為生計(jì)所迫，他上街頭當(dāng)了報(bào)童。第二年又到一個(gè)書(shū)商兼訂書(shū)匠的家里當(dāng)學(xué)徒。訂書(shū)店里書(shū)籍堆積如山，法拉第帶著強(qiáng)烈的求知欲望，如饑似渴地閱讀各類(lèi)書(shū)籍，汲取了許多自然科學(xué)方面的知識(shí)，尤其是《大英百科全書(shū)》中關(guān)于電學(xué)的文章，強(qiáng)烈地吸引著他。他努力地將書(shū)本知識(shí)付諸實(shí)踐，利用廢舊物品制作靜電起電機(jī)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)。他還與青年朋友們建立了一個(gè)學(xué)習(xí)小組，常常在一起討論問(wèn)題，交換思想。重視實(shí)踐尤其是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，在法拉第一生的科學(xué)活動(dòng)中貫徹始終。

法拉第不放過(guò)任何一個(gè)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，在哥哥的資助下，他有幸參加了學(xué)者塔特姆領(lǐng)導(dǎo)的青年科學(xué)組織－－倫敦城哲學(xué)會(huì)。通過(guò)一些活動(dòng)，他初步掌握了物理、化學(xué)、天文、地質(zhì)、氣象等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，為以后的研究工作打下了良好基礎(chǔ)。法拉第的好學(xué)精神感動(dòng)了一位書(shū)店的老主顧，在他的幫助下，法拉第有幸聆聽(tīng)了著名化學(xué)家漢弗萊·戴維的演講。

他把演講內(nèi)容全部記錄下來(lái)并整理清楚，回去和朋友們認(rèn)真討論研究。他還把整理好的演講記錄送給戴維，并且附信，表明自己愿意獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè)。結(jié)果他如愿以償。20歲做上了戴維的實(shí)驗(yàn)助手。從此，法拉第開(kāi)始了他的科學(xué)生涯。戴維雖然在科學(xué)上有許多了不起的貢獻(xiàn)，但他說(shuō)，我對(duì)科學(xué)最大的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了法拉第。

法拉第勤奮好學(xué)，工作努力，很受戴維器重。1813年10月，他隨戴維到歐洲大陸國(guó)家考察，他的公開(kāi)身份是仆人，但他不計(jì)較地位，也毫不自卑，而把這次考察當(dāng)做學(xué)習(xí)的好機(jī)會(huì)。他見(jiàn)到了許多著名的科學(xué)家，參加了各種學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，還學(xué)會(huì)了法語(yǔ)和意大利語(yǔ)。大大開(kāi)闊了眼界，增長(zhǎng)了見(jiàn)識(shí)。

1815年5月法拉第回到皇家研究所，并且在戴維指導(dǎo)下做獨(dú)立的研究工作并取得了幾項(xiàng)化學(xué)研究成果。1816年法拉第發(fā)表了第一篇科學(xué)論文。從1818年起他和J·斯托達(dá)特合作研究合金鋼，首創(chuàng)了金相分析方法。1820年他用取代反應(yīng)制得六氯乙烷和四氯乙烯。1821年任皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室總監(jiān)。1823年他發(fā)現(xiàn)了氯氣和其他氣體的液化方法。1824年1月他當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1825年2月接替戴維任皇家研究所實(shí)驗(yàn)室主任。同年發(fā)現(xiàn)苯。

1821年法拉第完成了第一項(xiàng)重大的電發(fā)明。在這兩年之前，奧斯特已發(fā)現(xiàn)如果電路中有電流通過(guò)，它附近的普通羅盤(pán)的磁針就會(huì)發(fā)生偏移。法拉第從中得到了啟發(fā)，認(rèn)為假如磁鐵固定，線圈就可能會(huì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這種設(shè)想，他成功地發(fā)明了一種簡(jiǎn)單的裝置。在裝置內(nèi)，只要有電流通過(guò)線路，線路就會(huì)繞著一塊磁鐵不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。事實(shí)上法拉第發(fā)明的是第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，是第一臺(tái)使用電流將物體運(yùn)動(dòng)的裝置。雖然裝置簡(jiǎn)陋，但它卻是今天世界上使用的所有電動(dòng)機(jī)的祖先。

人們知道靜止的磁鐵不會(huì)使附近的線路內(nèi)產(chǎn)生電流。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)當(dāng)一塊磁鐵穿過(guò)一個(gè)閉合線路時(shí)，線路內(nèi)就會(huì)有電流產(chǎn)生，這個(gè)效應(yīng)叫電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流。一般認(rèn)為法拉第的電磁感應(yīng)定律是他的一項(xiàng)最偉大的貢獻(xiàn)。

法拉第還發(fā)現(xiàn)如果有偏振光通過(guò)磁場(chǎng)，其偏振作用就會(huì)發(fā)生變化。這一發(fā)現(xiàn)具有特殊意義，首次表明了光與磁之間存在某種關(guān)系。

1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，受到科學(xué)界的關(guān)注，1821年，英國(guó)《哲學(xué)年鑒》的主編約請(qǐng)戴維撰寫(xiě)一篇文章，評(píng)述自?shī)W斯特的發(fā)現(xiàn)以來(lái)電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的理論發(fā)展概況。戴維把這一工作交給了法拉第。法拉第在收集資料的過(guò)程中，對(duì)電磁現(xiàn)象產(chǎn)生了極大的熱情，并開(kāi)始轉(zhuǎn)向電磁學(xué)的研究。他仔細(xì)地分析了電流的磁效應(yīng)等現(xiàn)象，認(rèn)為既然電能夠產(chǎn)生磁，反過(guò)來(lái)，磁也應(yīng)該能產(chǎn)生電。于是，他企圖從靜止的磁力對(duì)導(dǎo)線或線圈的作用中產(chǎn)生電流，但是努力失敗了。經(jīng)過(guò)近10年的不斷實(shí)驗(yàn)，到1831年法拉第終于發(fā)現(xiàn)，一個(gè)通電線圈的磁力雖然不能在另一個(gè)線圈中引起電流，但是當(dāng)通電線圈的電流剛接通或中斷的時(shí)候，另一個(gè)線圈中的電流計(jì)指針有微小偏轉(zhuǎn)。

法拉第心明眼亮，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，都證實(shí)了當(dāng)磁作用力發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)線圈中就有電流產(chǎn)生。他又設(shè)計(jì)了各種各樣實(shí)驗(yàn)，比如兩個(gè)線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁作用力的變化同樣也能產(chǎn)生電流。這樣，法拉第終于用實(shí)驗(yàn)揭開(kāi)了電磁感應(yīng)定律。法拉第的這個(gè)發(fā)現(xiàn)掃清了探索電磁本質(zhì)道路上的攔路虎，開(kāi)通了在電池之外大量產(chǎn)生電流的新道路。

根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，1831年10月28日法拉第發(fā)明了圓盤(pán)發(fā)電機(jī)，這是法拉第第二項(xiàng)重大的電發(fā)明。這個(gè)圓盤(pán)發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但它卻是人類(lèi)創(chuàng)造出的第一個(gè)發(fā)電機(jī)。現(xiàn)代世界上產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)就是從它開(kāi)始的。

為了證實(shí)用各種不同辦法產(chǎn)生的電在本質(zhì)上都是一樣的，法拉第仔細(xì)研究了電解液中的化學(xué)現(xiàn)象，1834年總結(jié)出法拉第電解定律：電解釋放出來(lái)的物質(zhì)總量和通過(guò)的電流總量成正比，和那種物質(zhì)的化學(xué)當(dāng)量成正比。這條定律成為聯(lián)系物理學(xué)和化學(xué)的橋梁，也是通向發(fā)現(xiàn)電子道路的橋梁。

法拉第作為一名天才的電學(xué)大師，在電磁學(xué)的新領(lǐng)域中樹(shù)立起了前進(jìn)的路標(biāo)。1837年他引入了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的概念，指出電和磁的周?chē)加袌?chǎng)的存在，這打破了牛頓力學(xué)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念。1838年，他提出了電力線的新概念來(lái)解釋電、磁現(xiàn)象，這是物理學(xué)理論上的一次重大突破。1843年，法拉第用有名的“冰桶實(shí)驗(yàn)”，證明了電荷守恒定律。

法拉第在電磁學(xué)的新領(lǐng)域中耕耘播種。他為了探討電磁和光的關(guān)系，在光學(xué)玻璃方面費(fèi)盡了心血。1845年，也是在經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次失敗之后，他終于發(fā)現(xiàn)了“磁光效應(yīng)”。他用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光和磁的相互作用，為電、磁和光的統(tǒng)一理論奠定了基礎(chǔ)。

1852年，他又引進(jìn)了磁力線的概念，從而為經(jīng)典電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。后來(lái)，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋用數(shù)學(xué)工具研究法拉第的磁力線理論，最后完成了經(jīng)典電磁學(xué)理論。

1867年8月25日，平民邁克爾·法拉第在書(shū)房安詳?shù)仉x開(kāi)了人世。一代科學(xué)巨星，在譜寫(xiě)完他不平凡的人生，給人類(lèi)留下無(wú)價(jià)的寶藏以后與世長(zhǎng)辭。

法拉第的貢獻(xiàn)惠及每個(gè)人，把人類(lèi)文明提高到空前高度，把文明進(jìn)程提前幾十幾百年。不能用金錢(qián)衡量其偉績(jī)，如果硬用金錢(qián)衡量的話，有人說(shuō)過(guò)超過(guò)全球股票價(jià)值。銘記先人才會(huì)進(jìn)步，也許對(duì)人類(lèi)貢獻(xiàn)最大的是科學(xué)家，不是政客，500年后政客都會(huì)淡出，而法拉第們不朽的。