不用浮名伴此生——法拉第

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不用浮名伴此生——法拉第

2016-11-11 作者: xuzhiping 浏览: 2824 次

摘要: 1791年9月22日是一个光辉的日子,一代科学家迈克尔• 法拉第降生在英国萨里郡纽因顿一个贫苦的铁匠家庭。 法拉第没有机会进人正规学校学习,他只学过一点读、写、 算的初步知识。他13岁时在一家书店的装订厂当学徒,这使他有机会读了不少科学书籍,学到了丰富的知识。...

1791年9月22日是一个光辉的日子,一代科学家迈克尔• 法拉第降生在英国萨里郡纽因顿一个贫苦的铁匠家庭。

法拉第没有机会进人正规学校学习,他只学过一点读、写、 算的初步知识。他13岁时在一家书店的装订厂当学徒,这使他有机会读了不少科学书籍,学到了丰富的知识。法拉第在装订 《大英百科全书》时对电学产生了浓厚的兴趣,就用仅有的一点零钱购买些简单仪器做实验。从此他对科学倾注了巨大的热情,并为之奋斗终生。

1812年,21岁的法拉第有幸听了著名化学家戴维的4次科学讲演,他立即被吸引住了。法拉第向戴维表示了他渴望做科学研究工作的愿望,并附上他精心整理的听课笔记。戴维也是出身贫寒的科学家,他对法拉第十分同情。1813年,戴维推荐法拉第到皇家科学院实验室做他的助手。同年法拉第随戴维到欧洲大陆进行学术考察。法拉第认真记录了戴维在各地讲学的内容,陪同戴维会见了不少知名科学家,这使他受益匪浅。回国后,法拉第在戴维的指导下取得了几项科学研究成果。1824年,法拉第当选为皇家学会会员,在表决时戴维出于妒忌投了唯一的反对票,但是法拉第对自己的恩师一直怀着崇敬感激之情。

法拉第十分勤奋,几十年从未停止过研究工作,尽管他的日记上经常见到“没有效果”、“不行”等描述失败的字样,但是他从未灰心,1855年出版的8卷《法拉第日记》便是他日夜辛勤工作的铭证。他撰写的由3000多节组成的巨著《电学的实验研究》,汇集了他光辉的科学成果和卓越的物理思想。

1821年,法拉第应约为一家杂志写一篇评述电磁学研究状况的文章。在整理资料的过程中,他将注意力转向电磁学。他仔细研究了当时的成果后,认为电流与磁的相互作用除了电流对磁、 磁对磁、电流对电流,还应该有磁对电流,即磁能产生电流,才符合对称的原理。他对此深信不疑,从此开始了磁生电的研究。

1824~1828年,法拉第进行过多次电磁学实验来寻找感应电流。其中3个实验比较典型:①线圈接电池通电,另一根导线置于线圈旁,两端接电流计,结果未发现感应;②全导线穿过通电线圈,再接通电流计,仍未发现感应电流;③将导线绕成线圈, 置于通电线圈内,接通电流计,还是未发现感应电流

法拉第并不灰心,他认为失败是由于磁场还不够强,于是他将空心线圈增加了铁芯。1831年8月29日,他在7/8英寸厚、 外径为6英寸的铁环上绕制两个线圈A和B,B线圈接通电流计,A线圈和电池组连接。实验时他偶然发现,当A线接通时立即看到电流计偏转;当断开A线圈的电流时,再次看到电流计偏转,但方向相反。法拉第意识到这可能就是他寻找10年的磁生电现象。他记录道:“抓到了一点东西,但是还说不明白。”是否必须使用铁芯?他又做了一个实验。把长约186米的纱包铜线绕在一个木制圆筒上,再绝缘地绕上另一组同样的线圈并接通电流计。当原线圈与电池组接通时,电流计仍有微小的偏转,而接通后来的线圈时,产生灼热,电流计却不偏转。

法拉第想,这是不是由于接通和断开电源时,产生了“电波振荡引起的效应”呢?于是他不用电流产生磁场,而改用永久磁铁。在一个空心纸筒上绕上8组线圈,并联起来接通电流计。当把一根磁棒插人、抽出线圈时,电流计再次偏转。接着,法拉第又在两根大磁棒的N、S极之间放一个有铁芯的线圈,当铁芯线圈接触和脱离磁棒时,都有感应电流产生,电流比空心线圈要强一些。

至此,法拉第已经领悟了电磁感应现象的暂态性,铁芯只是增加感应的强度,而磁生电的条件在于“变化”。接着他又做了几十个类似的实验。他把产生感应的条件概括为5类:变化的电流、变化的磁场、运动的稳电流、运动的磁铁、运动中的导体,总体上称为电磁感应。

法拉第不仅有高超的实验技巧,而且他对电磁现象的思考也是卓越的。他天才地提出了”力线“和”场“的概念,为电磁学理论的发展指出了正确的方向。法拉第是一位伟大的物理思想家。

电磁感应现象被发现以后,电磁学实验定律都已经确立。物理学家希望在理论上进一步抽象和深化,建立一个能适应所有电磁现象的理论,即理论电磁学(主要内容是19世纪60年代麦克斯韦建立的方程组)。这首先要解决的问题是,在空间相隔的电荷或电流为什么能产生相互作用。在这个问题上有两种观点,一 种叫”超距作用“观点,认为电荷、电流直接作用,不需要任何媒介。这是一种错误观点,曾使一些物理学家走人死胡同而无建树。另一种叫“近距作用”观点,认为电荷、电流通过场建立相互作用,这是正确的观点。它引导着物理学家逐步认识了电磁世界的实质。第一个明确地、完整地提出“近距作用”观点的就是法拉第。

1837年,法拉第发现用绝缘提质隔开的两金属板(电容器)比由空气隔开的金属板能容纳更多的电荷。他认为,这说明媒质对电力作用是有影响的,电容两板上的电荷不是直接作用,而是由媒质分子逐点传播开去,媒质是作用力的中介,它处于特殊的形变状态。1845年,法拉第研究物质磁化时发现媒质对磁作用也有影响,如强磁作用可以使媒质的光偏振面发生扭转,他称之为磁光效应。这些事实使法拉第想到带电体和磁体周围一定存在物质的特殊状态,这是场的概念的雏形。

法拉第在1851年发表的论文中引人了力线概念,将场描述得更加清晰。他类比液体中用流线描述液体状态的方法,设想用电力线、磁力线来描述上述的“特殊状态”。法拉第认为电荷和磁极是力线的源,力线充满空间,力线的疏密反映了场的强弱。力线的源不变,则力线不变,源运动,则力线也运动。力线有纵向收缩的趋势,所以导性电荷或磁极表现为斥力。电磁感应是由于穿过回路的磁力线数发生变化。神秘的电磁感应居然得到这样明快的解释,可见力线对电磁现象的描述是很成功的。

与流线不同,法拉第认为力线不仅是一些几何图形,而且是一种物理实体。他曾在线片上撒上铁屑,放在磁体上轻轻振动, 显示出磁力线。法拉第认为这就是力线存在的证明,力线构成了电场和磁场。现在我们对电磁场有了更准确认识后,当然也不会因为法拉第受历史局限,而否认他的学说中宝贵的思想。

英国19世纪著名的物理学家开尔文曾评论说:“在法拉第的许多贡献中,最伟大的一个就是力线概念了。借助于它就可以把电场和磁场的许多性质,最简单又极富启发性地表现出来。” 法拉第用力线和场的概念把“近距作用”观点具体化了,为理论电磁学的发展作出了开创性、奠基性的贡献。

1832年,工作繁重的法拉第,把他当时无法用实验证实的一些重要思想写成备忘录交给英国皇家学会封存。他在备忘录中写道:“一个磁铁作用于远处的另一个磁铁时,产生作用的原因是从磁体上传出的,这种传播需要一定的时间,而这个时间显然是非常短促的……”他又写道: “我认为电磁感应也是这样传播的 ……” 这个时候不少物理学家还在超距作用的泥潭中挣扎,而法拉第这些闪光的思想在30年后由麦克斯韦从理论上证明了,50多年后也由赫兹用实验所证实。他的这个备忘录于1938年才启封,人们无不为法拉第的远见卓识而折服。

法拉第除了上述的贡献外,在化学、电化学、电磁学的其他领域都有许多成就。如当时由于电的来源不同而分为伽伐尼电、摩擦电、电磁感应电、温差电、生物电等,对深入研究电现象很不利。法拉第通过大量对比实验得出各种电本质上相同的结论,这对深入研究电磁现象非常重要。法拉第发现的电解定律是电化学的基础,他独立发现了自感现象,发明了第一台发电机和电动机,他对电介质和磁介质都作过深入的研究。总之,法拉第的每一项成果都能使他名垂科学史册。他是历史上罕见的、多产的、 贡献卓著的科学家。

法拉第把自己的全部精力都献给了科学事业。他坚靭不拔的探索精神、纯朴无私的人格和对人民的真挚感情,永远是我们学习的榜样。

1825年,法拉第已成为英国皇家研究院的教授。丰硕的科学成果使他有很大的名气。由于他对不镑钢和光学玻璃的研究,许多公司要用重金聘请他,但是他为了全身心地从事科学进步事业,都谢绝了。著名科学家丁铎尔说:“这位铁匠的儿子,一方面他可以得到15万镑的财富,另一方面是没有报酬的学问,他选择了后者,终生过着贫困的日子。然而这使英国的科学声望比各国都高,获得了近40年的光荣。” 1851年英国皇家学会一致推选法拉第为会长,英王还授予他爵位,法拉第都坚决地推辞了。他甘愿以平民的身份,实现献身科学事业的诺言。1862年法拉第退休后与妻子过着平静的生活。1867年他在书房里安详地离开了人世。遵照他的遗嘱,将他的遗体安葬于平民的海洛特公墓。人们为了永远纪念这位科学伟人,将电容的单位用他的名字命名。

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