物理史话之交流电之父法拉第

当瓦特改良了蒸汽机之后,人类进入了蒸汽时代;当另一个人发现了电磁感应现象,并以此现象发明了发电机和电动机之后,人类开始进入电气时代。对于这种能够开创一个时代的人,科普君向来是佩服得五体投地的,就让科普君怀着诚惶诚恐的心情来介绍今天的主角--科普君心中的法神--英国物理学家法拉第吧。

物理史话之交流电之父法拉第

迈克尔·法拉第

迈克尔·法拉第于1791年出生在英国的萨里郡纽因顿的一个贫苦的铁匠家庭,迈克尔是家中的老三(叫迈克尔的似乎都很牛,比如乔丹,比如泰森,比如舒马赫)。由于贫困,法拉第家里无法供他上学,因而法拉第幼年时没有受过正规教育,只读了两年小学。1803年,为生计所迫,他上街头当了报童。第二年又到一个书商兼订书匠的家里当学徒。订书店里书籍堆积如山,法拉第带着强烈的求知欲望,如饥似渴地阅读各类书籍,汲取了许多自然科学方面的知识,尤其是《大英百科全书》中关于电学的文章,强烈地吸引着他。在历史上,和书打交道的职位,很容易出现牛人,比如图书管理员、图书管理员、图书管理员等等。法拉第也不例外,那个年代的书还是很金贵的——其实欧洲的书一直都很贵——在普通人家中根本见不到几本。有幸能在书山之中工作的法拉第,就像干涸已久的沙漠一般,贪婪的吸收着这无边无际的知识。法拉第不放过任何一个学习的机会,在哥哥的资助下,他有幸参加了学者塔特姆领导的青年科学组织--伦敦城哲学会。通过一些活动,他初步掌握了物理、化学、天文、地质、气象等方面的基础知识,为以后的研究工作打下了良好基础。法拉第的好学精神感动了一位书店的老主顾,在他的帮助下,法拉第有幸聆听了著名化学家汉弗莱·戴维的演讲。他把演讲内容全部记录下来并整理清楚,回去和朋友们认真讨论研究。他还把整理好的演讲记录送给戴维,并且附信,表明自己愿意献身科学事业。结果他如愿以偿。20岁的法拉第做上了戴维的实验助手。从此,法拉第开始了他的科学生涯。戴维虽然在科学上有许多了不起的贡献,但他说,我对科学最大的贡献是发现了法拉第。

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汉弗莱·戴维

1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了通电导线周围存在磁场,这受到了当时科学界的关注。法拉第从中得到了启发,认为假如磁铁固定,线圈就可能会运动。根据这种设想,他成功地发明了一种简单的装置。在装置内,只要有电流通过线路,线路就会绕着一块磁铁不停地转动。事实上法拉第发明的是第一台电动机,是第一台使用电流将物体运动的装置。随后,法拉第仔细地分析了电流的磁效应等现象,认为既然电能够产生磁,反过来,磁也应该能产生电。又企图从静止的磁力对导线或线圈的作用中产生电流,但是努力失败了。经过近10年的不断实验,到1831年法拉第终于发现,一个通电线圈的磁力虽然不能在另一个线圈中引起电流,但是当通电线圈的电流刚接通或中断的时候,另一个线圈中的电流计指针有微小偏转。法拉第心明眼亮,经过反复实验,都证实了当磁作用力发生变化时,另一个线圈中就有电流产生。他又设计了各种各样实验,比如两个线圈发生相对运动,磁作用力的变化同样也能产生电流。这样,法拉第终于用实验揭开了电磁感应定律。法拉第的这个发现扫清了探索电磁本质道路上的拦路虎,开通了在电池之外大量产生电流的新道路。根据这个实验,1831年10月28日法拉第发明了圆盘发电机,这是法拉第第二项重大的电发明。这个圆盘发电机,结构虽然简单,但它却是人类创造出的第一个发电机。现代世界上产生电力的发电机就是从它开始的。

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法拉第圆盘发电机

1837年他引入了电场和磁场的概念,指出电和磁的周围都有场的存在,这打破了牛顿力学"超距作用"的传统观念。1838年,他提出了电力线的新概念来解释电、磁现象,这是物理学理论上的一次重大突破。1843年,法拉第用有名的"冰桶实验",证明了电荷守恒定律。

法拉第在电磁学的新领域中耕耘播种。他为了探讨电磁和光的关系,在光学玻璃方面费尽了心血。1845年,也是在经历了无数次失败之后,他终于发现了"磁光效应"。他用实验证实了光和磁的相互作用,为电、磁和光的统一理论奠定了基础。法拉第受限于自己薄弱的数学基础,他一直无法用公式描绘自己的想象,只能用文字把自己的想法详细记述下来。到1860年,法拉第69岁的时候,有一个20多岁的年轻人来拜访他,两个人一见如故,谈了很久。5年后,这个年轻人在论文中提出了一组完整、优美的方程。虽然我们如今所耳熟能详的这组简洁的方程和他最早提出的方程略有形式上的区别,但二者是完全等价的。这组方程中几乎囊括了电磁学的一切真理,即使随着后来物理学体系的不断扩充,这组方程都可以神奇的一起扩展,完美的统治着整个电磁世界。也许是受益于这位年轻人在诗歌方面的天赋,这组方程同时还有着一种极致的美感,仿佛是人类理性和感性智慧最和谐统一的体现。这位年轻人就是麦克斯韦,这组方程就是著名的麦克斯韦方程组。

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麦克斯韦和他美丽的方程组

1867年,法拉第在自己的寓所平静地离开了人世,享年75岁。一代科学巨星,在谱写完他不平凡的人生,给人类留下无价的宝藏以后与世长辞。法拉第的贡献惠及每个人,把人类文明提高到空前高度,把文明进程提前几十几百年,不能用金钱衡量其伟绩,如果硬用金钱衡量的话,有人说过超过全球股票价值,比他名气大的人还有:如牛顿如爱因斯坦们,但就对人类直接贡献来说,最大应属于法拉第以及发明青霉素的弗来明,没有人能同太阳比光辉,设立太阳节也不行,但是法拉第确实给人类带来光明动力。铭记先人才会进步,也许对人类贡献最大的是科学家,不是政客,500年后政客都会淡出,而法拉第们是不朽的。

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法拉第的墓碑

作为科学史上最出色的实验物理学家之一,法拉第坚持着一个朴素的真理:一切不能用实验验证的理论都是耍流氓。你尽可以吹嘘自己可以把水变油、可以令人长生不老、可以一统所有物理定律,但请你用严谨的、经得起检验的、可以无数次重现的实验来证明。如果可以试验,那即使没有成熟的理论解释,也可以慢慢去寻找。如果连个像样的实验都不敢做,那即使吹得天花乱坠,和电线杆上的小广告又有什么区别呢?

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