物理大發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象

物理大發(fā)現(xiàn):電磁感應(yīng)現(xiàn)象1820年，丹麥著名物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，揭開了研究電磁本質(zhì)聯(lián)系的序幕，他的這個重大發(fā)現(xiàn)很快便傳遍了歐洲，并被許多物理學(xué)家所證實(shí)。因此，人們確信電流能夠產(chǎn)生磁場。但反過來，磁能產(chǎn)生電嗎？許多物理學(xué)家很自然地提出了這個相反的問題，并開始對這個問題進(jìn)行艱苦的探索。其中，最有成效的是英國物理學(xué)家法拉第。從1821年到1831年，法拉第整整耗費(fèi)了10年時間，從設(shè)想到實(shí)驗(yàn)，漫長的歲月，失敗的痛苦，生活的艱辛，法拉第飽嘗了各種辛酸，經(jīng)過無數(shù)次反復(fù)的研究實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，于1831年確定了電磁感應(yīng)的基本定律，取得了磁感應(yīng)生電的重大突破。然而，法拉第在成績面前毫不驕傲，繼續(xù)大踏步地勇往直前，繼續(xù)探索科學(xué)的奧秘，取得了累累碩果；發(fā)現(xiàn)了電解定律和電荷的不連續(xù)性；最早進(jìn)行電介質(zhì)的性質(zhì)和氣體放電形式的研究，發(fā)現(xiàn)了順磁性和抗磁性，磁的各向異性；他發(fā)現(xiàn)了光偏振面在磁場中的轉(zhuǎn)動；把基本物理概念之一——磁場概念引入科學(xué)；創(chuàng)立了用低溫與高壓相結(jié)合的方法使氣體液化的工藝；發(fā)明了電壓電流表、電動機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、變壓器等等。俄國著名物理學(xué)家斯托列托夫贊譽(yù)道：“在伽利略之后，人類再沒有看到像法拉第那樣能做出如此驚人和多樣發(fā)現(xiàn)的人，也未必能很快看到另一個法拉第。”偉大的恩格斯也給予法拉第很高的評價，稱他是“最偉大的電學(xué)家?！狈ɡ诘目茖W(xué)造詣，已經(jīng)達(dá)到了絕大多數(shù)人認(rèn)為的世界科學(xué)成就的最高峰。英國皇家學(xué)院院長廷德爾教授特地請法拉第擔(dān)任英國皇家學(xué)會會長的職務(wù)。可是，這位“當(dāng)代最優(yōu)秀的科學(xué)家”，卻拒絕了這個榮譽(yù)職位。法拉第說：“廷德爾，我決心一輩子當(dāng)一個平凡的邁克爾·法拉第?！边@句話充分地概括了法拉第一生中不平凡的人格，同時，他的出身確確實(shí)實(shí)是平凡到了極點(diǎn)。1791年9月22日，法拉第出生在英國倫敦郊區(qū)的一個普通的鐵匠家庭。父親由于勞累成疾，經(jīng)常停工，所以家境貧寒，全家的生活常?？看壬茩C(jī)構(gòu)的救濟(jì)來勉強(qiáng)維持，有時甚至一個星期，法拉第只能吃到一個面包。法拉第后來回憶說：他的重年是在饑餓和寒冷中度過的。所以法拉第一生中幾乎沒有受過什么正規(guī)的學(xué)校教育。由于家境貧困，法拉第很小就開始自己謀生。12歲時，法拉第在離家不遠(yuǎn)的一個書店里當(dāng)送報(bào)童，既要到外面送取報(bào)紙，又要在店里打雜，工作十分繁重。禮拜天也不例外。法拉第必須天亮以前就起床，才能來得及分送好報(bào)刊，待客戶們看完后再及時地收回。顧客們都喜歡這位眼睛明亮、滿頭棕色卷發(fā)的小伙子。書店老板見法拉第工作既勤快，又肯動腦筋，在一年的年終時，破例提升他到店里的書籍裝訂處當(dāng)一名“免費(fèi)藝徒”，并兼管售書。這份新的工作，對法拉第來說，猶如上帝送給他的圣誕禮物?，F(xiàn)在，法拉第總算有了機(jī)會，不但可以看到書刊的外殼，更令他興奮的是可以熟悉書刊的內(nèi)容了。法拉第很快就學(xué)會了裝訂書籍的手藝，而且裝訂得又快又好。法拉第像富蘭克林少年時期一樣，完全靠頑強(qiáng)的刻苦自學(xué)，才獲得豐富的知識的。法拉第刻苦自學(xué)，閱讀各種書籍。他常常一邊裝訂書，一邊翻閱著書中的文章，并利用書店的廢紙訂成筆記本，摘錄著各種資料。他幾乎利用了所有工余時間，拼命地讀書。書店老板是個好心腸的人，對勤奮好學(xué)的法拉第十分憐愛，他說：“讀吧，法拉第，好好讀吧！愛讀什么就讀什么。訂書匠只管書的外表，可是你知道了書里的內(nèi)容，那也沒有什么壞處?！狈ɡ趲缀醢褧昀镅b訂好的新書都看遍了。書是人類知識的寶庫，勤奮讀書便是開啟知識寶庫的金鑰匙。法拉第在書店工作的8年間，始終堅(jiān)持不懈地刻苦讀書，他的頭腦就像一塊巨大的海綿一樣，盡情地在知識的海洋中貪婪地吸吮著，為他日后從事科學(xué)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。法拉第后來在回憶這段日子時說：“在當(dāng)學(xué)徒的時候，我愛看手邊的科學(xué)書，其中最愛讀的是瑪西特夫人的《化學(xué)漫談》和《大英百科全書》中的電學(xué)論文。我做了一些花費(fèi)得起的實(shí)驗(yàn)，每星期花上幾個便士，還制成了一種電學(xué)機(jī)械，起初用小玻璃瓶，后來就用真正的金屬圓筒以及其他這類電學(xué)儀器?！狈ɡ趶拈_始學(xué)習(xí)就很重視科學(xué)實(shí)驗(yàn)，他平時省吃儉用，從微薄的收入中節(jié)約出一點(diǎn)錢，購買了一些最簡單的實(shí)驗(yàn)器材，對照書本一個一個地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。店老板看了法拉第的實(shí)驗(yàn)后稱贊說：“這孩子真不尋常！”法拉第正是通過這樣孜孜不倦的學(xué)習(xí)和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，不僅了解了大量的科學(xué)知識，而且訓(xùn)練了自己的實(shí)驗(yàn)技能，逐漸摸索到了科學(xué)的門徑，靠自學(xué)掌握了有關(guān)電和化學(xué)的基礎(chǔ)理論。1812年初秋的一天，一位常來書店的皇家學(xué)會會員亞當(dāng)斯先生知道法拉第很喜歡化學(xué)和物理，便送給他4張皇家學(xué)院科學(xué)演講會的入場券。主講人是皇家學(xué)會會長、皇家學(xué)院的化學(xué)教授戴維，他是電化學(xué)的創(chuàng)始人之一，他主講的內(nèi)容是關(guān)于電學(xué)的研究。法拉第懷著極大的興趣聆聽了戴維的演講，并做了詳盡細(xì)致的聽講記錄。法拉第被深深打動了，他決心尋找自己的科學(xué)之路。法拉第對科學(xué)充滿了憧憬，他寫信給倫敦學(xué)會主席班克斯，希望能到皇家學(xué)院去工作，但遭到了回絕。法拉第并不灰心。他把戴維教授的4次演講記錄。經(jīng)過精心整理，在有些地方，根據(jù)自己的理解加以發(fā)揮補(bǔ)充，還畫了許多插圖，注明戴維教授做的一些示范實(shí)驗(yàn)，并把這份聽講記錄裝訂成冊，在書脊上燙上金字。然后，法拉第把這本自己精雕細(xì)刻的《享·戴維爵士演講錄》寄給戴維教授、同時附了一封言辭懇切的求職信。法拉第在信中訴說了自己貧困的身世，以及對科學(xué)的向往，他迫切渴望能得到一個可以接觸科學(xué)技術(shù)的職位，只要能參與為人類造福的科學(xué)事業(yè)，不論待遇怎么低，他都十分樂意。1812年12月25日，戴維收到了書和信。開始，他感到很奇怪，自己從未出版過什么演講錄，哪里出的這本書呢？他真沒有想到，自己的4次演講總共不過4個多小時，而這本演講錄竟有380頁之多。所講的都詳盡地記錄在里面，還補(bǔ)充了許多沒有講的內(nèi)容，這本書凝聚著整理者多少敬仰和心血?。∽x了法拉第的信后，戴維被這個年輕人的身世和熱情深深感動了。從這個陌生的年輕人身上，戴維著到了一種最寶貴的東西——對科學(xué)的熱愛和獻(xiàn)身精神。圣誕節(jié)前夕，戴維到皇家學(xué)院去，找到皇家學(xué)院理事佩皮斯先生，建議錄用這個有志向的年輕人到皇家學(xué)院來工作。佩皮斯說：“叫他來洗瓶子吧！要是他還有點(diǎn)用，那他會來的，要是他不肯來干，那他就是個沒用的人?！碑?dāng)天晚上，戴維就給法拉第寫了回信：“承蒙寄來大作，讀后不勝愉快。它展示了你巨大的熱情，記憶力和專心致志的精神。最近我不得不離開倫敦，到月底才能回來。我很樂意為你效勞。我希望這是我力所能及的事。”1813年3月1日，在戴維教授推薦下，法拉第的愿望終于實(shí)現(xiàn)了，他進(jìn)入了皇家學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室，給戴維教授當(dāng)助手，開始了他的科學(xué)創(chuàng)造生涯，在皇家學(xué)院整整工作了50年。法拉第埋頭苦干，洗瓶子、擦桌子，拖地板，把實(shí)驗(yàn)室打掃得干干凈凈。法拉第頭腦靈敏，喜歡動腦筋分析問題，很快就熟悉了電化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)。為人謙虛的法拉第總是恭敬地向教授提出一些建議，深受戴維教授的賞識，允許他參加自己的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作。不久，法拉第就可以獨(dú)擋一面地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一些成績。沒有幾個月的時間，戴維已對法拉第寄予完全的信任，邀請法拉第作他的“哲學(xué)助手”，陪伴他一同到歐洲各大城市去講學(xué)。戴維一生中有過許多重要的發(fā)現(xiàn)，但是，他后來卻自豪地說：“我一生中最偉大的發(fā)現(xiàn)，是法拉第?！?813年10月13日，法拉第有幸隨同戴維教授到歐洲大陸各國訪問和講學(xué)。對于一個鐵匠的兒子，一個足跡從未越出倫敦地平線的22歲的年輕人來說，這次歐洲之行，實(shí)在不亞于《愛麗絲奇遇記》一書中的女主角愛麗絲的漫游奇境。法拉第在日記中寫道：“今天早晨迎來了我一生的新時代?！睆?813年10月到1815年3月的一年半中，法拉第跟隨導(dǎo)師先后到了法國、意大利、德國、比利時、瑞士等地，這對于年輕的法拉第來說，是一次極好的學(xué)習(xí)機(jī)會，使他開闊了眼界，接受了鍛煉，有機(jī)會認(rèn)識了當(dāng)時許多知名的科學(xué)家，如安培、蓋—呂薩克、洪波爾特等，并參觀了他們的實(shí)驗(yàn)室。在日記中，法拉第記下了自己興奮的心情：“夜間海上燦爛的波光”、“莊嚴(yán)雄偉的群山”，“籠罩在霧鬢云鬟里的楓丹白露的森林”，“維蘇威火山的噴火口——那個噴出一串串的煙塵和一陣陣赤熾的石流的無底洞穴。”在日記中，他還詳細(xì)地記錄了戴維在各地講學(xué)的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過程，以及各國科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)方法，風(fēng)格特長等。這次出訪，對后來法拉第在電學(xué)和化學(xué)方面取得重大成就，起了很大的作用?；貒?，法拉第立即投入了緊張的科研工作。當(dāng)時皇家學(xué)院被公認(rèn)為是“最高深的科學(xué)研究和最佳、最專門化的科學(xué)講演之家”。法拉第經(jīng)常參加皇家學(xué)院的講習(xí)會，有時也充當(dāng)一個臨時性的講師。他的一個朋友描繪了一幅粗略，卻頗為生動的法拉第立在講壇上的畫像：“年輕人熱情洋溢，滿臉春風(fēng)習(xí)習(xí)，歡樂為其友，邪惡為其敵，他衣冠修整，平凡而又恭謙。為真理而耕耘，不為名利而賣力?！碑?dāng)時，法拉第每星期的收入僅有30先令，但是他從不在乎名和利，全心身地勤奮學(xué)習(xí)和工作，功夫不負(fù)有心人，1816年，25歲的法拉第在《科學(xué)季刊》上發(fā)表了《多斯加尼本生石灰的分析》一文，這是他的第一篇化學(xué)論文。隨后兩年中，法拉第先后發(fā)表了17篇化學(xué)分析方面的論文。其中一篇關(guān)于火焰的論文，大膽地指出當(dāng)時理論中存在的一些謬誤，法拉第研究氯氣和其他氣體凝結(jié)過程的成就引起了倫敦科學(xué)界的注意。法拉第終于靠刻苦自學(xué)，勤勉工作成長為一名年輕有為的科學(xué)家。這期間，法拉第愛上了一位年輕女郎——撒拉·巴納德。盡管早年法拉第曾經(jīng)在筆記本上寫過一段諷刺愛情的話：“什么是愛情？除當(dāng)事人而外，它是每一個人都討厭的東西?！钡?，現(xiàn)在法拉第完全不同了，他開始一個勁地向撒拉表示愛慕之情，甚至惹起她的討厭也在所不顧。撒拉·巴納德在法拉第給她的書面求婚書上寫了幾個字：“愛情使哲學(xué)家成了糊涂蟲?！闭軐W(xué)家用他獻(xiàn)身科學(xué)的鍥而不舍的精神，堅(jiān)持自己的“糊涂舉動”，丘比特的愛情之箭終于射中了巴納德小姐的芳心。1821年，他們結(jié)為伉儷，雖然婚后沒有子女，但是兩人恩愛無間，白頭偕老。后來，法拉第非常滿意地說：“結(jié)婚比任何其他事件更強(qiáng)烈地促進(jìn)了我的塵世的幸福和健全的思維能力?！?，除了變得更加親密和熾熱之外，再沒有發(fā)生任何變化。”的確，法拉第的妻子非常賢惠，在幾乎長達(dá)半個世紀(jì)的時間里，撒拉無微不至地照顧著法拉第，讓她的丈夫毫無牽掛地在科學(xué)領(lǐng)域里自由翱翔。1821年，法拉第擔(dān)任皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室總監(jiān)和代理實(shí)驗(yàn)室主任，后來被推選為皇家學(xué)會會員，1825年接替戴維任實(shí)驗(yàn)室主任。從1821年起，法拉第開始進(jìn)行電和磁的研究。1821年10月21日，他發(fā)表了第一篇電磁學(xué)論文《論某些新的電磁運(yùn)動兼磁學(xué)理論》。法拉第根據(jù)自己做的大量實(shí)驗(yàn)，確信電和磁就像銅幣的圖案和字樣一樣，是同一事物的兩個方面，既然電流可以產(chǎn)生磁，那么為什么磁不能產(chǎn)生電流呢？法拉第在日記中寫下了一個嶄新的研究課題：“把磁轉(zhuǎn)變成電”。為了把這個閃光的設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，法拉第含辛茹苦，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里度過整整10個春秋了，做了成百上千次的實(shí)驗(yàn)，電池組已增加到120個電瓶，這說明同最初的實(shí)驗(yàn)相比，電流量增大了120倍，做實(shí)驗(yàn)用的線圈，已不知更換了多少。然而，實(shí)驗(yàn)仍未取得決定性的突破。面對一次次的失敗，法拉第毫不氣餒，繼續(xù)苦苦地探索著。1831年秋季的一天，和風(fēng)吹過，天氣已經(jīng)開始轉(zhuǎn)涼，法拉第還是穿著那件舊外套，埋頭在實(shí)驗(yàn)室里緊張地工作著。他復(fù)查了全部實(shí)驗(yàn)記錄，逐件仔細(xì)檢查了實(shí)驗(yàn)器具，連一根小導(dǎo)線都不放過，并對設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)方法也進(jìn)行了全面的反省。法拉第慎重地開始了又一次實(shí)驗(yàn)。法拉第用一根長為220英尺的銅絲繞在一個圓筒上，線圈的兩端連著一個電流計(jì)。當(dāng)他用一根磁鐵插入或抽出線圈時，電流計(jì)就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)；如果磁鐵在線圈中不動時，電流計(jì)就不動。于是他得出結(jié)論：只有磁鐵在線圈中運(yùn)動時才能產(chǎn)生電流，他把這個發(fā)現(xiàn)稱作電磁感應(yīng)現(xiàn)象，這種電流叫做感應(yīng)電流。后來，法拉第又改變了實(shí)驗(yàn)方法，他把線圈放在磁鐵的兩極之間，當(dāng)線圈不斷旋轉(zhuǎn)時，線圈中就能產(chǎn)生持續(xù)不斷的電流。這一重大發(fā)現(xiàn)，為制造發(fā)電機(jī)奠定了基礎(chǔ)。法拉第整整耗費(fèi)了10年的心血，終于在自己40歲時獲得了成功，發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，這是電學(xué)發(fā)展史上一個劃時代的發(fā)現(xiàn)。然而，當(dāng)法拉第向皇家學(xué)會做報(bào)告時，竟有人用懷疑的口吻問他：這個發(fā)現(xiàn)究竟有什么用？法拉第反問道：“新生嬰兒有什么用？”回答得多么巧妙?。⌒律鷭雰壕哂袕?qiáng)大的生命力，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)則預(yù)示著人類將進(jìn)入一個嶄新的電氣時代！法拉第實(shí)現(xiàn)了“把磁轉(zhuǎn)變?yōu)殡姟钡睦硐牒?，并不滿足，再接再厲，提出了一系列新的研究課題，接二連三地做出了許多新的重要的發(fā)現(xiàn)：他發(fā)現(xiàn)了電解定律；發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng)；發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的抗磁性等等。法拉第成為近代電磁學(xué)的奠基人。法拉第不僅在電磁學(xué)方面取得了杰出的成就，在化學(xué)方面也有很多重要的貢獻(xiàn)：他發(fā)現(xiàn)了兩種新的氯化碳，創(chuàng)制了光學(xué)玻璃的新品種，研究了合金鋼的性能，還發(fā)現(xiàn)了苯，對有機(jī)化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展起了很大的推動作用。法拉第一生取得了如此輝煌的成就，但他從不居功自傲。他在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后，寫信給他的朋友菲利浦斯說：“我正再忙于研究電磁學(xué)。我想，我撈到了一點(diǎn)好東西?？墒菦]有把握，或許我花費(fèi)了那么多勞動，撈到的不是一條魚，而是一團(tuán)水草。”其實(shí)，何止是