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迈克尔·法拉第

迈克尔·法拉第

迈克尔·法拉第(Michael Faraday,公元1791~公元1867)英国物理学家、化学家,也是著名的自学成才的科学家。生于萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭。仅上过小学。1831年,他作出了关于力场的关键性突破,永远改变了人类文明。法拉第出身贫寒,自学成才,工作勤奋,热心科普工作,是实验大师。他发现了电磁感应现象、法拉第电解定律和磁致旋光效应,提出了力线和场的概念,主张自然界的各种力相互有关,反对超距作用的观点。J.C.麦克斯韦电磁场理论是在法拉第工作的基础上建立的。法拉第的主要著作有《电学实验研究》、《化学和物理学实验研究》、《日记》。

 

生平简介

 

迈克尔·法拉第(Michael Faraday,公元1791~公元1867)

英国物理学家、化学家,也是著名的自学成才的科学家。

1791年9月22日出生萨里郡纽因顿一个贫苦铁匠家庭。因家庭贫困仅上过几年小学,13岁时便在一家书店里当学徒。书店的工作使他有机会读到许多科学书籍。在送报、装订等工作之余,自学化学和电学,并动手做简单的实验,验证书上的内容。利用业余时间参加市哲学学会的学习活动,听自然哲学讲演,因而受到了自然科学的基础教育。由于他爱好科学研究,专心致志,受到英国化学家戴维的赏识,1813年3月由戴维举荐到皇家研究所任实验室助手。这是法拉第一生的转折点,从此他踏上了献身科学研究的道路。同年10月戴维到欧洲大陆作科学考察,讲学,法拉第作为他的秘书、助手随同前往。历时一年半,先后经过法国、瑞士、意大利、德国、比利时、荷兰等国,结识了安培、盖·吕萨克等著名学者。沿途法拉第协助戴维做了许多化学实验,这大大丰富了他的科学知识,增长了实验才干,为他后来开展独立的科学研究奠定了基础。1815年5月回到皇家研究所在戴维指导下进行化学研究。1824年1月当选皇家学会会员,1825年2月任皇家研究所实验室主任,1833----1862任皇家研究所化学教授。1846年荣获伦福德奖章和皇家勋章。1867年8月25日逝世。

我们的时代是电气的时代,不过事实上我们有时称为航天时代,有时称为原子时代,但是不管航天旅行和原子武器的意义多么深远,它们对我们的日常生活相对来说起不了什么作用。然而我们却无时不在使用电器。事实上没有哪一项技术特征能象电的使用那样完全地渗入当代世界。

许多人对电都做出过贡献,查尔斯·奥古斯丁·库仑,亚历山得罗·伏特伯爵,汉斯·克里斯琴·奥斯特,安得烈·玛丽·安培等就在最重要的人物之列。但是比其他人都遥遥领先的是两位伟大的英国科学家迈克尔·法拉第和詹姆士·克拉克·麦克斯韦。虽然他俩在一定程度上互为补充,但却不是合作人。其中各自的贡献就足以使本人在本名册中排列在前。

迈克尔·法拉第

1791年9月22日是一个光辉的日子,一代科学巨匠迈克尔·法拉第降生在英国萨里郡纽囚顿一个贫苦的铁匠家庭。法拉第的一生是伟人的,然而法拉第的童年却是十分凄苦的。

为了解决全家的温饱,老法拉第带着5岁的小法拉第迁到伦敦,希图改变贫穷的命运,不幸的是上帝非但没有给法拉第一家赐福,反而在小法拉第九岁那年夺取了老法拉第的生命。迫于生计,幼小的仅有九岁的迈克尔·法拉第不得不承担起生活重担,去一家文具店充当学徒。四年以后,13岁的法拉第又到书店学徒。起初负责送报,后来充当图书装订工。真所谓“天将降大任于斯人也,必先苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤……”。

贫穷是不幸的,童工的生涯其清苦可知。难能可贵的是小法拉第不安于贫穷,不安于清苦,奋志好学。14岁时他跟一位装书兼卖书师傅当学徒,利用此机会博览群书。他在二十岁时听英国著名科学家汉弗利·戴维先生讲课,对此产生了浓厚的兴趣。他给戴维写信,终于得到了为戴维当助手的工作。法拉第在几年之内就做出了自己的重大发现。虽然他的数学基础不好,但是作为一名实验物理学家他是无与伦比的。

1810年十九岁的法拉第连续听了J·塔特姆所做的十几次自然哲学讲演并开始参加市哲学学会的学习活动,从中受到自然哲学的基础教育。1812年2月到4月,21岁的法拉第有幸在皇家研究所听了H·戴维的四次化学讲演。这位大化学家渊博的知识立即吸引了年轻的法拉第。他热忱地把戴维的每个科学观点转述给市哲学学会的同伴们。他精心整理听课笔记并装订成一本精美的书册,取名《H·戴维爵士演讲录》,并附上一封渴望做科学研究工作的信,于1812年圣诞节前夕一起寄给了戴维。法拉弟热爱科学的激情感动了戴维,他所精心整理装订的“精美记录册”更使戴维深感欣慰.这时又正直他学徒期满,于是戴维特推荐他于1813年3月进入皇家研究所当他的助手。同年10月跟随戴维去欧洲大陆作科学考察旅行。这次旅行使法拉第上了一次“社会大学”,沿途他认真地记录了戴维在各地讲学的内容,学到了许多科学知识,而且结识了许多著名的科学家,如盖·吕萨克和安培等。增长了见闻,开扩了眼界。到1815年5月回到皇家研究所,法拉第已能在戴维指导下做独立的研究工作并取得了几项化学研究成果。1816年法拉第发表了第一篇科学论文。从18I8年起他和J·斯托达特合作研究合金钢,首创了金相分析方法。1820年他用取代反应制得六氯乙烷和四氯乙烯。1821年任皇家学院实验室总监。1823见他发现了氯气和其他气体的液化方法。1824年1月他当选为皇家学会会员。1825年2月接替戴维任皇家研究所实验室主任。同年发现苯。

The tetrachloroethylene molecule, first synthesised by Michael Faraday in 1821

更主要的是他在电化学方面(对电流所产生的化学效应的研究)所做出的贡献。经过多次精心试验,法拉第总结了两个电解定律,这两个定律均以他的名字命名,构成了电化学的基础。他将化学中的许多重要术语给予了通俗的名称,如阳极、阴极、电极、离子等。

1821年法拉第完成了第一项重大的电发明。在这两年之前,奥斯特已发现如果电路中有电流通过,它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移。法拉第从中得到启发,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。虽然装置简陋,但它却是今天世界上使用的所有电动机的祖先。

这是一项重大的突破。只是它的实际用途还非常有限,因为当时除了用简陋的电池以外别无其它方法发电。

English chemists John Daniell (left) and Michael Faraday (right), credited as founders of electrochemistry today

人们知道静止的磁铁不会使附近的线路内产生电流。1831法拉第发现第一块磁铁穿过一个闭合线路时,线路内就会有电流产生,这个效应叫电磁感应。一般认为法拉第的电磁感应定律是他的一项最伟大的贡献。

用两个理由足以说明这项发现可以载入史册。第一,法拉第定律对于从理论上认识电磁更为重要。第二,正如法拉第用他发明的第一台发电机(法拉第盘)所演示的那样,电磁感应可以用来产生连续电流。虽然给城镇和工厂供电的现代发电机比法拉第发明的电机要复杂得多,但是它们都是根据同样的电磁感应的原理制成的。

是法拉第把磁力线和电力线的重要概念引入物理学,通过强调不是磁铁本身而是它们之间的“场”,为当代物理学中的许多进展开拓了道路,其中包括麦克斯韦方程。法拉第还发现如果有偏振光通过磁场,其偏振作用就会发生变化。这一发现具有特殊意义,首次表明了光与磁之间存在某种关系。

法拉第的一生是伟大的,法拉第其人又是平凡的,他非常热心科学普及工作,在他任皇家研究所实验室主任后不久,即发起举行星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座。他在100多次星期五晚间讨论会上作过讲演,在圣诞节少年科学讲座上讲演达十九年之久.他的科普讲座深入浅出,并配以丰富的演示实验,深受欢迎.法拉第还热心公众事业,长期为英国许多公私机构服务.他为人质朴、不善交际、不图名利、喜欢帮助亲友.为了专心从事科学研究,他放弃了一切有丰厚报酬的商业性工作.他在1857年谢绝了皇家学会拟选他为会长的提名,他甘愿以平民的身份实现献身科学的诺言,终身在皇家学院实验室工作一辈子,当一个平凡的迈克尔·法拉第。

1867年8月25日,平民迈克尔·法拉第在书房安详地离开了人世。

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。

Michael Faraday's grave at Highgate Cemetery

 

传奇人生

 

青少年时代

 

1791年 9月22日。法拉第出生在萨里郡纽因顿一个贫苦的铁匠家庭里。5岁时随父母到伦敦。在一所普通的日校读书。13岁时法拉第在书店中当学徒,起初送报,后学装订,工余时间自学化学和电学,并动手做实验,验证书上的内容。他在装订不列颠百科全书时,偶然看到了《电学》这个条目,更加激发了他对科学的热情。1810年2月至第二年9月,听了J.塔特姆所作的十几次自然哲学讲演,并开始参加市哲学学会的学习活动,受到了自然科学的基础教育。1812年2月至4月,又在皇家研究所听了H.戴维的4次化学讲座,每次他都细心笔录,清理成稿,而且热忱地抓住戴维的每个科学观点,转述给市哲学学会的同伴。这年10月法拉第学徒满师,写信给戴维,表示献身科学事业的决心,并随信附上自己记录、装订的《H.戴维爵士讲演录》。1813年3月,经戴维介绍进皇家研究所任实验室助手。同年10月,随戴维去欧洲大陆作科学考察旅行。1815年 5月回皇家研究所,在戴维指导下从事化学研究。戴维的广博和深邃的知识,给法拉第以最重要的影响。

法拉第

 

早期科学工作

 

法拉第的第一篇科学论文曾发表于1816年。从1818年起他和J.斯托达特合作,研究合金钢,首创了金相分析方法。1820年他用取代反应制得六氯乙烷和四氯乙烯。在1820年H.C.奥斯特发现电流能使其周围的磁针偏转以后,引起研究电和磁的关系的热潮。法拉第研究了这方面的问题,并在1821年9月发现通电流的导线能绕磁铁旋转,这是他的第一个重要发现。1823年,他发现了氯气和其他气体的液化方法。1824年1月,法拉第当选为皇家学会会员,1825年2月任皇家研究所实验室主任。同年,发现苯,为芳香族化合物的研究和应用开辟了道路;并开始研究光学玻璃的制造技术。

 

电磁感应的发现和场的概念的诞生

A solenoid

 

从1831年起,法拉第的科学工作进入一个新阶段。早在1824年,他就论证过,既然电对磁有作用,那末磁也应当对电有反作用。经过多次实验,他终于在1831年8月获得成功。他在一个圆形软铁环两边绕上A、B两组线圈,在A组线圈同伏打电池接通或切断的瞬间,B组线圈中会感生出电流,法拉第把这叫做“伏打电感应”(见彩图M.法拉第(1791~1867)用过的螺绕环)。10月又发现,磁铁和导线的闭合回路有相对运动时,回路中会产生感生电流,法拉第称之为“磁电感应”。伏打电感应孕育了变压器的诞生,磁电感应预告了发电机的出现。这两类电磁感应现象的发现为电在未来的大规模应用奠定了基础。这项工作获得了皇家学会的科普利奖章。

受电磁感应启示,法拉第直觉地揣测到磁铁周围是一个充满力线的场,感生电流的产生是由于导体切割力线。1832年3月12日,他在文稿中写道:“……使我相信,磁的作用是渐进的,是需要时间的,”“有理由假设,电(压)的感应也是以类似的渐进方式进行的。”这是物理学史上第一次认真地向力的超距作用概念提出的挑战。

A voltaic pile

 

法拉第电解定律和其他电学实验研究

 

1833年法拉第任皇家研究所富勒化学讲座教授。1832年他发表了《不同来源的电的同一性》一文,用实验证明:“不管电的来源如何,它的本性都是相同的。”1833~1834年,他发现了两条电解定律(后来称为法拉第第一和第二电解定律)。这是电化学的开创性工作,第二定律并且指明了电荷具有最小单位。法拉第电解定律是基本电荷存在的有力证据。正如H.von亥姆霍兹所说:“法拉第定律的最令人惊异的结论也许是:如果我们接受元素物质由原子组成的假说,就不可避免地要做出结论:不论正电和负电,都可以分成单元,其行为如同电的原子。”法拉第还制订了许多电化学术语,并测定了电解1克当量物质所需要的电量为96484库仑,后来这被称为法拉第常数。从1834年起,法拉第对伏打电池、静电、电容和电介质的性质进行了大量实验研究。1843年,用冰桶实验证明电荷守恒原理,为了纪念他在静电学方面的工作,电容的实用单位称为法拉。

 

磁致旋光效应和抗磁性现象的发现

 

An external electrical field causes the charges to rearrange, which cancels the field inside

1845年8月,法拉第研究电和磁对偏振光的影响,9月用过去研制的重玻璃做实验,发现原来没有旋光性的重玻璃在强磁场的作用下产生旋光性,使偏振光的偏振面发生偏转。这是人类第一次认识到电磁现象和光现象之间的关系。磁致旋光效应后来称为法拉第效应。

1845年11月,法拉第发现大多数物质具有抗磁性,而认为并不存在什么磁极。他提出电和磁的作用是以介质为中介来传递的,而介质便成为电场和磁场的载体。1846年 5月,他发表了《关于光振动的想法》一文。他写道:“……把辐射看作在力线中所作的一种高级振动……,我的观点是排除以太,但并不排除振动。”19世纪后半叶,实验观测到电磁波的存在,证实了法拉第的大胆预言。当然,法拉第并没有真正排除以太,他把电磁现象看作是一种连续媒质中的应力和应变的表现。这种假想的连续媒质后来被叫做电磁以太,和所谓的光以太是同一种东西。

Faraday in old age

 

晚年研究工作

 

法拉第工作过度劳累,中年开始健康受到损害,但仍一直坚持工作到晚年。他研究火焰和各种气体的磁性,研究晶体在磁场中所受的力。借助力线的概念,他对电磁感应现象进行定量研究,归纳出著名的法拉第电磁感应定律。法拉第晚年的研究工作仍然是为了证实他的一个坚定信念──自然界的各种力相互有关。在1845年他写道:“我早就相信力的统一性。”1849年和1859年进行多次试验,试图发现重力和电的关系。法拉第实验日记中最后一个的编号是 16041。这个实验是在1862年3月12日,为的是寻找磁场对光源发射光谱谱线的影响,没有成功。

法拉第的自然哲学思想及其对物理学发展的影响法拉第是实验大师,人们常常称他是19世纪最伟大的实验物理学家,不过他自己更喜欢称自己是自然哲学家。法拉第具有丰富的直觉想象能力。他的关于自然界的各种力相互有关并具有同一来源,空间有场,场中充满力线,力的作用以场为中心以有限速度传递等观点,与19世纪占统治地位的牛顿派的观点针锋相对,是有革命性的。法拉第的一些失败了的实验,在许多年后由别人做成功了,如电光效应在30年后由J.克尔发现,磁场对光源发射光谱谱线的影响在34年后由P.塞曼证实;而引力场和电磁场的统一至今仍是物理学中的重大问题。H.本斯-琼斯评论他的场论思想说:“将物质非物质化为‘力的中心’,又将物质有运动倾向的方向物质化为‘物理上实有的力线’。”诚如麦克斯韦所说:“这些观念是以一种更适合于一门正在形成中的科学的语言表述的。”场概念的提出为建立电磁现象的理论奠定了基础。20世纪中发展起来的广义相对论和量子场论,更进一步发展了法拉第的场的理论。

Electromagnetic rotation experiment of Faraday, ca. 1821

 

科学普及工作

 

法拉第热心科学普及工作。在任皇家研究所实验室主任后不久,发起举行星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座。他在 100多次星期五晚间讨论会上作过讲演,在圣诞节少年科学讲座上讲演达19年之久。他的科普讲座深入浅出,配以丰富的演示实验,深受欢迎。他在1860~1861年间的演讲,被W.克鲁克斯汇集成著名的科普读物《蜡烛的故事》。法拉第还热心公众事业,长时期为英国的许多公私机构服务。

法拉第为人质朴,喜欢帮助亲友,不善交际、不图名利。为了专心从事科学研究,他放弃一切有丰厚报酬的商业性工作。英国政府拟封他为爵士,1857年皇家学会拟选他为会长,均被拒绝,因为他愿意永远是普通的法拉第。他1865年退休。1867年8月25日,在维多利亚女王赠给他的寓所中逝世。

法拉第

 

奇闻轶事

 

努力奋斗的法拉第

 

朋友,你一定知道法拉第这个光辉的名字吧!他在1831年发现的电磁感应现象,预告了发电机的诞生,开创了电气化的新时代。他毕生致力研究的科学理论——场的理论,引起了物理学的革命。相传法拉第的老师戴维,一个誉满全球、世界公认的大化学家在瑞士日内瓦养病时,有人问他一生中最伟大的发现是什么,他绝口不提自己发现的钠、钾、氯、氟等元素,却说:

“我最伟大的发现是一个人,是法拉第!”

是的,戴维回答得好,重要的是人!下面就是这个学徒出身的大科学家在踏进科学大门之前,在坎坷的生活道路上向往科学、努力奋斗以及在进入科学殿堂之后建立丰碑的故事。

为了装备自己的小实验室,法拉第到药房里去拣别人扔掉的瓶子,花半个便士买一点最便宜的药品。他抱着拣来的、买来的东西,回到书店里的阁楼上,心里乐开了花。从此,每天下工以后,法拉第埋头在自己的小实验室里点上一支蜡烛,进行实验。

1791年9月22日,迈克尔.法拉第出生在一个铁匠的家里。他父亲体弱多病,铁匠铺开不下去了,最后只好盘给人家,自己去当帮工。为了维持生活,法拉第12岁当报童,13岁去里波先生的书店里当学徒,学装订手艺。从此,法拉第走上了生活的道路。

从13岁到21岁,法拉第在书店里当了8年学徒。这正是他长知识、长身体的时期。在将近3000个夜晚,法拉第把时间都用在读书和实验上了。

在里波先生的书店里,到处是书。这里是智慧的源泉,知识的海洋。法拉第象一块巨大的海绵,在知识的海洋里贪婪地吸吮着。劳动了一天以后,他在微弱的烛光下拼命地读书。书里讲的那些电的现象和化学实验,把法拉第迷住了。他渴望把书上讲的那些实验能做一遍,可是一个穷学徒哪来的钱买仪器和药品呢!

Michael Faraday meets Father Thames, from Punch (21 July 1855)

里波先生的书店在伦敦是很有名气的,加上法拉第手艺出众,态度和气,赢得了顾客的好感。因此,皇家学会很多会员,都乐意把自己的科技书籍送来装订。顾客中有位当斯先生很喜欢法拉第,有一次他送 给法拉第4张入场券,让他去皇家学院听大化学家戴维的讲座。

1812年2月的一个晚上,法拉第生平第一次跨进皇家学院的大门,坐在阶梯形的讲演厅里。他的心情紧张而又焦急。戴维终于出现了,大厅里响起一阵阵热烈的掌声。戴维讲的题目是发热发光物质,讲得那么轻松,却又那么透彻。他精神抖擞,神采奕奕,天才的光华和热力,似乎正从他的身上向外辐射。法拉第被深深地吸引住了,他飞快地记着,笔记本翻过一页又一页。

法拉第一连听了戴维的4次讲座,好像游历了美丽、庄严、圣洁的科学殿堂,那里阳光灿烂,照得他心里 光明、温暖。他把4次听讲的笔记仔细整理以后,用漂亮的皮封面装订成册。他经常轻轻地翻阅,多么渴望 能从事科学研究工作啊!

遗憾的是,在那个时代,命运对穷人从来不露出笑脸。它总是一副威严、狰狞的面孔,迫使你对它膜拜和屈服。然而,也有许多穷人并不屈从,他们顽强地和命运搏斗。法拉第就是其中最顽强的一个。这个铁匠的儿子,从小爱看父亲挥舞大锤,一下一下地锻打烧红的铁块。铁块变冷变硬以后,父亲把它放在炉火里重新烧红。经过千锤百炼,铁坯终于按照人的意志变成各种工具。父亲曾经自豪地对他说:铁匠面前永远没有顽铁。多少年来,父亲的话一直激励着他。

于是,他决定写信给当时的英国皇家学会会长班克斯爵士,要求在皇家学院找个工作,哪怕在实验室里洗瓶子也行。他心神不宁地等了整整一个星期,音信全无。他忍不住跑到皇家学院去打听,得到的回音只是冷冰冰的一句话:“班克斯爵士说,你的信不必回复!”

法拉第

受到这个屈辱的打击,法拉第感到伤心。但他毫不气馁。他想起自己学画的经历。法拉第从小就练得一手好字。至于绘画,他是从一个名叫马克里埃的法国画家那里学来的。那位曾经给拿破仑皇帝画过像,后来横渡英吉利海峡,流亡到伦敦的画家,恰好借住在里波先生铺子的楼上,和法拉第成了邻居。画家看到法拉第学画心切,答应教他。作为交换条件,法拉第要替画家擦皮靴和收拾房间。画家心眼不坏,教得也很认真,可脾气不好,经常责骂法拉第。法拉第逆来顺受,坚持跟他学画,终于学会了投影和透视,能够逼真地、艺术地把眼前的东西画下来。从这段经历中,他体会到:只有忍辱负重,敢于向命运挑战,才能把本来不属于自己的东西追求到手。

法拉第又一次向命运挑战了。他鼓起勇气给戴维写信,并且把装订成册的戴维4次讲座的笔记一起送去。法拉第巨大的热情、超人的记忆和献身科学的精神,感动了这位大化学家。法拉第到皇家学院化学实验室当了戴维的助手。科学圣殿的大门向学陡出身的法拉弟打开了! 

Michael Faraday holding a glass bar of the type he used in 1845 to show that magnetism can affect light in a dielectric material

 

实验的价值

 

发明了世界上第一架发电机的英国化学家和物理学家法拉第(1791—1867年),对知识有着执著的追求,为了一项科学研究,他常常百折不挠,这使得那些急功近利的人迷惑不解。

有一次,他的一个熟人、税务官格拉道斯通,看到法拉第在做一个在他看来毫无实用价值的实验,便问道:“花这么大的力气,即使成功了,又有什么用呢?”

法拉第回答说:“好吧,不久你就可以收税了。”

 

清苦童年

 

1791年9月22日是一个光辉的日子,一代科学巨匠迈克尔·法拉第降生在英国萨里郡纽囚顿一个贫苦的铁匠家庭。法拉第的一生是伟人的,然而法拉第的童年却是十分凄苦的。

为了解决全家的温饱,老法拉第带着5岁的小法拉第迁到伦敦,希图改变贫穷的命运,不幸的是上帝非但没有给法拉第一家赐福,反而在小法拉第九岁那年夺取了老法拉第的生命。迫于生计,幼小的仅有九岁的迈克尔·法拉第不得不承担起生活重担,去一家文具店充当学徒。四年以后,13岁的法拉第又到书店学徒。起初负责送报,后来充当图书装订工。真所谓“天欲将大任于斯人也,必先苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤……”。

贫穷是不幸的,童工的生涯其清苦可知。难能可贵的是小法拉第不安于贫穷,不安于清苦,奋志好学。14岁时他跟一位装书兼卖书师傅当学徒,利用此机会博览群书。他在二十岁时听英国著名科学家汉弗利·戴维先生讲课,对此产生了浓厚的兴趣。他给戴维写信,终于得到了为戴维当助手的工作。法拉第在几年之内就做出了自己的重大发现。虽然他的数学基础不好,但是作为一名实验物理学家他是无与伦比的。

Michael Faraday delivering a Christmas Lecture in 1856

 

自学成才

 

法拉第出生于英国纽因顿,接近现在的伦敦大象堡。法拉第家的经济状况并不好,他的父亲詹姆士是个铁匠以及基督教桑地马尼安教派的一员,于1780年代从英格兰的西北部来到伦敦。由于家境贫穷,因此他只好靠自学求取知识。14岁时,他成为书本装订商及销售人乔治·雷伯的门生。7年学徒生涯中,他读过大量书籍,包括以撒·华兹的“悟性的提升”,书中对于学习的原则与建议,法拉第一直遵行不辍。另外,他也从由珍·玛西女士所写的“化学闲聊”中得到很多启发。在这些大量的阅读之中,法拉第渐渐树立起对科学的兴趣,这其中,又以电学为甚。

1812年,时龄二十岁,随着门生生涯走入尾声,法拉第开始旁听由赫赫有名的皇家研究机构的一员以及英国皇家学会会长:汉弗里·戴维爵士以及市立哲学协会的创始者:约翰·塔特姆所开的演讲。参加这些演讲的门票大多是由威廉·谭斯(皇家爱乐协会的创办人之一)给予法拉第。之后有一次,法拉第将自己在演讲中细心抄录,并旁征博引,内容达三百页的笔记拿给戴维过目,戴维立刻给予他相当友善且正面的答复。也因此,戴维在一次三氯化氮实验中发生意外,视力受损之后,便雇用了法拉第作为他的秘书。当皇家研究院中一位助手约翰·培恩离开后,他们便请求戴维寻找替代人选。戴维在1813年3月1日推荐法拉第成为化学助理。由于法拉第在印书店的新雇主亨利·德拉罗许脾气暴躁,他毫不犹豫的离开了这份旧工作。

在当时的阶级分明的英国社会中,出身卑微的法拉第并不被认同为一个绅士。在1813年五月,戴维展开一次长期的欧洲巡回。由于他的侍从并不想跟从,法拉第原本是以助手的身份跟去,却被要求同时作戴维的仆人,直到在巴黎找到人代替为止。戴维最后没有找到代替者,法拉第也因此被强迫在整个旅行中同时兼任仆人与助手。戴维的妻子珍·亚普莉丝不愿意平等对待法拉第,旅行时要他坐在马车外,与佣人一起吃饭,法拉第的处境越来越凄惨,甚至开始考虑独自回到英国放弃科学研究。不过这次旅行,也让他接触了欧洲许多的科学菁英,刺激出他许多想法。逆境最终没有阻挡住法拉第在科学上的贡献。在旅行过后不久,法拉第的成就便超越了戴维。

法拉第

他的赞助者兼顾问为约翰·‘疯狂杰克’·富勒,他在皇家研究院里创立了富勒里安化学教授这个职位。

在1824年,他被选为皇家学会院士,并于1825年被指派为实验室主任。1833年他被选为皇家研究院终身职,任职而不需讲课。

法拉第是一名高度虔诚的教徒,他是桑地马尼安教派(苏格兰国教会的一分支)的信徒,曾在其中任两任长老。此教派是由苏格兰长老会牧师格拉斯于1730年创立,此教要求完全的信奉和承诺。传记学家曾经认为“一种神与自然融为一体的感觉贯穿了法拉第的生活与工作。”法拉第在1821年娶沙拉·巴娜德为妻,不过膝下无子。他们由于参加桑地马尼安教会而认识。

虽然法拉第只受过很少的正式教育,这使得他的高等数学知识(例如微积分)相对有限,但不可否认,法拉第仍是历史上最有影响力的科学家之一。某些科学史学家认为他是科学史上最优秀的实验主义者。其科学知识可能主要是在担任另一科学家戴维的助手时所学习而来,因而虽然法拉第不曾受过高等教育,但仍可把汉弗里·戴维视为法拉第的指导教授。

法拉第

 

报童--学徒--仆人

 

法拉第于1791年出生在英国伦敦附近的一个小村里。他的父亲是个铁匠,体弱多病,收入微薄,仅能勉强维持生活的温饱。但是父亲非常注意对孩子们的教育,要他们勤劳朴实,不要贪图金钱地位,要做一个正直的人。这对法拉第的思想和性格产生了很大的影响。

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。12岁那年,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。他努力地将书本知识付诸实践,利用废旧物品制作静电起电机,进行简单的化学和物理实验。他还与青年朋友们建立了一个学习小组,常常在一起讨论问题,交换思想。重视实践尤其是科学实验的特点,在法拉第一生的科学活动中贯彻始终。

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。22岁上做了戴维的实验助手。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。

法拉第勤奋好学,工作努力,很受戴维器重。1813年10月,他随戴维到欧洲大陆国家考察,他的公开身份是仆人,但他不计较地位,也毫不自卑,而把这次考察当做学习的好机会。他见到了许多著名的科学家,参加了各种学术交流活动,还学会了法语和意大利语。大大开阔了眼界,增长了见识。因此有人说欧洲是法拉第的大学。

法拉第的手稿

 

在科学的殿堂里

 

法拉第从欧洲回来后,立即全力以赴地投入科学研究。他搜集了能得到的一切资料,作了详尽的目录索引和笔记,大胆地进行各种化学试验。10年间,他取得了许多成果,也成为一位知名的化学家。法拉第受谢林哲学的影响,相信电、磁、光、热是相互联系的。1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了电流对磁针的作用,法拉第敏锐地感到了它的重要性,他决心进一步探索其内在原理。1821年,他成功地作出了“电磁旋转实验”。他用简单的装置,显示出通电导体和磁铁相互连续旋转,这是第一台将电能转换成机械能的装置。法拉第一直认为,各种自然力都存在密切关系,而且可以相互转化。他坚信磁也一定能产生电,并决心用实验来证明它。但是各种努力都失败了。直到经过近10年的时间,到1831年他终于发现,一个通电线圈产生的磁力虽然不能在另一个线圈中引起通电电流,但是当通电线圈的电流刚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。法拉第抓住这个发现反复做实验,都证实了这个现象。他又设计了各种各样的实验,磁作用力的变化同样也能产生电流。这就是有名的电磁感应原理。法拉第的这个发现终于劈开了探索电磁本质道路上的拦路大山,开通了在电池之外大量产生电流的新道路。法拉第发现的电磁感应原理是一个划时代的伟大科学成就,它使人类获得了打开电能宝库的金钥匙,在征服和利用自然的道路上迈进了一大步。利用这个原理,法拉第创制出了世界上第一台感应发电机的雏型。后来,人们又制成了实用的发电机、电动机、变压器等电力设备,建立起水力和火力发电站,使电力普遍应用于社会的各方面。这一切都是和法拉第的伟大贡献分不开的。

为了证实用各种不同办法产生的电在本质上都是一样的,法拉第仔细研究了电解液中的化学现象,1834年总结出法拉第电解定律:电解释放出来的物质总量和通过的电流总量成正比,和那种物质的化学当量成正比。这条定律成为联系物理学和化学的桥梁,也是通向发现电子道路的桥梁。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。

法拉第做为一名天才的电学大师,在电磁学的新领域中树立起了前进的路标。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。1852年,他又引进了磁力线的概念,从而为经典电磁学理论的建立奠定了基础。后来,英国物理学家麦克斯韦用数学工具研究法拉第的力线理论,最后完成了经典电磁学理论。

爱因斯坦高度评价法拉第的工作,认为他在电学中的地位,相当于伽利略在力学中的地位。法拉第奠定了电磁学的实验基础。

纪念法拉第的20英镑纸币

 

博大的胸怀

 

1839年,由于过度的思考和劳累,法拉第患了严重的神经衰弱症,暂时中断了对电磁学的研究。但在病中他仍进行了液化气体的研究,几年以后身体稍有恢复,又继续原来的研究课题。19世纪50年代以后,他的健康状况进一步恶化,被迫停止了研究工作。但他仍经常作演讲,向广大群众宣传科学知识。他非常注意培养青年人。他每星期都在皇家研究院公开讲课。他在七十高龄的时候,仍给青少年作通俗科学讲座,并且把讲稿编成了一本著名的科普读物--《蜡烛的故事》。

1867年8月25日,这位伟大的科学家安然去世了。法拉第对人态度和蔼可亲,宽宏大量。他对自己要求严格,有错即改,决不文过饰非。他33岁时就被选为英国皇家学会会员;34岁时升任皇家研究院的实验室主任。1846年,他由于在电学方面的杰出贡献而获得伦德福奖章和皇家奖章,把两枚奖章授予同一个人,在皇家学会的历史上是十分罕见的。他虽然获得了很高的荣誉和地位,但却始终保持谦虚谨慎的态度。他在自己的临终遗嘱里,吩咐家人不要举行隆重的葬礼,也不要葬入名人公墓,而是和普通人一样葬在一般墓地。他成名以后,不愿为拿高额报酬而影响正在进行的科学研究,而对于国家交给的科研任务,他却欣然从命,不计报酬。这种为了科学而轻视金钱的博大胸怀,与当时某些科学界追名逐利的人相比,是非常难能可贵的。

法拉第出身于贫苦家庭。他从一个穷铁匠的儿子,经过自己的艰苦努力,克服了重重困难,成长为一位为人类作出巨大贡献的科学大师。他那种坚韧不拔、不断追求科学真理的大无畏精神;那种一切从客观实践出发,重视科学实验的唯物主义态度;以及他不盲目崇拜权威,不囿于传统观念,敢于提出独特见解的创新精神,体现了一个科学家的优秀品格,永远值得后人学习和敬仰。

迈克尔·法拉第年轻时

 

长期实践大胆探索

 

他的工作异常勤奋,研究领域十分广泛。1818~1823年研制合金钢期间,首创金相分析方法。1823年从事气体液化工作,标志着人类系统进行气体液化工作的开始。采用低温加压方法,液化了氯化氢、硫化氢、二氧化硫、氢等。1824年起研制光学玻璃,这次研究导致在1845年利用自己研制出的一种重玻璃(硅酸硼铅),发现磁致旋光效应。1825年在把鲸油和鳝油制成的燃气分馏中发现苯。

他最出色的工作是电磁感应的发现和场的概念的提出。1821年在读过奥斯特关于电流磁效应的论文后,为这一新的学科领域深深吸引。他刚刚迈人这个领域,就取得重大成果──发现通电流的导线能绕磁铁旋转,从而跻身著名电学家的行列。因受苏格兰传统科学研究方法影响,通过奥斯特实验,他认为电与磁是一对和谐的对称现象。既然电能生磁,他坚信磁亦能生电。经过10年探索,历经多次失败后,1831年8月26日终于获得成功。这次实验因为是用伏打电池在给一组线圈通电(或断电)的瞬间,在另一组线圈获得的感生电流,他称之为“伏打电感应”。尔后,同年10月17日完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验,他称之为“磁电感应”。经过大量实验后,他终于实现了“磁生电”的夙愿,宣告了电气时代的到来。

作为19世纪伟大实验物理学家的法拉第。他并不满足于现象的发现,还力求探索现象后面隐藏着的本质;他既十分重视实验研究,又格外重视理论思维的作用。1832年3月12日他写给皇家学会一封信,信封上写有“现在应当收藏在皇家学会档案馆里的一些新观点”。那时的法拉第已经孕育着电磁波的存在以及光是一种电磁振动的杰出思想,尽管还带有一定的模糊性。为解释电磁感应现象,他提出“电致紧张态”与“磁力线”等新概念,同时对当时盛行的超距作用说产生了强烈的怀疑:“一个物体可以穿过真空超距地作用于另一个物体,不要任何一种东西的中间参与,就把作用和力从一个物体传递到另一法拉第个物体,这种说法对我来说,尤其荒谬。凡是在哲学方面有思考能力的人,决不会陷人这种谬论之中”。他开始向长期盘踞在物理学阵地的超距说宣战。与此同时,他还向另一种形而上学观点──流体说进行挑战。1833年,他总结了前人与自己的大量研究成果,证实当时所知摩擦电、伏打电、电磁感应电、温差电和动物电等五种不同来源的电的同一性。他力图解释电流的本质,导致他研究电流通过酸、碱、盐溶液,结果在1833~1834年发现电解定律,开创了电化学这一新的学科领域。他所创造的大量术语沿用至今。电解定律除本身的意义外,也是电的分立性的重要论据。

1837年他发现电介质对静电过程的影响,提出了以近距“邻接”作用为基础的静电感应理论。不久以后,他又发现了抗磁性。在这些研究工作的基础上,他形成了“电和磁作用通过中间介质、从一个物体传到另一个物体的思想。”于是,介质成了“场”的场所,场这个概念正是来源于法拉第。正如爱因斯坦所说,引入场的概念,是法拉第的最富有独创性的思想,是牛顿以来最重要的发现。牛顿及其他学者的空间,被视作物体与电荷的容器;而法拉第的空间,是现象的容器,它参与了现象。所以说法拉第是电磁场学说的创始人。他的深邃的物理思想,强 烈地吸引了年轻的麦克斯韦。麦克斯韦认为,法拉第的电磁场理论比当时流行的超距作用电动力学更为合理,他正是抱着用严格的数学语言来表述法拉第理论的决心闯入电磁学领域的。

法拉第坚信:“物质的力借以表现出的各种形式,都有一个共同的起源”,这一思想指导着法拉第探寻光与电磁之间的联系。1822年,他曾使光沿电流方向通过电解波,试图发现偏振面的变化,没有成功。这种思想是如此强烈,执着的追求使他终于在1845年发现强磁场使偏振光的偏振面发生旋转。他的晚年,尽管健康状况恶化,仍从事广泛的研究。他曾分析研究电缆中电报信号迟滞的原因,研制照明灯与航标灯。

他的成就来源于勤奋,他的主要著作《日记》由16041则汇编而成;《电学实验研究》有3362节之多。

迈克尔·法拉第肖像画,由Thomas Phillips所作

 

治学谨严刚正真诚

 

法拉第一生热爱真理,热爱人民,真诚质朴,作风严谨,这样的感人事迹很多。

他说:“一件事实,除非亲眼目睹,我决不能认为自己已经掌握。”“我必须使我的研究具有真正的实验性。”在1855年给化学家申拜因的信中说:“我总是首先对自己采取严厉的批判态度,然后才给别人以这样的机会。”在一次市哲学会的讲演中他指出:“自然哲学家应当是这样一些人:他愿意倾听每一种意见,却下定决心要自己作判断;他应当不被表面现象所迷惑,不对某一种假设有偏爱,不属于任何学派,在学术上不盲从大师;他应当重事不重人,真理应当是他的首要目标。如果有了这些品质,再加上勤勉,那么他确实可以有希望走进自然的圣殿。”他是这样说的,也确实是这样做的。

他在艰难困苦中选择科学为目标,就决心为追求真理而百折不回,义无反顾,不计名利,刚正不阿。他热爱人民,把纷至沓来的各种荣誉、奖状、证书藏之高阁,却经常走访贫苦教友的家庭,为穷人只有纸写的墓碑而浩然兴叹。他关心科学普及事业,愿更多的青少年奔向科学的殿堂。1826年他提议开设周五科普讲座,直到1862年退休他共主持过100多次讲座,并积极参与皇家学院每年“圣诞节讲座”凡19年。根据他的讲稿汇编出版了《蜡烛的故事》一书,被译为多种文字出版,是科普读物的典范。

他生活简朴,不尚华贵,以致有人到皇家学院实验室作实验时错把他当作守门的老头。1857年,皇家学会学术委员会一致决议聘请他担任皇家学会会长。对这一荣誉职务他再三拒绝。他说:“我是一个普通人。如果我接受皇家学会希望加在我身上的荣誉,那么我就不能保证自己的诚实和正直,连一年也保证不了。”同样的理由,他谢绝了皇家学院的院长职务。当英王室准备授予他爵士称号时,他多次婉言谢绝说:“法拉第出身平民,不想变成贵族”。他的好友J.Tyndall对此作了很好的解释:“在他的眼中看去,宫廷的华丽,和布来屯(Brighton)高原上面的雷雨比较起来,算得什么;皇家的一切器具,和落日比较起来,又算得什么?其所以说雷雨和落日,是因为这些现象在他的心里,都可以挑起一种狂喜。在他这种人的心胸中,那些世俗的荣华快乐,当然没有价值了”。“一方面可以得到十五万镑的财产,一方面是完全没有报酬的学问,要在这两者之间去选择一种。他却选定了第二种,遂穷困以终。”这就是这位铁匠的儿子、订书匠学徒的郑重选择。1867年8月25日逝世,墓碑上照他的遗愿只刻有他的名字和出生年月。

后世的人们,选择了法拉作为电容的国际单位,以纪念这位物理学大师。

Michael Faraday, statue in Savoy Place, London.

 

力场改变人类文明

 

力场的概念出自19世纪伟大的英国科学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)的研究。

法拉第出生于工人家庭(他的父亲是一名铁匠),在19世纪初长期靠当装订工人学徒勉强维持生计。年轻的法拉第为两种新力量的神秘性质被揭开而带来的巨大突破而着迷。这两种新力量是:电和磁。法拉第贪婪地尽一切所能来学习与这些问题相关的知识,并参加了伦敦皇家学院汉弗莱·戴维(Humphrey Davy)教授的讲座。

一天,戴维教授因眼睛在一次化学事故中严重受伤,于是他雇用法拉第当了他的秘书。法拉第渐渐取得了皇家学院科学家们的信任,并且被允许独立操作重要的实验,尽管他常常受到冷落。年复一年,戴维教授越来越嫉妒他年轻的助手所表现出的杰出能力。法拉第已经成为了实验圈子里冉冉上升的新星,最终使戴维教授的名声黯然失色。1829年,戴维去世后,法拉第得以自由地作出一系列惊人的突破,导致了发电机的产生。发电机能够为整个城市提供能源,并改变了世界文明的进程。

法拉第最伟大发现的关键是他提出的“力场”。如果有人将铁屑洒在一块磁铁上,他会发现铁屑将呈现一种充满整个空间的蜘蛛网状。这就是法拉第的力线,以图形的形式描绘出了电和磁的力场在空间如何散布。举例来说,如果有人绘出整个地球的磁场,他会发现力线从N极地区伸出,然后在S极地区落回到地球上。同样的,如果有人画出雷阵雨中一枚避雷针的电场线,他会发现力线集中在避雷针的尖端。在法拉第看来,“空的空间”其实根本不是空的,而是充斥着能使遥远的物体移动的力线(由于法拉第早年穷困,未能接受足够的数学教育,因此他的笔记本中密密麻麻的不是等式,而是这些力线的手绘图表。具有讽刺意味的是,数学训练的不足使他创造了如今任何物理课本中都可以看到的、美丽的力线图表。从科学上来说,物理图像通常比用来对其进行描述的数学语言更为重要)。

历史学家推测过法拉第是如何发现力场的,它是所有科学中最重要的概念之一。事实上,全部的现代物理学都是用法拉第的力场语言写就的。在1831年,他作出了关于力场的关键性突破,永远改变了人类文明。一天,他正将一块孩子的磁铁移过一个金属线圈时,注意到他甚至没有碰到电线就得以在金属线里制造了一股电流。这意味着磁铁不可见的场可以推动电线中的电子穿越“空的空间”,产生电流。

法拉第的力场曾经被视为毫无用处,是无所事事的随意涂鸦,但它是真实的、物质的力量,可以移动物体并产生能源。今天,你阅读这一页所依赖的光线或许就是由法拉第关于电磁学的发现而点亮的。一块转动的磁铁会制造力场,推动一根电线中的电子,使它们以电流的形式移动,其后,这股电线中的电力可以点亮一盏灯泡。与此同样的原理被用于生产给全世界城市提供能量的电力。比如,水流过一个大坝,在一个涡轮机中产生巨大的磁力进行转动,这个涡轮机随后再推动电线中的电子,形成一股电流,通过高压电线输送到用户。

换言之,迈克尔·法拉第的力场是驱动现代文明的动力,从电动推土机到如今的计算机、互联网还有iPod都源于力场的发现。

法拉第的力场在一个半世纪里成为物理学家的灵感之源。这些力场给了爱因斯坦极大的启示,他用力场的语言来描述和表达他的引力理论。同样的,加来道雄也被法拉第的成果所启迪。多年前,加来道雄成功地运用法拉第的力场表现了弦理论(theory of strings),从而建立了弦场论(string field theory)。在物理学界,如果有人说“他思考起来像一根力线”,那便意味着一种高度的赞美。(此节内容出自加来道雄《不可思议的物理》前言)

Lighthouse lantern room from mid 1800s

 

晚年

 

1848年,受到配王(女王的丈夫)引见,法拉第受赐在萨里汉普顿宫的恩典之屋,并免缴所有开销与维修费。这曾是石匠师傅之屋,后称为法拉第之屋,现位于汉普顿宫道37号(No.37 Hampton Court Road)。在1858年,法拉第退休并在此定居。

在他有生之年中,他推辞了封爵并且两次拒绝成为皇家学会会长。

他在1867年8月25日死于位于汉普顿宫的家中。在西敏寺,艾萨克·牛顿的墓旁座落着他的纪念碑。但是他拒绝在西敏寺下葬,而入土于桑地马尼安教派的海格特墓园中。

 

影响

 

他在皇家研究院提供了大量成功的物理及化学演讲,名为“蜡烛的化学史”;这个演讲成为了现在每年皇家研究院圣诞节演讲之起源,此演讲并以法拉第为名。法拉第和威廉·休艾尔发明了许多如“电极”、“离子”等耳熟能详的字。

由于道德原因,法拉第拒绝参与为克里米亚战争制造化学武器。在伦敦萨弗伊广场,电工程师协会外,耸立著一个法拉第的雕像,而在布鲁内尔大学新建的一个接待厅以法拉第为名。

他的照片在1991年至2001年时,被印在20元的英镑纸币上。南极洲的前英国实验室:法拉第气候研究站以他为名,而电容则以法拉作为单位。此外,一莫耳的电子所含的电量(约96485库仑)也称为法拉第常数,让世人缅怀他在电学上无与伦比的贡献。法拉第电磁感应定律陈述一随时间改变的磁场会创造与磁场强度成正比的电动势。法拉第在英国皇家研究院(Royal Institution)中任富勒里安化学教授,并指为终身职。在所有任过此职者中,法拉第为第一个,也是最为出名的学者。

爱因斯坦在他的学习墙上放着法拉第的一张照片,并将其与牛顿和麦克斯韦放在一起。

 

成就荣誉

 

电学方面

 

他在电学方面的贡献最为显著。纪录中法拉第最早的实验乃是利用七片半便士、七片锌片以及六片浸过盐水的湿纸做成伏特电池。他并使用这个电池分解硫酸镁。1821年,在丹麦化学家韩·克利斯汀·奥斯特发现电磁现象后,戴维和威廉·海德·渥拉斯顿尝试设计一部电动机,但没有成功。法拉第在与他们讨论过这个问题后,继续工作并建造了两个装置以产生他称为“电磁转动”的现象:由线圈外环状磁场造成的连续旋转运动。他把导线接上化学电池,使其导电,再将导线放入内有磁铁的汞池之中,则导线将绕着磁铁旋转。这个装置现称为单极电动机。这些实验与发明成为了现代电磁科技的基石。但此时法拉第却做了一件不智之举,在没有通知戴维跟渥拉斯顿情况下,擅自发表了此项研究成果。此举招来诸多争议,也迫使他离开电磁学研究数年之久。

在这个阶段,有些证据指出戴维可能有意阻碍法拉第在科学界的发展。如在1825年,戴维指派法拉第进行光学玻璃实验,此实验历时六年,但没有显著的进展。直到1829年,戴维去世,法拉第停止了这个无意义的工作并开始其他有意义的实验。在1831年,他开始一连串重大的实验,并发现了电磁感应,虽然在福朗席斯科·札德启稍早的工作可能便预见了此结果,此发现仍可称为法拉第最大的贡献之一。这个重要的发现来自于,当他将两条独立的电线环绕在一个大铁环,固定在椅子上,并在其中一条导线通以电流时,另外一条导线竟也产生电流。他因此进行了另外一项实验,并发现若移动一块磁铁通过导线线圈,则线圈中将有电流产生。同样的现象也发生在移动线圈通过静止的磁铁上方时。

他的展示向世人建立起“磁场的改变产生电场”的观念。此关系由法拉第电磁感应定律建立起数学模型,并成为四条麦克斯韦方程组之一。这个方程组之后则归纳入场论之中。法拉第并依照此定理,发明了早期的发电机,此为现代发电机的始祖。1839年他成功了一连串的实验带领人类了解电的本质。法拉第使用“静电”、电池以及“生物生电”已产生静电相吸、电解、磁力等现象。他由这些实验,做出与当时主流想法相悖的结论,即虽然来源不同,产生出的电都是一样的,另外若改变大小及密度(电压及电荷),则可产生不同的现象。

在他生涯的晚年,他提出电磁力不仅存在于导体中,更延伸入导体附近的空间里。这个想法被他的同侪排斥,法拉第也终究没有活着看到这个想法被世人所接受。法拉第也提出电磁线的概念:这些流线由带电体或者是磁铁的其中一极中放射出,射向另一电性的带电体或是磁性异极的物体。这个概念帮助世人能够将抽象的电磁场具象化,对于电力机械装置在十九世纪的发展有重大的影响。而这些装置在之后的十九世纪中主宰了整个工程与工业界。1845年他发现了被他命名为抗磁性(diamagnetism)现在则称为法拉第效应的现象:一个线性极化的光线在经过一物体介质时,外加一磁场并与光线的前进方向对齐,则此磁场将使光线在空间中划出的平面转向。他在笔记本中写下:“我终于在‘阐释一条磁力曲线’-或者说‘力线’-及‘磁化光线’中取得成功。”

在对静电的研究中,法拉第发现在带电导体上的电荷仅依附于导体表面,且这些表面上的电荷对于导体内部没有任何影响。造成这样的原因在于在导体表面的电荷彼此受到对方的静电力作用而重新分布至一稳定状态,使得每个电荷对内部造成的静电力互相抵销。这个效应称为遮蔽效应,并被应用于法拉利笼上。虽然法拉第是一位非常出色的实验学家,他的数学能力与之相形就显得相当薄弱,只能计算简单的代数,甚至难以应付三角学。不过法拉第懂得使用条理清晰且简单的语言表达他科学上的想法。他的实验成果后来被詹姆斯·克拉克·麦克斯韦使用,并建立起了现在电磁理论的基础方程式。

 

化学方面

 

法拉第最早的化学成果来自于担任戴维助手的时期。他花了很多心血研究氯气,并发现了两种碳化氯。法拉第也是第一个学者实验(虽然较为粗略)观察气体扩散,此现象最早由约翰·道尔顿发表,并由汤玛斯·葛兰姆及约瑟夫·罗斯密特揭露其重要性。他成功的液化了多种气体;他研究过不同的钢合金,为了光学实验,他制造出多种新型的玻璃。其中一块样品后来在历史上占有一席之地,因为在一次当法拉第将此玻璃放入磁场中时,他发现了极化光平面受磁力造成偏转及被磁力排斥。

他也尽心于创造出一些化学的常用方法,用结果、研究目标以及大众展示做为分类,并从中获得一些成果。他发明了一种加热工具,是本生灯的前身,在科学实验室广为采用,作为热能的来源。法拉第在多个化学领域中都有所成果,发现了诸如苯等化学物质(他称此物质为双碳化氢(bicarburetofhydrogen)),发明氧化数,将如氯等气体液化。他找出一种氯水合物的组成,这个物质最早在1810年由戴维发现。法拉第也发现了电解定律,以及推广许多专业用语,如阳极、阴极、电极及离子等,这些词语大多由威廉·休艾尔发明。由于这些成就,很多现代的化学家视法拉第为有史以来最出色的实验科学家之一。

是法拉第把磁力线和电力线的重要概念引入物理学,通过强调不是磁铁本身而是它们之间的“场”,为当代物理学中的许多进法拉第展开拓了道路,其中包括麦克斯韦方程。法拉第还发现如果有偏振光通过磁场,其偏振作用 就会发生变化。这一发现具有特殊意义,首次表明了光与磁之间存在某种关系。

Michael Faraday in his laboratory. c1850s by artist Harriet Jane Moore who documented Faraday's life in watercolours

 

人物评价

 

法拉第的一生是伟大的,法拉第其人又是平凡的,他非常热心科学普及工作,在他任皇家研究所实验室主任后不久,即发起举行星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座。他在100多次星期五晚间讨论会上作过讲演,在圣诞节少年科学讲座上讲演达十九年之久.他的科普讲座深入浅出,并配以丰富的演示实验,深受欢迎。法拉第还热心公众事业,长期为英国许多公私机构服务.他为人质朴、不善交际、不图名利、喜欢帮助亲友.为了专心从事科学研究,他放弃了一切有丰厚报酬的商业性工作.他在1857年谢绝了皇家学会拟选他为会长的提名,他甘愿以平民的身份实现献身科学的诺言,终身在皇家学院实验室工作一辈子,当一个平凡的迈克尔·法拉第。

1867年8月25日,平民迈克尔·法拉第在书房安详地离开了人世。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年后政客都会淡出的,而法拉第则是不朽的。

法拉第也是最先提出电场概念和电场线概念的。

法拉第,由约翰·瓦特金所作,现存于大英图书馆

 

人物名言

 

1、希望你们年轻的一代,也能像蜡烛为人照明那样,有一分热,发一分光,忠诚而脚踏实地地为人类伟大的事业贡献自己的力量。

2、一旦科学插上幻想的翅膀,它就能赢得胜利。

3、我不能说我不珍视这些荣誉,并且我承认它很有价值,不过我却从来不曾为追求这些荣誉而工作。

4、拼命去争取成功,但不要期望一定会成功。

5、科学家不应是个人的崇拜者,而应当是事物的崇拜者。真理的探求应是他唯一的目标。

6、爱情既是友谊的代名词,又是我们为共同的事业而奋斗的可靠保证,爱情是人生的良伴,你和心爱的女子同床共眠是因为共同的理想把两颗心紧紧系在一起。

7、只有无知,没有不满。

 

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