是法拉第发现的电磁感应定律吗?

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是法拉第发现的电磁感应定律吗?插图

我们在前文专门介绍了英国的大化学家戴维。他不仅是许多化学元素的发现者、大发明家、电化学的奠基人之一,更重要的是,他发现了一位对科学技术发展产生重要影响的电磁学家法拉第。

1791年,迈克尔·法拉第出生在伦敦近郊纽温特一个铁匠家中,家境十分贫寒,13岁时就失学了,经人介绍在伦敦布郎福德街2号一家书店当装订工。想不到这个工作竟对法拉第的一生产生了根本性的影响。法拉第原本就是个渴求知识的穷孩子。他进书店后,仿佛如鱼得水,如饥似渴地读起书来,书店成了他的大学校。

是法拉第发现的电磁感应定律吗?插图(1)

有一天,他在装订《大英百科全书》时,对一条“电学”的条目产生了浓厚的兴趣。当时,对电的研究正处在启蒙阶段,一般人都闻所未闻。法拉第读了自然也是一窍不通。可是法拉第却有一股韧劲,越是读不懂,他就越要弄个水落石出。于是他埋头研究起电学来。

1812年初秋的一天,有位常来买书的科学家,送给法拉第一套戴维在皇家化学院作连续科学报告的听讲券,报告的内容是有关电学的研究进展。法拉第如获至宝,他每次听讲都早早进了会场,坐在前排离戴维最近的位子,聚精会神地边听边记。每次听讲回家后,都连夜整理记录。最后,他把记录戴维的四次报告内容的记录稿运用他装订工的手艺,订成一本精致的小册子寄给了戴维,并且附了一封短信,大意说:“我是一个订书工,很热爱科学,有幸听过您四次报告,整理成这本小册子,作为圣诞礼物”。

最后还附了一笔,表示了他渴望从事科研的心愿。

戴维将法拉第手制的小册子和他的来信看了又看,深深地为这个青年追求科学的决心打动。他热情地邀请法拉第到他家里晤面,并且推荐他当了皇家学院实验室的助理员。

在科学的殿堂里,法拉第如鱼得水,他本是装订工出身,从小养成了勤快和细心的习惯,加上他刻苦好学,对实验内容和要求又了然于心,这样,实验室里上上下下都乐意与他合作。短短几年里,他不仅帮助戴维和别的科学家完成了许多重要的科学实验,并且自己独立发表了几十篇论文。

是法拉第发现的电磁感应定律吗?插图(2)

在皇家学院工作,有关科学的信息特别灵通。这时,在丹麦哥本哈根有个叫奥斯特的科学家发现了电流可以使磁针偏转的磁效应,反过来他又发现磁铁可以使电流发生偏转,揭示了电与磁的关系。奥斯特的发现给欧洲科学界的震动很大。法国科学家阿拉戈和安培听到这个消息后,都进行了实验。在实验中,阿拉戈发现把铁放在通电的线圈中,铁就会磁化;安培则提出了电流产生磁力的基本定律。在英国,法拉第的恩师戴维也在研究电流磁化的问题。也算是法拉第生逢其时,这么多前辈科学家的研究,使这个“幸运儿”一开始就站在巨人的肩膀上去摘取科学巨树上的硕果。法拉第想:既然电可以生磁,为什么不能磁生电呢?如果这能成为现实,那么用这种办法来发电,便可以得到很大的发电量,而且电的成本要比电池生电便宜得多。于是,他下决心让电化磁的反应倒转过来,使磁发出电来。他在自己的笔记本上写了“转磁为电”几个大字,口袋里常装着一块马蹄形磁铁、一个线圈。就这样苦思苦想,反复试验。他先是用磁铁去碰导线,电流针不动,再往磁铁上绕上导线,还是没有电。后来干脆把磁铁装在线圈的肚子里,接上电流计,指针还是纹丝不动。这样颠来倒去,反反复复地实验,不知不觉消磨了10年光阴。这究竟是怎么回事呢?法拉第陷入了极度的困惑和迷惘之中,但他坚信自己的想法不会错,他发誓绝不半途而废。

1831年8月的一天,法拉第取来了一根长62米的铜丝,绕成一个大线圈,又用一根约22厘米长、2厘米粗的圆柱形磁铁,再次做“转磁为电”的实验。他把铜丝线圈与电流计连接后,再把磁铁和铜丝圆筒的一端相连,结果电流计的指针一动也不动。换一种方式再试试,他干脆把整根磁棒插进线圈。忽然,电流计的指针向右动了一下;他再将磁棒抽出,指针向左动了一下。他以为自己看花了眼,索性将那根磁棒在线圈间不停地抽出插人,只见电流计上的指针出现像拨浪鼓似的左右摇个不停。法拉第欣喜若狂,大声叫道:“磁生电了!磁生电了!”从此,一种由磁感应的电流,在法拉第的手中产生了!就像人类学会使用火一样,人类历史上一个新的时代开始了!法拉第并没有陶醉在自己的成功里,他接着穷追不舍,总结出这次成功的奥秘在于:磁铁与金属线圈处于相对运动的状态。而在以往失败的实验中,磁铁与金属线圈是相对静止的。为了验证自己的想法,他进一步做了这样一个实验:他先将直棒磁铁改成马蹄形的,将线圈改成一个铜线盘,铜线盘可以连续摇动。当他连续不断地摇动铜线盘时,电流计上的指针也随之不断摆动。这便是世界上第一台产生持续电流的发电机。

实验成功后,法拉第继续作理论上的深究。他想,磁电之间是靠什么联系转换的呢?牛顿提出了万有引力说,认为引力是在空间起超距作用,没有速度。法拉第认为,不对。磁铁周围有磁力线,有一个磁场,而导线周围则有电场,它们是通过场而相互起作用的,并且有速度。可惜,这位半路出家的科学家缺乏系统的数学知识,他在这方面的功力还不能使他足以用数学公式的形式来揭示其中深奥的科学原理。为了防止自己的想法被岁月湮没,也为了证实自己是最先有这样想法的人,法拉第虽不能推导出这个公式,却将它用文字表述出来,然后当着几位证人的面,封人
“锦囊”,存进皇家学院档案馆的保险柜中。法拉第未成的事业直到30多年后才被名叫麦克斯韦的青年科学家完成。

法拉第是19世纪最伟大的物理家之一。1831年8月29日,他发现了感应电流,让电力时代的曙光照到了人间;3个月后,他提出了发电机的原理,他是电磁学的奠基人;30年后,德国人西门子发明了自制发电机,完成了实用电机形;50年后,美国人爱迪生改进了西门子发电机。从此,电磁学进入电动力学。但当时还是直流输电技术时代。直流低压输电损失大,输电范围小,这就成为它的致命弱点。从根本上解决这两个问题的是三相交流电的理论与技术的发明。

1889年,俄国科学家德布罗里斯基制成了世界上第一台100瓦三相交流发电机。1891年,他又指导德国人成功地完成了175公里的三相交流远程输电工程。这一年,距法拉第发现感应电流,整整过了60年。
从此以后,欧美各国根据本国资源条件和工业结构的需要,先后建立起长距离超高压电力系统。电力时代带来了“第二次产业革命”,让世界完全变了样。

今天,当人们打开开关,享受电能所创造的文明硕果的时候,应当缅怀法拉第。

其实,法拉第的伟大贡献还不仅限于此。除了在电磁学上的伟大建树外,1825年他首次从石蜡油中分离出苯,为人们研究苯系物质创造了条件。1833年他首先提出了电化当重量定律,为电化学、电解、电镀工业奠定了理论基础。

由于他对科学事业的杰出贡献,这位订书工出身的科学家也享受着与此相应的殊荣。34岁时,他接替恩师戴维当上了皇家学院的实验室主任,以后继戴维之后当了皇家学会的会长。他一生从英国和其他各国得到奖章、勋章、称号和学位95次,但是他始终勤勉、淳朴,鄙视虚荣。他是一位重道厚德的科学巨人。

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