电磁学领域的平民巨人 ——法拉第专题 迈克尔·法拉第 （Michael Faraday 1791-1867 )

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1 电磁学领域的平民巨人 ——法拉第专题 迈克尔·法拉第 （Michael Faraday )

2 生平简介 1791年9月22日生于伦敦。父亲是铁匠，母亲识字不多，法拉第从小生长在贫苦的家庭中，不可能受到较多的教育。
　 生平简介      法拉第(Michael Faraday,1791～1867年)，英国物理学家、化学家。 1791年9月22日生于伦敦。父亲是铁匠，母亲识字不多，法拉第从小生长在贫苦的家庭中，不可能受到较多的教育。 1805年到书店当图书装订工，这使他有机会接触到各类书籍。每当他接触到有趣的书籍时就贪婪地读起来，尤其是百科全书和有关电的书本，简直使他着了迷。繁重的体力劳动，无知和贫穷，都没有能阻挡法拉第向科学进军。      有一次，法拉第去听著名科学家戴维的讲座，他认真地记笔记，并把它装成精美的书册。然后把这本笔记本和一封毛遂自荐的信于1812年圣诞节前夕，一起寄给戴维。在戴维的介绍下，法拉第终于进入皇家学院实验室并当了他的助手。      法拉第在实验室工作半年后，随戴维去欧洲旅行。对法拉第来说，这次旅行相当于上了“社会大学”，他结识了许多科学家，如盖·吕萨克、安培等，还学到许多科学知识，大开眼界。法拉第回国后，发挥出惊人的才干，不断取得成果。      年他任皇家学院实验室总监。1824年被选为皇家学会会员。1825年接替戴维任实验室主任。1846年法拉第荣获伦福德奖章和皇家勋章。      1831年法拉第发现电磁感应现象，这在物理学上起了重大的作用。1834年他研究电流通过溶液时产生的化学变化，提出了法拉第电解定律。      法拉第不计较名誉地位，更不计较钱财。他拒绝了制造商的高价聘请，谢绝了大家提名他为皇家学会会长和维多利亚女皇准备授与他的爵位，终身在皇家学院实验室工作，甘愿当个平民迈克尔·法拉第。      年8月25日法拉第与世长辞。

3 　 科学成就 法拉第在物理学方面的主要贡献是对电磁学进行了比较系统的实验研究，发现了电磁感应现象，总结出电磁感应定律；发明了电磁学史上第一台电动机和发电机；发现了电解定律；提出电场、磁场第重要概念。他是十九世纪电磁域中最伟大的实验家。他写成的巨著《电学的实验研究》，收集了3362个条目，详细记述了他做过的实验，总结出带有规律性的成果，是一部珍贵的科学文献。

4 他研究的课题，按照编年顺序排列有： 铁合金（1818－1824）、氯和氮的化合物（1820）、电磁转动（1821）、气体液化（1823、1845）、光学玻璃（1825－1831）、苯的发现（1825）、电磁感应（1831）、不同来源电的同一性（1832）、电化学分解（1832 年起）、静电学、电介质（1835 年起）、气体放电（1835 年起）、光、电、磁的联系（1845 年起）、抗磁性（1845年起）、射线振动思想（1846）、重力和电（1849 年起），时间和磁性、胶体粒子对光的散射（1857）等。以上列出的课题只是其荦荦大端，由此可以看出，在1830 年以前，法拉第基本上是一位很有成就的分析化学家；从1831 年起，他才把主要精力转到电学实验研究方面，而且正是在这个领域内取得他一生中最伟大的发现。 在科技书刊中，人们经常可以见到以法拉第命名的各种发现，例如法拉第电磁感应定律、法拉第电解定律、法拉第放电、法拉第圆筒、法拉第笼、法拉第暗区、法拉第效应、法拉第旋转、法拉第常数、法拉第－廷德尔效应、法拉第－麦克斯韦电动力学、法拉电容单位…等等，这些还远远未囊括以法拉第命名的全部发现。由此可证明法拉第留在科学史上的丰功伟绩。

5 (1)制作了历史上第一台电动机     1821年9月3日，法拉第重做了奥斯特的实验，他用小针放在放在载流铜导线周围的不同位置，发现小磁针有沿着环绕以导线为轴的圆周旋转的倾向。根据这一现象，法拉第设计制作了一种“电磁旋转器”，让载有电流的导线在一个马蹄形磁铁的磁场中转动，这就是科学史上最早的一台电动机。

6 (2)发现了电磁感应现象     1831年8月，法拉第用一个1/8英寸厚、外径6英寸的软铁圆环，绕有两股约缘线圈A和B，B的两端用一条导线连成一个闭合回路，导线下面平行放置一根磁针。A和一组电池组、一个开关连接成另一个闭合回路。法拉第发现，在合上开关有电流通过线圈A的瞬间，磁针偏转；断开开关切断电流的瞬间，磁针也偏转。但是法拉第并不满足，立即提出了两个十分深刻的问题。第一，上述实验中是否一定要用软铁磁环，没有行不行？第二，线圈A是否可以不要，改用磁棒代替？10月17日法拉第做了一个现在人们熟知的，他用一个接有电流计、线圈的闭合回路，把一根永久磁棒迅速插入线圈或迅速拔出，都可以发现电流计指针偏转。法拉第在11月24日，向英国伦敦皇家学会报告了他的重大发现，归纳出产生感应电流的五种情况：一、变化着的电流；二、变化着的磁；三、运动的稳恒电流；四、运动的磁铁；五、在磁场中运动的导线。法拉第在报告中，把他所观察的现象正式定名叫“电磁感应”。

7 (3)在实验基础上总结出法拉第电磁感应定律      1851年在《论磁力线》一书中正式提出电磁感应定律：“形成电流的力和所切割的磁力线根数成正比”。      (4)制成第一台圆盘发电机      在发现电磁感应现象以后，法拉第设计了圆盘发电机实验把一个铜盘放在一个大的马蹄形磁铁的两极中间，铜盘的轴和边缘各引出一根导线，同电流计相连，构成闭合回路。当铜盘旋转的时候，电流计指示出回路中有电流产生。这就是发电机的雏形。

8 (5)提出了电场和磁场的概念      法拉第的又一个重要成果，是提出了场的概念和力线的图象。他反对电、磁之间超距作用的说法，设想带电体、磁体或电流周围空间存在一种从电或磁激发出来的物质，它们无所不在，是一种象以太那样的连续介质，起到传递电力、磁力的媒介作用。他把这些物质称做电场、磁场。法拉第还凭借着惊人的想象力，和流体力学中的流场类比，提出电场和磁场是由力的线和力的管子组成的，正是这些力线、力管，把不同的电荷、磁体或电流连接在一起。1852年，他用铁粉显示出磁棒周围磁力线的形状。

9 (6)暗示了电磁波存在的可能性，并预言了光可能是一种电磁振动的传播     
    1832年，法拉第还用极深邃的物理洞察力对光和电的关系作出了研究。他给英国伦敦皇家学会写了一封密封信，信上写着：“现在应当收藏在皇家学会的档案馆里的一些新的观点。”这封信在档案馆里躺了一百多年，直到1938年才为后人重新发现，启了封。法拉第在信中预言了磁感应和电感应的传播，暗示了电磁波存在的可能性，还预言了光可能是一种电磁振动的传播。他还发现了光的偏振面在磁场中旋转的旋光效应。

10 2．在化学方面的贡献     (1)法拉第发现了电解第一和第二定律，开创了电化学领域，并且引入了阳极、阴极、阴离子，阳离子等现在仍在普遍使用的术语。     (2) 他研究了氯，发现两种新的氯化碳，通过实验研究了气体扩散和几种气体的液化，还研究了合金钢的性能，等等。

11 趣闻轶事 1．当年提携恩情重，后来排挤反为仇。     1812年12月的一天，英国青年化学家戴维爵士正在家里养病，一清早仆人把一大堆邮件整整齐齐放到沙发旁边的茶几上。戴维随手取出一只最大的信封，拆开来一看，是一本厚厚的书，有368页。硬封面上烫了金字：“戴维爵士讲演录”。奇怪，那个出版商连招呼都不打一声，借了我的名字出书？再翻开内页，原来这300多页书竟是用漂亮的字体手工抄写的，而且带附了不少精美的插图。这下戴维如附坠入五里雾中，莫名妙了。翻着，书中落下一张信笺，原来是封短信，大意是：“我是一个刚刚满师的订书学徒，很热爱化学，有幸听过您4次讲演，整理了这本笔记，现送上。如能蒙您提携，改变我目前的处境，将不胜感激云云，最后的签名是迈克尔·法拉第。戴维将信看了两遍，想自己也是苦出生，小时候挺淘气，多亏了伦福德伯爵的提携才有了今天，想到这里，不由动了恻隐之心，竟提起大鹅毛笔写了一封回信： 1823年3月法拉第液化氯气成功了。皇家学会的会员们十分赞赏法拉第的才华，有29人（其中有沃拉斯特）联名报他当会员。戴维听说此事大发雷霆，气冲冲地要法拉第去划掉自己的名字，还说服学会的教授们撤销对泊拉第作为会员候选人的提名。1824年1月在皇家学会就法拉第的会员资格进行无记名投标，其中有一张反对票，就是戴维投的。正是：当年提携恩情重，今天排挤反为仇。     法拉第一生中一直对自己的恩师怀着敬重和感激之情，晚年，法拉第还经常指着墙上戴维的画像颤抖地说：“这是一位伟大的人呀！”

12 2．从无意中的觉察到伟大的发现     在法拉第的思想中，确信物理学所涉及的自然界的各种力是互相紧密地联系着的。他分析了电流的磁效应以后认为，既然电可以产生磁，反过来磁也应该能产生电。他在1822年的一篇日记中就写了这样的话：“把磁转化成电。”法拉第朝着这个目标，坚定不移地坚持实验、研究近十年，经历五次重大失败，终于发现了电磁感应现象。     1831年8月，法拉第做了一个新装置。他在直径6英寸的铁环的半边，用铜丝绕成线圈，接上电流计；在铁环的另一半也红了一组线圈，接到由100个伏打电池连成的电池组上。合闸，法拉第觉得电流计的指针晃动了一下，他定神细看，指针仍指在零点，法拉第查看了桌上的仪器：A段的线圈仍连着电池组，B段的线圈仍连着电流计。“如果指针真的动过了，它应该不断地来回摆动，或者偏向一边啊！可现在指针为什么又指在零点不动呢？”法拉第想不出个所以然，只得手拆线了。这时电流计上的指针又动了。这一回他看清楚了。这次指针是向与刚才相反的方向偏转，接着又回到了零点，法拉第反复地合上、拉开电闸，见到指针不住地来回摆动。为什么指针总是这样来回摆动呢？法拉第百思不得其解。他给朋友查理·菲利浦斯的信中说：“我目前正忙于电磁研究，而且我想，我已经抓到了一点苗头，但是一时还讲不出什么道理。可是我在全力以赴之后，最后从水里抓到的，可能不是一条鱼，而是根稻草。”     发现了由磁生电的现象之后，法拉第又经过二个月的奋战，他找到了一种更为简单的办法，用一根第形磁铁和一个闭合线圈，也可以获得这种大小、方向不断变化的电流。     法拉第就在不断重复这个实验的时候，领悟到磁并不能产生电，只有运动的磁才能生电啊！许多年来，那么多有才华的科学家孜孜不倦、苦心探索的问题，答案竟是如此简单。他们之所以在电磁的大门外徘徊不前，原来是“静电”和“静磁”的框架束缚了他们的头脑。这说怪也不怪，大凡人们在思考问题的时候，总喜欢按习惯的方法和现有的思想体系来进行逻辑推理，这叫做思维定势。到了这一步创造能力已被窒息，再要前进就困难了。这时需要有胆识过人的科学家，敢于打破常规，另辟蹊径，才能出奇制胜。法拉第的成功也正在于这一点，另外他的运气也挺不错，这也很重要，俗话说：“谋事在人，成事在天”！

13 3．“婴儿”的诞生预示着电气化时代的到来     再说法拉第发现了“动磁生电”现象之后，很快总结它的规律。这一规律启发了法拉第去研制一种发电机：使导体有规律地切割磁力线，从而产生一股持续的电流来。经过几天的琢磨，10月28日法拉第在他的日记本上画出了他构想的发电机草图。     一天法拉第在皇家学会表演他的发电机时，一位贵妇人冷冷地说：“这玩意儿有什么用呢？”法拉第机智地回答：“夫人，你不应当去问一个刚出生的婴儿会有什么出息，谁也不能预料婴儿长大成人之后会怎么样？”

14 4．不爱金钱爱科学     法拉第从小就善于思考，经常提出一些有意义的问题。有一天，他到一家订户送报，突然对花园的栏杆出了神，心想：如果我的头伸进栏杆里，而身子还在栏杆外，那么我究竟应该算在栏杆的哪一边呢？法拉第好提问题，以至别人这样来形容他：他的头“老是往前伸着，好象随时准备向别人提问题似的。”     法拉第在书店学徒时，他不但博览群书，而且用它们作指导，在宿舍里做了许多实验。他的工钱除了吃饭以外，几乎全部花在买实验用品上。后来法拉第听了戴维的讲演，更下定了“献身于科学”的决心。据说法拉第为了进皇家学院室工作，戴维曾经同他进行过如下的谈话，戴维一边指着自己手上、脸上的伤疤，一边对法拉第说：“牛顿说过：‘科学是个很厉害的女主人，对于为她献身的人，只给予很少的报酬。'她不仅吝啬，有时候还很凶狠呢。你看，我为她效劳十几年，她给我的就是这样的奖赏。”法拉经坚定地说：“我不怕这个！”戴维又说：“这里工资很低，或许还不如你当订书匠挣的钱多呢！”法拉第回答说：“钱多少我不在乎，只要有饭吃就行。”戴维追问一句：“你将来不会后悔吧？”法拉第频频点头说：“我决不后悔！”就这样，法拉第正式踏进了科学的殿堂。     法拉第在科学的征途上走过了半个多世纪，他始终如一地实践了自己“献身于科学”的诺言。由于法拉第在电学和化学研究上出了名，有一段时间，法院曾经聘请他做专家作证的工作。在不到一年时间里，法拉第获得了五千镑的报酬。这时候，一位朋友劝法拉第辞去皇家学会的研究工作，告诉他“如果继续干下去，每年可以稳赚二万五千镑”。当时皇家学会每年给法拉第的报酬只有五百镑。爱科学不爱金钱的法拉第经过郑重考虑，为了专心进行科学研究，毅然辞去了专家作证的工作。     法拉第经常不分昼夜地在实验室里工作，为了利用每一分钟时间，凡是和实验无关的事情，他尽量推辞、谢绝；他不去朋友家吃饭；不上剧院看戏。他不停地做实验，记笔记。在他的实验日记上，记满了“没有效果”、“没有反应”、“不行”、“不成”等字样。1855年出版的八卷《法拉第日记》就是他日夜辛勤工作的明证，他的一系列重大科学成果，就是他心血和汗水的结晶。法拉第退休以后还念念不忘皇家学院实验室，经常去那里扫地、擦桌子、整理仪器。     法拉第不计较名誉地位，更不计较钱财，他拒绝了制造商的高薪聘请，谢绝了大家提名他为皇家学会会长和维多利亚女皇授与他的爵位，终身在皇家学院实验室工作，甘原当个平民，1867年8月25日，他在伦敦去世，尽管法拉第一生中获得各国赠给他的学位和头衔多达94个，而遵照他的“一辈子当个平凡的迈克尔·法拉第”的意原，他的遗体被安葬在海洛特公墓，墓碑上只刻着三行字：迈克尔·法拉第，生于1791年9月22日，殁于1867年8月25日。后人为了纪念法拉第，特意用他的名字来命名电容的单位，简称“法”。

15 5．坐在椅子上平静地离开了人间     法拉第在研究电感应和磁感应传播时，一时还不能完整地表述出自己的新思想，感到数学基础也不够，于是他把自己的想法先写了下来，信中说：     我倾向于把磁力从磁极向上散布，比作受扰动的水面的振动，或者比作声音现象中空气的振动；也就是说，我倾向于认为，振动理论将适用于电和磁的现象，正像它适用声音，同时又很可能适用于光那样。……   法拉第小心翼翼地将信封好，存放在皇家学院的保险箱里，希望有一天自己的想法会有知音，并得到发展和证实。光阴荏苒，弹指整整23年过去了，还未见有人问津这个领域，此时法拉第已经垂垂老矣。想到自己的理论也许再要过一百年才能人发现，心里不觉有点凄然，他感叹说道：“那个时候我也许是看不见喽！”且说那天法拉第正在叹息不已时，突然，放在桌上新到专业期刊上一篇醒目的标题跳入了他的眼帘：《论法拉第的力线》。法拉第一阵激动，他如饥似渴地将论文读了一遍，真是一篇好文章啊！文章把法拉第充满力线的比作一种流体场，又借助了流体力学的研究成果，推导出一组矢量微分方程。法拉第想自己从小失学，最缺的就是数学，现在突然降下了这么一位理解自己思想，又长于数学和帮手，真是高兴得乐不可支。“哈哈，我的理论后继有人了！”法拉第感到无限的欣慰。     几年后，也就是1860年，70高龄的法拉第在自己的寓所里会见了比他年轻40岁的麦克斯韦，他高兴地说：“当我知道你用数学来构造这一主题，起初我几乎吓坏了，我惊讶地看到，你处理得如此之好啊！”“先生能给我指出论文的缺点吗？”麦克斯韦腼腆地说，“这是一篇出色的文章，”法拉第想了想说：“可是你不应当停留于用数学来解释我的观点，而应该突破它。”这句话鼓励了麦克斯韦不懈地努力，去攀登经典电磁理论的顶峰，他终于在1865年前建立起了完整的电磁场理论方程。     1867年8月25日幸运的法拉第在看到了自己的理论后继有人，经典电磁学理论大厦完全竣工之后，坐在椅了上平静地离开了人间。