发现磁生电,“电学之父”十年辛苦不寻常

—— “电磁学大咖”系列之八
作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-01-16

电能生磁,是奥斯特“摔”出来的成果;磁能生电,则是一位电磁学大咖十年辛苦的结晶。

  话说科学家奥斯特发现“电能生磁”磁效应理论,在物理学界引发了一场革命。革命浪潮中,除了奠定电磁学理论基础的安培外,还涌现出被誉为“电学之父”的电磁学大咖法拉第。靠着非同一般的勤奋,法拉第克服种种困难,花十年时间发现了“磁能生电”现象并总结出相应规律,把电磁学推向实践运用阶段。

 

  不寻常的任务

  “它猛然打开了一扇科学领域的大门,那里过去是一片漆黑,如今充满了光明。”公元1821年秋季的一天晚上,在英国皇家科学院的一处实验室里,而立之年的法拉第仔细读完奥斯特关于“电能生磁”的论文后,强压内心的激动,在日记本里写下这句话。

法拉第像。(网络图)

法拉第像。(网络图)

  其时,法拉第是英国著名科学家戴维的学徒兼实验助手。他此刻的主要任务,是代老师写一篇关于电磁学发展及展望的文章,发表在国内颇有名望的《哲学年鉴》杂志上。

  戴维之所以把这么重要的任务交给法拉第,是因为他相信爱徒有这个能力。

  法拉第出生于英国伦敦郊区的一个铁匠家庭。由于家庭贫困,他只上过两年小学,12岁就到一个书商兼订书匠家里当学徒。这使他有机会接触许多书籍。

  下班后,当同伴们离开工场回家时,法拉第却舍不得离去,而是坐在窗前如饥似渴地读书。他最喜爱的是自然科学书籍,那里面讲了许多他从来不知道的有趣知识。某日,法拉第装订《大英百科全书》时,对“电学”词条产生了浓厚的兴趣。尽管他对电学知识一窍不通,可他硬是用查词典的方法来潜心自学。同时,他省吃俭用,用微薄的工钱购买器材来做电学实验。

  法拉第通过一封信成为戴维的实验助手后,帮助戴维发明了矿井安全灯,发现了氯、氨等气体和固体苯。

  奥斯特发现电流磁效应的消息传到英国,英国《哲学年鉴》杂志向戴维约稿,评述电磁学一年的发展。忙于各种事务的戴维想都没想就把它交给了在科坛崭露头角的法拉第。

奥斯特实验示意图。(网络图)

奥斯特实验示意图。(网络图)

  在收集材料完成戴维所布置任务的过程中,一直对电磁学很感兴趣的法拉第敏锐地意识到奥斯特磁效应理论的重要性。他与奥斯特一样,受到谢林哲学的影响,深信电、磁、光、热等相互联系。现在奥斯特证明了电能生磁,摆在眼前的拦路大山就是如何用实验证明磁能生电。如果磁生电成为现实的话,那么用此法发电,既可得到很大的发电量,又可以比电池生电的成本低很多。

  “磁一定能转化为电!”法拉第在日记本上郑重写下这句话,然后放下笔,口袋里揣一块马蹄形磁铁和一个线圈,慢慢向室外走去。他有个习惯,就是边走路边思考;思考过程中可以用随身携带的器材做简单的实验。

 

  不寻常的十年

  开始,法拉第也像当时许多投身电磁学研究的科学家一样,简单地认为用强磁场靠近导线,导线中就会产生电流,或者在一根导线中通过强大的电流,靠近导线就会产生稳定的电流。于是,他或用磁铁碰导线,或把导线绕在磁铁上,或把磁铁装进线圈肚子里,但没有电流产生。

  穷人出身的法拉第具有非同一般的韧劲。对此,他想了很多实验方法,但都以没有结果而告终。据《法拉第日记》记载,公元1824年12月28日晚,“(我)指望流过一导线的电磁流在向导线靠近的强力磁极的影响下,会在导线的其他部分显示出反作用的某种效应……电路做成长、短的,用中等的铜线、很纯的银线,指针放入电流计内。磁极放入一个螺线管内,等等,等等,尽管磁极强得使导线的弯处在它的作用下绕过它,但磁铁对电流却似乎毫无影响。”

  屋漏偏遭连夜雨。由于法拉第的某些行为引来戴维的不满和嫉妒,所以戴维派他进行一系列的光学玻璃实验。法拉第对此工作不感兴趣,又不能不做,所以他只有利用业余时间进行电磁学研究。直到公元1829年,戴维去世后法拉第才得以暂停光学玻璃实验。于是,他夜以继日地进行电学实验研究。

戴维与法拉第。

戴维与法拉第。(网络图)

  历经十年时断时续的失败、试验、再失败、再实验,公元1831年8月29日,法拉第终于取得突破性进展。他在一个圆形的铁棒上绕了两个线圈,一个线圈接电源,一个线圈的下方平行放了一个小磁针。当接通电源的瞬间,他发现小磁针摆动了一下又回到原来的位置。他以为自己看花了眼,便断开电源,发现小磁针又轻轻摆动了一下,不过方向与刚才相反。

  法拉第对这个瞬间出现的现象穷追不舍。小磁针的摆动说明另一个线圈也出现电流了。但它们为什么只出现在电源接通或断开的瞬间呢?经过长时间思考,法拉第终于明白了:电源接通或断开瞬间,电流是变化的,它们产生的磁场也是变化的。也就是说,只有变化的磁场才能产生感应电流。

  问题的关键在于变化!

  他的心剧烈跳动起来,兴奋、激动之情溢于言表。因为他已经看到了成功的曙光!此后他又设计了几十个不同场景或不同材料的实验,结果证明,只要穿过闭合回路的磁力发生变化,如实验中的插入或拔出磁棒,回路中就会产生感应电流。这就是著名的电磁感应定律。

电磁感应演示实验——插入或拔出磁棒。

电磁感应演示实验——插入或拔出磁棒。(网络图)

  公元1832年1月12日,法拉第在英国皇家学会会议上作了题为“电的实验研究”的报告。报告详细介绍了电磁感应定律,及此定律对物理学的深远影响。从奥斯特发现“电生磁”以来,全世界的科学家都在寻找“磁生电”的方法,但都失败了。法拉第的成就赢得了全世界的称颂。皇家学会授予他科普莱奖,牛津大学授予他名誉博士学位,他已跻身于欧洲第一流科学家行列。

  磁能生电!法拉第十年前的预言实现了。

 

  打开电力时代大门

  法拉第根据电磁感应定律制造出世界上第一台直流发电机。即在一个U形磁铁的南北极之间,插入一个可能旋转的圆形铜盘,导线的一端缠绕在铜盘的轴心上,另一端用电刷与铜盘边缘相接触。当钢筋旋转时,在铜盘与导线组成的回路中就产生了电流。尽管这个发电机非常简陋,产生的电量还不及现在的玩具发电机,但它第一次把机械能转化成了电能,为人类打开了电气化的大门。

发电机实验模型。(网络图)

发电机实验模型。(网络图)

  发电机的问世,宣告电力时代的到来。30年后的公元1861年,德国人西门子发明了直流电动机,完成了实用电机雏形;公元1881年,美国人爱迪生改进了西门子发电机。公元1891年,俄国科学家德布罗里斯基指导学生完成了175公里的三相交流远程输电工程。这一年,距法拉第发现电磁感应现象已经整整60年。时至今日,当人们打开开关,享受电能所创造的文明硕果时,都应该感谢法拉第。公元1931年,为了纪念电磁感应现象发现100周年,政府在伦敦举行了盛大的庆祝活动。鉴于法拉第在电学方面为人类所作的贡献,科学界公认其为“电学之父”。

早期的西门子发电机

早期的西门子发电机(网络图)

  科学之路上,法拉第永不停歇。为了证实用各种不同方法产生的电在本质上都是一样的,他仔细研究电解液中的化学现象,于公元1834年总结出法拉第电解定律;再后来,他专心研究磁与光的关系,总结出著名的磁光效应。与此同时,法拉第一直在深究一个问题,即电与磁之间到底靠什么联系转换的。缺乏系统数学教育的他无法用数学公式来表示,只好用文字描述了这种叫电磁场论的东西。欲知后事,请看法拉第系列的下集《多年潜心研究,只为创立电磁场论》。

  【参考】

 1、论文《创新思维:电磁感应定律的发现》,博客名“创新能力的培养”。

 2、 书籍《名人传记之法拉第》。

 3、 百度“知乎”等平台。

 

 

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