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    法拉第

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    法拉第

    邁克爾·法拉第(英語:Michael Faraday,1791年9月22日-1867年8月25日),英國物理學家、化學家,是英國著名化學家戴維的學生和助手,也是著名的自學成才的科學家。法拉第出生于薩里郡紐因頓一個貧苦鐵匠家庭,僅上過小學。1831年10月17日,法拉第首次發現電磁感應現象,永遠改變了人類文明,他的發現奠定了電磁學的基礎,是麥克思韋的先導。其在在電磁學及電化學領域做出很多重要貢獻,其中主要的貢獻為電磁感應、抗磁性、電解;為了紀念法拉第,在國際單位制里,電容的單位是法拉;阿爾伯特·愛因斯坦更是在他書房墻壁上,懸掛著法拉第、麥克斯韋、艾薩克·牛頓三幅相片。

    法拉第

    邁克爾·法拉第(Michael Faraday,公元1791~公元1867),世界著名的自學成才的科學家,英國物理學家、化學家,發明家即發電機和電動機的發明者。

    邁克爾·法拉第介紹

    1791年9月22日出生薩里郡紐因頓一個貧苦鐵匠家庭。他的父親是個鐵匠,體弱多病,收入微薄,僅能勉強維持生活的溫飽。但是父親非常注意對孩子們的教育,要他們勤勞樸實,不要貪圖金錢地位,要做一個正直的人。這對法拉第的思想和性格產生了很大的影響。

    由于貧困,法拉第家里無法供他上學,因而法拉第幼年時沒有受過正規教育,只讀了兩年小學。1803年,為生計所迫,他上街頭當了報童。第二年又到一個書商兼訂書匠的家里當學徒。訂書店里書籍堆積如山,法拉第帶著強烈的求知欲望,如饑似渴地閱讀各類書籍,汲取了許多自然科學方面的知識,尤其是《大英百科全書》中關于電學的文章,強烈地吸引著他。 他努力地將書本知識付諸實踐,利用廢舊物品制作靜電起電機,進行簡單的化學和物理實驗。他還與青年朋友們建立了一個學習小組,常常在一起討論問題,交換思想。重視實踐尤其是科學實驗的特點,在法拉第一生的科學活動中貫徹始終。

    我們的時代是電氣的時代,不過事實上我們有時稱為航天時代,有時稱為原子時代,但是不管航天旅行和原子武器的意義多么深遠,它們對我們的日常生活相對來說起不了什么作用。然而我們卻無時不在使用電器。事實上沒有哪一項技術特征能象電的使用那樣完全地滲入當代世界。

    許多人對電都做出過貢獻,查爾斯·奧古斯丁·庫侖,亞歷山得羅·伏特伯爵,漢斯·克里斯琴·奧斯特,安得烈·瑪麗·安培等就在最重要的人物之列。但是比其他人都遙遙領先的是兩位偉大的英國科學家邁克爾·法拉第和詹姆士·克拉克·麥克斯韋。雖然他倆在一定程度上互為補充,但卻不是合作人。其中各自的貢獻就足以使本人在本名冊中排列在前。

    1791年9月22日是一個光輝的日子,一代科學巨匠邁克爾·法拉第降生在英國薩里郡紐囚頓一個貧苦的鐵匠家庭。法拉第的一生是偉大的,然而法拉第的童年卻是十分凄苦的。

    法拉第不放過任何一個學習的機會,在哥哥的資助下,他有幸參加了學者塔特姆領導的青年科學組織--倫敦城哲學會。通過一些活動,他初步掌握了物理、化學、天文、地質、氣象等方面的基礎知識,為以后的研究工作打下了良好基礎。法拉第的好學精神感動了一位書店的老主顧,在他的幫助下,法拉第有幸聆聽了著名化學家戴維的演講。他把演講內容全部記錄下來并整理清楚,回去和朋友們認真討論研究。他還把整理好的演講記錄送給戴維,并且附信,表明自己愿意獻身科學事業。結果他如愿以償。22歲做上了戴維的實驗助手。從此,法拉第開始了他的科學生涯。法拉第勤奮好學,工作努力,很受戴維器重。1813年10月,他隨戴維到歐洲大陸國家考察,他的公開身份是仆人,但他不計較地位,也毫不自卑,而把這次考察當做學習的好機會。他見到了許多著名的科學家,參加了各種學術交流活動,還學會了法語和意大利語。大大開闊了眼界,增長了見識。

    1815年5月法拉第回到皇家研究所,并且在戴維指導下做獨立的研究工作并取得了幾項化學研究成果。1816年法拉第發表了第一篇科學論文。從1818年起他和J·斯托達特合作研究合金鋼,首創了金相分析方法。1820年他用取代反應制得六氯乙烷和四氯乙烯。1821年任皇家學院實驗室總監。1823年他發現了氯氣和其他氣體的液化方法。1824年1月他當選為皇家學會會員。1825年2月接替戴維任皇家研究所實驗室主任。同年發現苯。

    1821年法拉第完成了第一項重大的電發明。在這兩年之前,奧斯特已發現如果電路中有電流通過,它附近的普通羅盤的磁針就會發生偏移。法拉第從中得到啟發,認為假如磁鐵固定,線圈就可能會運動。根據這種設想,他成功地發明了一種簡單的裝置。在裝置內,只要有電流通過線路,線路就會繞著一塊磁鐵不停地轉動。事實上法拉第發明的是第一臺電動機,是第一臺使用電流將物體運動的裝置。雖然裝置簡陋,但它卻是今天世界上使用的所有電動機的祖先。

    人們知道靜止的磁鐵不會使附近的線路內產生電流。1831年法拉第發現當一塊磁鐵穿過一個閉合線路時,線路內就會有電流產生,這個效應叫電磁感應,產生的電流叫感應電流。一般認為法拉第的電磁感應定律是他的一項最偉大的貢獻。

    法拉第還發現如果有偏振光通過磁場,其偏振作用就會發生變化。這一發現具有特殊意義,首次表明了光與磁之間存在某種關系。

    1820年,奧斯特發現電流的磁效應,受到科學界的關注,1821年,英國《哲學年鑒》的主編約請戴維撰寫一篇文章,評述自奧斯特的發現以來電磁學實驗的理論發展概況。戴維把這一工作交給了法拉第。法拉第在收集資料的過程中,對電磁現象產生了極大的熱情,并開始轉向電磁學的研究。他仔細地分析了電流的磁效應等現象,認為既然電能夠產生磁,反過來,磁也應該能產生電。于是,他企圖從靜止的磁力對導線或線圈的作用中產生電流,但是努力失敗了。經過近10年的不斷實驗,到1831年法拉第終于發現,一個通電線圈的磁力雖然不能在另一個線圈中引起電流,但是當通電線圈的電流剛接通或中斷的時候,另一個線圈中的電流計指針有微小偏轉。法拉第心明眼亮,經過反復實驗,都證實了當磁作用力發生變化時,另一個線圈中就有電流產生。他又設計了各種各樣實驗,比如兩個線圈發生相對運動,磁作用力的變化同樣也能產生電流。這樣,法拉第終于用實驗揭開了電磁感應定律。法拉第的這個發現掃清了探索電磁本質道路上的攔路虎,開通了在電池之外大量產生電流的新道路。根據這個實驗,1831年10月28日法拉第發明了圓盤發電機,這是法拉第第二項重大的電發明。這個圓盤發電機,結構雖然簡單,但它卻是人類創造出的第一個發電機。現代世界上產生電力的發電機就是從它開始的。

    為了證實用各種不同辦法產生的電在本質上都是一樣的,法拉第仔細研究了電解液中的化學現象,1834年總結出法拉第電解定律:電解釋放出來的物質總量和通過的電流總量成正比,和那種物質的化學當量成正比。這條定律成為聯系物理學和化學的橋梁,也是通向發現電子道路的橋梁。

    法拉第作為一名天才的電學大師,在電磁學的新領域中樹立起了前進的路標。1837年他引入了電場和磁場的概念,指出電和磁的周圍都有場的存在,這打破了牛頓力學“超距作用”的傳統觀念。1838年,他提出了電力線的新概念來解釋電、磁現象,這是物理學理論上的一次重大突破。1843年,法拉第用有名的“冰桶實驗”,證明了電荷守恒定律。

    法拉第在電磁學的新領域中耕耘播種。他為了探討電磁和光的關系,在光學玻璃方面費盡了心血。1845年,也是在經歷了無數次失敗之后,他終于發現了“磁光效應”。他用實驗證實了光和磁的相互作用,為電、磁和光的統一理論奠定了基礎。

    1848年,受到艾伯特王夫引見,法拉第受賜在薩里漢普頓宮的恩典之屋,并免繳所有開銷與維修費。這曾是石匠師傅之屋,后稱為法拉第之屋,現位于漢普頓宮道37號(No.37 Hampton Court Road)。

    1852年,他又引進了磁力線的概念,從而為經典電磁學理論的建立奠定了基礎。后來,英國物理學家麥克斯韋用數學工具研究法拉第的磁力線理論,最后完成了經典電磁學理論。

    1858年,法拉第退休并在薩里漢普頓宮的恩典之屋定居。

    1867年8月25日,邁克爾法拉第因病醫治無效與世長辭,享年76歲。法拉第和撒拉沒有生育后代,所以他沒有子女給他送行。

    法拉第的成就

    他在電學方面的貢獻最為顯著。

    (1)紀錄中法拉第最早的實驗乃是利用七片半便士、七片鋅片以及六片浸過鹽水的濕紙做成伏特電池。他并使用這個電池分解硫酸鎂。

    (2)1821年,在丹麥化學家韓·克利斯汀·奧斯特發現電磁現象后,戴維和威廉·海德·渥拉斯頓嘗試設計一部電動機,但沒有成功。法拉第在與他們討論過這個問題后,繼續工作并建造了兩個裝置以產生他稱為“電磁轉動”的現象:由線圈外環狀磁場造成的連續旋轉運動。他把導線接上化學電池,使其導電,再將導線放入內有磁鐵的汞池之中,則導線將繞著磁鐵旋轉。這個裝置現稱為單極電動機。這些實驗與發明成為了現代電磁科技的基石。但此時法拉第卻做了一件不智之舉,在沒有通知戴維跟渥拉斯頓情況下,擅自發表了此項研究成果。此舉招來諸多爭議,也迫使他離開電磁學研究數年之久。

    (3)在這個階段,有些證據指出戴維可能有意阻礙法拉第在科學界的發展。如在1825年,戴維指派法拉第進行光學玻璃實驗,此實驗歷時六年,但沒有顯著的進展。直到1829年,戴維去世,法拉第停止了這個無意義的工作并開始其他有意義的實驗。在1831年,他開始一連串重大的實驗,并發現了電磁感應,雖然在福朗席斯科·札德啟稍早的工作可能便預見了此結果,此發現仍可稱為法拉第最大的貢獻之一。這個重要的發現來自于,當他將兩條獨立的電線環繞在一個大鐵環,固定在椅子上,并在其中一條導線通以電流時,另外一條導線竟也產生電流。他因此進行了另外一項實驗,并發現若移動一塊磁鐵通過導線線圈,則線圈中將有電流產生。同樣的現象也發生在移動線圈通過靜止的磁鐵上方時。

    (4)他的展示向世人建立起“磁場的改變產生電場”的觀念。此關系由法拉第電磁感應定律建立起數學模型,并成為四條麥克斯韋方程組之一。這個方程組之后則歸納入場論之中。法拉第并依照此定理,發明了早期的發電機,此為現代發電機的始祖。1839年他成功了一連串的實驗帶領人類了解電的本質。法拉第使用“靜電”、電池以及“生物生電”已產生靜電相吸、電解、磁力等現象。他由這些實驗,做出與當時主流想法相悖的結論,即雖然來源不同,產生出的電都是一樣的,另外若改變大小及密度(電壓及電荷),則可產生不同的現象。

    (5)在他生涯的晚年,他提出電磁力不僅存在于導體中,更延伸入導體附近的空間里。這個想法被他的同儕排斥,法拉第也終究沒有活著看到這個想法被世人所接受。法拉第也提出電磁線的概念:這些流線由帶電體或者是磁鐵的其中一極中放射出,射向另一電性的帶電體或是磁性異極的物體。這個概念幫助世人能夠將抽象的電磁場具象化,對于電力機械裝置在十九世紀的發展有重大的影響。而這些裝置在之后的十九世紀中主宰了整個工程與工業界。1845年他發現了被他命名為抗磁性(diamagnetism)至今則稱為法拉第效應的現象:一個線性極化的光線在經過一物體介質時,外加一磁場并與光線的前進方向對齊,則此磁場將使光線在空間中劃出的平面轉向。他在筆記本中寫下:“我終于在‘闡釋一條磁力曲線’-或者說‘力線’-及‘磁化光線’中取得成功。”

    在對靜電的研究中,法拉第發現在帶電導體上的電荷僅依附于導體表面,且這些表面上的電荷對于導體內部沒有任何影響。造成這樣的原因在于在導體表面的電荷彼此受到對方的靜電力作用而重新分布至一穩定狀態,使得每個電荷對內部造成的靜電力互相抵銷。這個效應稱為遮蔽效應,并被應用于法拉利籠上。雖然法拉第是一位非常出色的實驗學家,他的數學能力與之相形就顯得相當薄弱,只能計算簡單的代數,甚至難以應付三角學。不過法拉第懂得使用條理清晰且簡單的語言表達他科學上的想法。他的實驗成果后來被詹姆斯·克拉克·麥克斯韋使用,并建立起了當今的電磁理論的基礎方程式。

    法拉第把磁力線和電力線的重要概念引入物理學,通過強調不是磁鐵本身而是它們之間的“場”,為當代物理學中的許多進法拉第展開拓了道路,其中包括麥克斯韋方程。法拉第還發現如果有偏振光通過磁場,其偏振作用 就會發生變化。這一發現具有特殊意義,首次表明了光與磁之間存在某種關系。

    化學方面

    (1)法拉第最早的化學成果來自于擔任戴維助手的時期。他花了很多心血研究氯氣,1833年.法拉第經過一系列的實驗,發現當把電流作用在氯化鈉的水溶液時,能夠獲得氯氣2NaCl+2H?O =2NaOH+H?↑+Cl?↑,并發現了兩種碳化氯。

    法拉第也是第一個學者實驗(雖然較為粗略)觀察氣體擴散,此現象最早由約翰·道爾頓發表,并由湯瑪斯·葛蘭姆及約瑟夫·羅斯密特揭露其重要性。他成功的液化了多種氣體;他研究過不同的鋼合金,為了光學實驗,他制造出多種新型的玻璃。其中一塊樣品后來在歷史上占有一席之地,因為在一次當法拉第將此玻璃放入磁場中時,他發現了極化光平面受磁力造成偏轉及被磁力排斥。

    (2)他也盡心于創造出一些化學的常用方法,用結果、研究目標以及大眾展示做為分類,并從中獲得一些成果。他發明了一種加熱工具,是本生燈的前身,在科學實驗室廣為采用,作為熱能的來源。法拉第在多個化學領域中都有所成果,發現了諸如苯等化學物質(他稱此物質為雙碳化氫(bicarburetofhydrogen)),發明氧化數,將如氯等氣體液化。他找出一種氯水合物的組成,這個物質最早在1810年由戴維發現。

    (3)法拉第也發現了電解定律,以及推廣許多專業用語,如陽極、陰極、電極及離子等,這些詞語大多由威廉·休艾爾發明。他還發現了苯。由于這些成就,很多現代的化學家視法拉第為有史以來最出色的實驗科學家之一。

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