10月17日,法拉第在一個空心紙筒上纏繞了一組線圈,並使一個電流計與之相連,當他把一根磁棒迅速地插入紙筒中時,電流計的指針向一個方向擺動了一下;當他把磁棒迅速地從紙筒中抽出來時,電流計的指針又向相反的方向擺動了一下。他反複地試驗,都得到了相同的結果。
法拉第最終得到了一個結論:電流的產生與磁棒本身的強度無關,隻有變化的磁場才能感應出感生電流,而且這種感生電流是有方向性的。
法拉第這次實驗意義重大,然而他並不滿足於這短暫電流的產生,他需要的是持續而穩定的電流。
10月28日,法拉第做了一次非常著名的實驗,而他為此實驗設計出的一套裝置,客觀地說,那便是人類曆史上第一台發電機。裝置的構造是這樣的:
將一個直徑12英寸的黃銅盤固定在一個支架上,並使它能夠繞軸轉動。銅盤的邊緣與一個彈片相觸,從這個彈片和銅盤的中軸分別引出一條導線並與一個電流計形成閉合回路。將一塊馬蹄鐵水平固定在支架上,並使銅盤的邊緣能伸入它的兩極間。
這套裝置設計得非常巧妙,銅盤在這裏充當了線圈的角色,當銅盤轉起來時,就相當於磁鐵與線圈發生了相對運動,而且這種運動是持續、單向的。
果然不出法拉第所料,當他搖動手柄,黃銅盤轉動起來的時候,電流計的指針發生了偏轉,而且恒定地指向一個方向。
電磁感應這項19世紀最偉大的發現就在法拉第一次次的實驗中被發現了。它在科學界引起了巨大的轟動。法拉第的偉大功績就在於他奠定了電磁理論大廈的堅固基礎,後來的許許多多科學家都在這個基礎上,不停地建造著這座宏偉的電磁大廈,最終不斷地使人類社會發生著天翻地覆的變化。
“法拉第效應”
早在當書店學徒時,法拉第就曾做過這樣一個實驗:把鋅片和銅片交替疊放起來,中間夾上浸過鹽水的紙板,這樣就做成了一個簡易的伏打電池。將電池的兩極用銅絲導入硫酸鎂溶液中,硫酸鎂被分解了。而且鋅片上很快就蒙上了一層銅膜,銅片上也蒙上了一層氧化鋅。
對於這個實驗,還是學徒的法拉第印象非常深,所以到1832年時,他就決定開始研究這個問題。通過多次實驗、比較和分析之後,他得出了這樣一個結論:當電化分解發生時,分解出來的物質的量並不和電流強度成正比,而是和通過的絕對電量成正比。這實際上就是法拉第電解第一定律。
經過進一步研究,法拉第又發現:每一種元素在電解時始終以確定的比例析出。他把這種比例稱為電化當量。電化當量與元素的化學當量非常一致,於是法拉第電解第二定律表明:電化當量與化學當量係同一個概念,當一定的電量通過電解質時,析出物的質量與這種物質元素的化學當量成正比。
法拉第電解定律後來被廣泛地應用於電鍍、電解工業。
1835年夏末,法拉第開始研究靜電感應和靜電屏蔽。為了更有力地證明金屬導體所帶的電荷集聚在表麵上,他做了一個長、寬、高都是3.66米的金屬架子,上麵蒙了一層銅絲網。他讓銅絲網帶上高壓電,並且讓它放電,製造一場人工雷電。外麵劈劈啪啪、火花飛濺,他站在裏麵,臉帶微笑,安然無恙,卻把朋友們看得心驚肉跳。
1837年,法拉第的主要研究方向是:電介質對電力作用的影響。他發現絕緣體電容器比真空電容器能夠容納更多的電量,他把兩者容納電量的比值叫做絕緣材料的電容率。為此,人們就以“法拉”作為電容的單位。
1841年的夏天,健康狀況受到了嚴重損害的法拉第不得不暫時放下他熱愛的科學工作,在妻子薩拉的陪伴下去瑞士療養。半年之後,法拉第回到了倫敦,但他的身體狀況仍不允許他繼續工作。直到1845年春天,法拉第的健康狀況才得以逐步地恢複。
從遠古時代起,朝霞、彩虹、影子、日食這些有趣的光學現象就使得人類對光產生了濃厚的興趣。古希臘偉大的科學家歐幾裏得、托勒密都曾用數學方法對光學進行過研究,他們不僅知道光的直線傳播特性,還了解光的反射、折射規律。但他們僅僅對光進行了普通的幾何學研究,光學真正成為一門係統的學科,還是發生在17世紀初期。
法拉第對以太假說持一種懷疑態度,在他看來,光波並不是在以太中傳播,而是與電磁力線的振動有關。
1845年春,身體好轉起來的法拉第就著手研究這個問題,9月13日,在許多次失敗的實驗之後,法拉第終於成功地證明了磁場的確使通過重玻璃的偏振光的偏振麵發生了旋轉,而且磁力強度越大,光的偏振麵的旋轉角度也越大,這種效應被稱為磁致旋光效應,即著名的“法拉第效應”。磁力能對偏振光產生作用,這不正說明電磁與光具有一種內在的統一性嗎?
長期以來,在法拉第電磁學研究的過程中,有一種觀念在他的頭腦中越來越清晰地顯現出來,這就是:帶電體或磁體周圍一定存在著一種由電磁本身產生的連續的介質,來傳遞電磁的相互作用。1845年11月7日,法拉第首次在日記中記錄下了“磁場”一詞;1848年,他以其卓越的形象思維能力正式提出了“場”這一概念,用來描述這種看不見、摸不著的介質。為了直觀地顯示“場”的存在,他又引入了“力線”的概念。
1851年,法拉第在他的偉大論著《論磁力線》一文中進一步闡明了他的場論思想。他說,場由力線構成,力線將相反的電荷和磁極連通起來,它們的疏密程度代表電場或磁場的強度。由異性電荷或磁極發出的力線趨向於使它們拉向一起,即異性相吸;由同性電荷或磁極發出的力線趨向於使它們相互排斥,即同性相斥。
場論思想的提出,是物理學思想史上劃時代的事件,它對後代物理學研究起到了難以估量的影響。
在這篇著名論文中,法拉第還提出了這樣一條定律:導線切割磁力線時,導線中將有電流產生,而且電流的大小與所切割的磁力線數成正比。這條定律後來被命名為“法拉第電磁感應定律”。
不滅的光輝
1846年4月的某一天,皇家學院邀請查爾斯·惠斯通爵士演示他的新發明--電磁計時器。由於各種原因,查爾斯·惠斯通爵士當天沒有來,作為主持人的法拉第隻好上台做一次即興演講。
法拉第在演講中指出:光是一種在力線中所做的高級振動。現在我們知道,光實際上就是一種電磁波,是電力線和磁力線的振動。但在當時,法拉第的理論卻並不為大多數科學家所理解,直到麥克斯韋將光的本性揭示出來,大家才深刻地認識到法拉第講演中所包含的深遠意義和超前的思想意識。
麥克斯韋認為變化的磁場必然激發出電場,變化的電場也必然激發出磁場。這種變化著的電場和磁場共同構成了統一的電磁場。直到1886年,德國物理學家赫茲在實驗室中驗證了電磁波的存在。
從1839年到1855年,法拉第的《電學實驗研究》分三卷出版了。這套凝聚了法拉第畢生心血的巨著是物理學中完整記述19世紀電學發展的經典史料,是留給後代科學家最翔實、最豐富、最形象的寶貴資料。
作為一名實驗物理學家,法拉第在科學研究上的蓬勃生命力直到他40歲時才爆發出來,這與其他大多數科學家比起來,顯得大器晚成。
1850年以後,法拉第的身體已不允許他再像往常一樣從事縝密的實驗和研究了。1862年,法拉第在皇家學院的星期五晚間討論會上做了最後一次講演。兩年後,法拉第辭去了皇家學院實驗室主任和事務主任兩項職務。
法拉第成名後,各種榮譽像潮水一般向他湧來,他被世人譽為“電學之父”。法拉第沒有陶醉在無尚的榮譽中,他依然保持著人性中最純美的東西。他一生中獲得的榮譽多達94項,但他卻把這些獎章和獎狀放進一個盒子,連最親近的朋友也無緣得見。政府在1855年決定授予他爵士稱號,卻被他拒絕了。理由是“法拉第教授出身平民,他不想變成貴族”。
晚年的法拉第,由於辭去了所有的技術性工作並不再做科學講演,他的經濟狀況非常窘迫,以至於1858年維多利亞女王贈給他一套住宅時,他因無力支付必要的維修費而大為傷神。後來女王得知情況後,派人為他將房屋修葺一新,此後,法拉第就一直住在這所房子裏。
其實就法拉第的稟性來說,名譽和金錢都不是他的追逐目標,探索科學真理才是他一生唯一不變的心願。
1867年8月25日,像往常一樣,滿頭白發的法拉第安靜地坐在椅子裏睡著了,從此就再也沒有醒來。
法拉第靜靜地走了,按照他生前的要求,葬禮舉行得非常簡樸,隻有為數很少的幾個親友參加。墓碑上僅刻著這樣幾行字:
邁克爾·法拉第
生於1791年9月22日
卒於1867年8月25日
法拉第在他的一生中做出了許多科學上的重大發現和發明。愛因斯坦說,法拉第關於磁場和電場的思想是“自牛頓時代以來,物理學基礎所經曆的最深刻的變化”。
大事年表
1791年9月22日,出生於倫敦一個鐵匠家庭。
1804年在裏波先生的書店裏當學徒。
1812年聽戴維教授在皇家學院的最後4次講演。
1813年成為戴維教授的實驗室助手。陪戴維教授出行歐洲。
1816年發表第一篇科學論文《多林尼加本生石灰化學分析》。
1821年發現了電磁旋轉現象,並發表實驗論文《論某些新的電磁運動及電磁理論》。
1823年氯氣液化成功。
1824年當選倫敦皇家學會會員。
1825年任皇家學院實驗室主任,創辦星期五晚間討論會。
1831年發現電磁感應現象。
1832年發現電解定律。
1839~1855年《電學實驗研究》分三卷出版。
1841年到瑞士療養半年。
1845年發現磁致旋光效應。
1848年正式在論文中使用“場”的概念。
1867 8月25日逝世。