繼續前進
我不能說我不珍惜榮譽,並且我承認它很有價值,不過我卻從來不為追求這些榮譽而工作。——法拉第法拉第繼續前進繼續實驗不停息
法拉第終於結束了這場持續10年的電磁戰,按說,他應該休息一下了。然而,他並沒有止步不前。
因為隻有當磁棒在線圈中做往複運動的時候,才有電流感應出來。磁棒的運動一停止,電流也就隨著消失,他沒有能像伏打那樣製造出穩定的電源來,他想能夠用磁電感應的原理製造出永久性的穩定電源。
法拉第在1831年10月17日實驗結果的基礎上繼續努力。他讓磁棒插在線圈裏固定不動,讓線圈相對於磁棒上下運動,結果同樣能夠感應出“磁電”來。
這說明,關鍵就在磁鐵和線圈之間必須有相對運動,至於哪一個靜止,哪一個運動,那倒沒有關係。
然而,磁鐵和線圈之間相對運動是往複的,這樣所感應出來的電流也必定是往複的。要產生穩定的單向電流,磁鐵和線圈之間的相對運動必須是單向的。
可是磁鐵和線圈之間如果做單方向的相對運動,它們的距離就會越來越大,這當然是不行的。他想起法國物理學家阿拉哥的圓盤實驗,決定用一個圓銅片來代替線圈。
線圈是導體,銅片也是導體;線圈中能夠感應出電流,銅片中當然也應該能夠感應出電流。
法拉第做了一個圓銅片,裝上軸,讓它夾在馬蹄形磁鐵的兩個磁極中間旋轉。
如果把圓銅片的軸當做導線的一個端點,把圓銅片的邊緣當做導線的另一個端點,那麼這根導線就將在南北磁極之間做單方向的運動,它將能感應出單方向的電流來。
法拉第做了實驗,但是沒有成功。線圈是由很多圈導線繞成的,圓盤隻相當於一圈,當然比較難感應出電流來。
不過有一個辦法:可以用強大的磁鐵來彌補圈數的不足。皇家學會有一塊特別大的馬蹄形磁鐵,但是很不巧,它被皇家軍事學院的克裏斯蒂教授借去了。
法拉第在兩年前被聘為皇家軍事學院的化學講師,每年要去講20次課,和那裏的人很熟。
10月28日一早,法拉第就上皇家軍事學院去了。他在那裏做了許多實驗,那塊碩大無比的馬蹄形磁鐵好極了。
法拉第的實驗日記裏是這樣記的:圓銅片的軸和邊緣用一隻電流計連接起來。圓銅片旋轉的時候,電流計的指針發生偏轉。效果非常清楚和恒定。
法拉第在“恒定”兩個字上打了加重號,因為重要的正是產生恒定的電流。“磁電”和伏打電池的電流一樣穩定,不就可以把笨重的伏打電池取代了嗎?世界上的第一個“發電機”就這樣誕生了。
隻用兩個月的時間,法拉第就完成了兩類電磁感應實驗。“伏打電感應”孕育了變壓器的誕生,“磁電感應”預告了發電機的出現。
有了發電機和變壓器,電就能夠大規模地生產,並且輸送到遙遠的地方。電將從科學家的實驗室走向工廠、礦山、農村,走進每一個家庭。
法拉第在1831年發現了電磁感應,因此有人把這一年稱做電氣時代紀元一年。
但是電真正登上人類的生產和生活舞台,卻是許多年以後的事情。那是因為工業和技術上的條件還沒有成熟,也是因為蒸汽機、火車、輪船剛出現不久,英國正在進行工業革命,目標是用蒸汽力量代替人的力量。
就在這一年的除夕,法拉第滿麵春風地向他的親朋好友當場表演了這個新發明。
所有在場的親朋好友都為法拉第的精彩表演而讚不絕口,連聲叫好。此時,隻有一位好挑剔的貴婦人不以為然,她取笑地問法拉第道:
“先生,你發明的這玩意兒有什麼用呢?”
聽了貴婦人略帶譏笑的發問,法拉第神態自若地把手放在胸前,略一欠身,答道:“夫人,新生的嬰兒又有什麼用呢?”
法拉第的精彩回答使人群中立時爆發出一陣喝彩聲。
法拉第發明的這台小發電機在我們今天的人看來,的確像一個十分簡單的玩具,實際上法拉第也沒有把其付諸實用,然而它卻是我們今天各種發電機的雛形。
法拉第的這一發明在近代科學史上產生了十分深遠的影響,從此,人類便打開了電能寶庫的大門。
電磁感應是近代物理學上的一項重大發現,也是法拉第科學事業上的一座高峰。一旦他越過這一高峰,便向電磁學的縱深挺進,長驅直入,取得一個又一個輝煌的戰果。
不斷創造科學輝煌
發現電磁感應定律後,法拉第又對電現象進行了大量廣泛而深入的研究。他有一個堅定的信念,大自然是統一的、和諧的。
大自然中萬物紛呈,變化無窮。電,能生光、生熱、生磁,引起各種化學反應;反過來化學作用也能產生電,磁也能產生電。
法拉第以為,所謂的電、光、熱、磁,以及化學親和力、萬有吸引力,這些無所不在、千變萬化的力,實質上是源於大自然的同一的力。它們隻不過是名稱不同、表現形式各異罷了。
根據這個認識,法拉第開始研究電的統一性。到那時候為止,除了雷電之外,已經發現的有五種不同來源的電,摩擦電、伏打電、熱電、動物電和磁感應電。
這五種電有相同的地方,也有不相同的地方。有人認為它們是同一種東西,有人則認為不是。眾說紛紜,莫衷一是。
法拉第對這五種電進行了全麵的考察,他將電的效應歸納為靜電的與電流的兩大類,電流的效應又分為發熱、磁、化學分解、生理效應、電火花五種。
法拉第根據自己的實驗結果,證明了前三種電有靜電與電流的全部效應,動物電顯示了生理、磁、化學等三種效應,熱電隻顯示生理效應和磁效應。
法拉第把這幾種電間的差別歸因於“電量”和“強度”的不同,而不是本質的不同。
於是,法拉第得出了結論:“不論電的來源如何,它們的本性都是相同的。”法拉第用電的同一性,為他的信念“自然是統一的”提供了有力的論據。
電的同一性研究直接導致法拉第發現了電解定律。19世紀初,人類對電的研究還很粗淺,對於物質結構與電的關係,更是茫然無知。
電是什麼?物質是什麼?電、物質結構與化學變化之間又有何關係?對於這些問題,各國科學家爭論不休。
有人認為,電就是一種微粒,構成了物質;有人認為,電是物質微粒的一種振動,就像熱那樣;有人則提出:電是流體。
德國科學家格羅圖斯提出一種假說,認為產生伏打電的伏打電池實際上是塊電磁鐵。
戴維則主張,電是與分子不可分離的一部分。安培提出有分子電流存在,並用分子電流來解釋磁鐵的磁性,但認為分子電流的電量是“組成分子的原子分解以後的產物”。
德拉裏弗卻又主張:電和物質是兩種不同的東西,是可以各自獨立存在的。
電、分子、化學變化的內部機製,這些都是微觀現象,是無法直接觀察到的,要從人們能夠觀察的宏觀現象去推斷微觀的結構,是相當困難的事,難免會出現種種混亂與錯誤。
1832年,法拉第開始從事電化學研究的時候,麵臨的正是這樣的各種理論糾纏在一起、難以分辨真理與謬誤的局麵。
針對這種情況,法拉第首先了解各種意見,進行鑒別比較。對每家的理論學說,分別實驗,檢驗其正確與否和實用價值。
對於自己的種種設想,法拉第也是用實驗來驗證。
在走過了許多的彎路、碰了一次又一次的釘子後,法拉第最後終於找到了研究電化學規律的辦法,就是稱量出電極上析出的物質重量,把它與流過電極的電量進行比較。
於是,法拉第試圖發明一種能夠測量“電”量的大小的儀器,以確定各種電之間量的關係。但用什麼方法來製造這樣一種儀器呢?
才思敏捷的法拉第想到了電解方法。電解現象早已發現了,並已被科學家們用來獲取或提煉某些化學元素。
法拉第想,電解時分離出來的物質的量一定是與通電量的多少有關,比如水電解時產生了氫和氧兩種氣體,那麼能否根據電解時從電極上逸出的氣體量的多少,來計算出通過水的電量呢?
想到這些,法拉第又進行了大量的實驗。經過大量實驗證實了他的想法:電解時分離出來的物質數量與通電量兩者之間存在著嚴格的量的關係。
於是,電量計創製出來了。同時,一個遠比電量計更為重要的規律也隨之問世了,這就是著名的“法拉第電解定律”。
電解定律是法拉第在研究與發明電量計過程中的意外收獲,也可以說是電量計的副產品,但其重要性卻是電量計的千百倍。
這如同一個進行潛水鍛煉的愛好者,在進行鍛煉,達到了強健體魄目的的同時,在水中發現了古代裝滿貴重物品的沉船。
生物進化論奠基者達爾文說過:“科學就是整理事實,以便從中得出普遍的規律或結論。”法拉第電解定律的創立過程,非常清楚地印證了達爾文的這句名言。
電解定律完全是從大量的實驗與浩如煙海的實驗數據中發現的,是通過實驗數據的彙集、分析、整理和總結得出的規律。
法拉第之所以能夠發現這個規律,除了他的堅韌毅力與極為細致、負責的工作態度外,還緣於他的敏銳觀察能力和他對電學與化學兩門學科兼通的本領。
而法拉第在青少年時期,在利博的訂書店,通過刻苦自學所打下的堅實的實驗能力與電學、化學知識的基礎,無疑也是一個重要的成功因素。
電解定律找出了電解的時候物理現象和化學現象定量的聯係,成為化學的基本定律。電化學的開創人是戴維,法拉第卻把它向前推進了一大步,將老師的學說發揚光大了。
法拉第在電化學學科中取得了如此大的成績,被公認為電化學的先驅。兩條電解定律是電化學的基礎,直到今天仍在電解與電鍍工業上廣泛應用。
另外,法拉第電解定律還有更深一層的意義:它的光芒照亮了半世紀後電子論的發展道路,為發現原子的內部結構奠定了初步的理論基礎。
此外,法拉第對電介質和導體進行了深入的研究。通過大量細致的實驗,他認為當時電學中所使用的舊名稱十分混亂,不但詞不達意,而且常有謬誤。