人称“电学之父”,是19世纪电磁学领域中最伟大的实验物理学家。正是由于他的贡献,使得以后电灯、电话等电气化产品才有了产生的可能。
人物档案
姓名:迈克尔·法拉第
生卒年:1791年~1867年
出生地:纽因格顿
国籍:英国
身份:物理学家、化学家
生平纪事
1791年9月,法拉第生于伦敦附近的纽因格顿。父亲是个铁匠,有9个孩子。由于家境贫苦,幼年的法拉第没有机会接受很好的学校教育,只读过2年小学。但法拉第始终以奋进的心态,力争上游。
13岁时,法拉第开始在一间书店当学徒,学习书本装订技术,并利用闲暇时间经常去听各种科普方面的报告和演讲。在书店当学徒时,尽管他每天忙于收发和装订书报,但却利用业余时间,拼命苦读。法拉第苦学不倦的精神、勤于动手的品质博得了店主的赞赏——他答应法拉第可以随意借阅店中的书籍。在7年的学徒生涯中,法拉第研读了许多关于“电学”方面的知识,其中大英百科全书以及玛西夫人的化学对话对法拉第的影响最大,奠定了法拉第的科学基础。
1812年秋,法拉第聆听了著名化学家戴维的4次讲演。戴维的讲题是关于自然哲学方面的,演讲的内容激起了法拉第对科学研究的极大兴趣,他由此决定献身科学事业。法拉第冒昧地写了一封信给戴维,除了表达对戴维的崇敬外,法拉第还希望获得他的帮助,求他给自己介绍一份工作。同时,法拉第还附上了他的听课笔记,以说明他的敬业精神和整理资料的动手能力。一段时间之后,戴维写信询问法拉第是否愿意担任皇家研究院实验室的助手。法拉第接到信后欣喜若狂,迫不及待地就答应了,根本就不去考虑报酬的多少。从此,法拉第结束了7年的订书匠生活,迈进了科学研究的大门。这是他一生中的重要转折点。虽然戴维在科学上有许多了不起的贡献,但作为伯乐的他却说:“我对科学最大的贡献是发现了法拉第
1812年,法拉第的薪水每星期只有 25先令。最开始,法拉第的工作仅是保管实验用的仪器。后来由于他出色的表现,法拉第正式成为戴维的实验助理。他把戴维的讲演精心整理并附上插图。 1813年10月,法拉第跟随戴维到欧洲大陆进行学术考察,其间法拉第参观了各国科学家的实验室,结交了著名科学家安培、吕萨克等,充分了解了各种科学研究方法。
法拉第参与了戴维发明矿工用灯的工作,这关系到无数人的生命,工作中法拉第提供了许多建设性的建议。第二年,戴维主持的安全灯工程完成,法拉第的出色工作使得戴维对他另眼相看。后来法拉第经过反复试验,宣称这种安全灯并不是“绝对安全”。这一举动使得戴维大为恼火,师徒两人开始了不愉快的交往。后来有人提议让法拉第加入皇家学会会员的时候,戴维就曾坚决反对。法拉第于1 8 1 6年发表了第一篇化学方面的论文,论述托斯卡纳生石灰的性质。法拉第尽量拒绝社会活动,把全部精力用于实验研究,因为只有实验研究才是他真正的兴趣。1825年,他发现了化合物“苯”,1833年提出电化学定律,奠定了整个电化学的基础,后来人们将“96500库仑”的电量称作“法拉第”。
1831年,法拉第提出他一生中最重要的发现:电磁感应现象。法拉第的实验装置类似于一个变压器,后来在这一基础上法拉第建造了第一部发电机。法拉第把产生感应电流的情况概括成5类:变化着的电流,变化着的磁场,运动的恒定电流,运动的磁场,在磁场中运动的导体。他指出:感应电流与原电流的变化有关,而不是与原电流本身有关。他将这一现象与导体上的静电感应模拟,把它取名为“电磁感应”。
1833年到1834年,法拉第从实验中得出了 “电解”定律,这是有关电荷不连续性规律的最早的有力证据。 1851年,法拉第被一致推选为英国皇家学会会长,但他坚决辞掉了这个职务。1852年,法拉第在电学方面,提出了电力线(即电场线)、磁力线的概念,并用铁粉显示了磁棒周围的磁力线形状。这些对当时的传统观念是一个很大的挑战。
法拉第被公认为“最高深的科学研究和最佳、最专门化的科学讲演家”。他举办了名为“星期五晚上的演讲”的讲座。这一活动使得青年人对科学产生了很大的兴趣。69岁高龄的法拉第对于科学的热忱依然不减,每年的最后一周和第二年的第一周,法拉第还和自己的同行、同事举行“圣诞节的演讲”,主要是引导孩子们的科学思维。70岁高龄的法拉第依然在给青少年做科普报告,并编写著名的科普读物《蜡烛的故事》。
1860年,法拉第在发表了他最后一次圣诞节讲演之后,辞去了皇家学院教授职务。他的健康状况显然已处在危险之中,1864年又辞去桑德曼教会的长老职务。1867年,法拉第记忆力日益丧失,逐渐失去了工作能力。1867年8月25日,法拉第在伦敦去世,终年76年。遵照他 “一辈子当一个平凡的迈克尔·法拉第”的遗愿,遗体被安葬在海格特公墓。
生活剪影
法拉第是靠自学成才的科学家,在科学的征途上辛勤奋斗半个多世纪,不求名利。开尔文在纪念法拉第的文章中说:“他的敏捷和活跃的品质,难以用言语形容。他的天才光辉四射,使他的出现呈现出智慧之光,他的神态有一种独特之美,有幸在他家里或皇家学院见过他的任何人,不论思想最深刻的哲学家还是最质朴的儿童都感觉得到这点。”
幸福的婚姻
1820年春天,法拉第认识了一位名叫萨拉的姑娘,并深深地爱上了她。萨拉是一位银匠的女儿,恬静、文雅,长着一头美丽的棕色鬈发。萨拉家和法拉第家都是桑德曼教会的信徒,他们在同一个教堂做礼拜。法拉第就是在教堂认识她的。几年前陪同戴维夫妇去欧洲旅行的经历,使法拉第深感婚姻并没有给戴维带来幸福,从而产生诅咒爱情是 “传染病”、“扫帚星”的想法。但是,同温柔体贴的萨拉相遇后,法拉第心中的坚冰融化了。萨拉也很爱法拉第,她被小伙子的乐观、深沉和勤奋深深吸引了。 1821年初夏,这对有情人举行了婚礼。还在蜜月期间的法拉第很快又投入到了紧张的科学研究中去了。
一次,法拉第在全神贯注地做着实验,连吃晚饭的时间也忘掉了。妻子萨拉只好将晚饭送到他的实验室。萨拉送来面包和牛排,没想到法拉第居然拿起面包用一根细线悬挂起来,放进两个磁极之间。面包像受过训练一样,一动不动地停立在磁力交叉的方向上。法拉第又朝妻子眨了眨眼睛,示意要将牛排也用作实验。萨拉看着他做实验,虽然无可奈何,却也被法拉第对工作的认真与专注深深感动了。
淡泊名利的法拉第
1825年,法拉第参与冶炼不锈钢材和折光性能良好的光学玻璃的工作。不少公司和厂家出重金聘请法拉第为他们的技术顾问。面对15万英镑的财富和没有报酬的科学研究,法拉第选择了后者。1835年圣诞节刚过不久,一家时报登出法拉第的照片,标题用的是醒目的黑体字:名师高足,后来居上——迈克尔·法拉第即将被授予爵士称号当时有人前来祝贺,法拉第淡淡一笑:“没有的事
1851年,法拉第被一致推选为英国皇家学会会长,他也坚决地推辞掉了这个职务,把全部身心都献给了科学研究事业,终生过着清贫的日子。法拉第成名以后,世界各国赠给他的荣誉头衔有90多个,但是他说:“我承认这些荣誉很有价值,不过我从来没有为追求这些荣誉而工作。”“科学家不应是个人名利的崇拜者,而应当是客观事物的崇拜者。探求真理应是他唯一的目标。”
科研成果
法拉第是19世纪英国伟大的实验物理学家。他发现了电磁感应现象,并总结出了电磁感应定律,首次提出了场的思想,建立了电场、磁场的概念,是电磁场理论的奠基人。他还发现了电解第一和第二定律,为现代电化学工业奠定了基础。
丹麦物理学家奥斯特提出“电流磁效应”现象的那年(1820年),法拉第也成功研制出电磁铁,即在铁或钢块外面绕有通电导线时,铁或钢块便成了磁铁。此后,法拉第几乎完全致力于磁与电的研究。由于当时还没有制售电学仪器的商店,法拉第不得不亲自设计、研制包括绝缘导线在内的最普通的电学仪器,他甚至自己动手制造了一架极其灵敏的电流计。1831年下半年,他在经过无数次实验后终于将磁转化为电,掀开了电磁感应现象的神秘面纱。在此基础上,他总结出了著名的电磁感应定律,即只有当穿过闭合回路的磁通量发生变化时,回路中才会产生感应电流;而当回路不闭合的时候,由于磁通量的变化,也会产生电磁感应现象,这时并没有感应电流,而存在感应电动势;当穿过回路的磁通量变化愈大时,回路产生的感应电动势也愈大;当切割磁力线方向不同时,产生感应电动势或感应电流的方向亦会不同。
法拉第以电磁感应的研究成果为基础发明了全世界第一部发电机。当然,这一部发电机是很简陋的——法拉第把一块铜制平面板的边,放在一块永久性磁石的两端之间;再把一片狭长的铜和一片狭长的铅,放在平面板的边上,作为接收产生电的容器;再装上一个电流计,当平面板旋转时,电流计上的指针也随着移动。这样,一种有变化的电流就在磁石中产生出来了。这一部发电机虽然简陋,但它却是日后复杂发电机的始祖。
法拉第发现电磁感应后,对牛顿的 “空间除了粒子以外什么也没有”的说法产生了怀疑。法拉第在1837年提出了杰出的“力线”概念。他把铁粉撒在磁铁周围,铁粉立刻呈现出有规则的曲线,从一个磁极到另一个磁极,连续不断。他把这种曲线称作“力线”。电荷或者磁极周围的空间不再是一无所有,而是布满了向各个方向散发出去的力线,电荷或者磁极就是力线的起点。由此,法拉第创造性地引入了“场”的概念。他指出,电和磁的周围都有“场”的存在,电或磁的作用的传递,是通过电场或磁场使周围的介质极化来进行的。他把布满磁力线的空间称为磁场,磁力就是通过连续的场传递的。法拉第“力线”和 “场”概念的提出,是牛顿以后物理概念的重大发展,打破了牛顿“超距作用”的传统观念,动摇了牛顿力学神圣殿堂的基石。“场论”的思想诞生了,这是物理学史上的又一次革命。
此外,法拉第在电化学领域也取得了里程碑式的成就,那就是电解定律的创立。早在为戴维担任助手的最后一年 (1811年),20岁的法拉第就自己动手完成了用电流方法来进行化学分解的实验,即电解的实验。20年后,他对电解课题再次显示出强烈的关注。通过细致的测定和周密的分析,法拉第发现电解时所析出的物质数量与通电量两者之间存在着严格的量的关系,并将之归纳为两条基本定律。第一定律为:不管电解质或电极的性质是什么,由电解所析出之物的质量与电流强度及通电时间成正比,换言之,与通过溶液的总电量成正比。第二定律为:一定量的电流量所析出之物的质量与这物质的化学当量成正比。后人将这两条定律合称为“法拉第电解定律”。电解定律的创立,为近代电子论的创立提供了强有力的实验依据,使人类在认识物质结构的道路上迈出了一大步。于是,半个世纪之后,英国物理学家汤姆生发现了电子的存在; 1911年,美国人密立根成功地测量出电子所带电荷的精确值,这两大进步都与法拉第的电解定律密不可分。
影响评述
法拉第是世界上最伟大的自然哲学家之一。法拉第的科学研究工作使全世界的人们享受到电气化时代带来的便利。法拉第最伟大的发现—电磁感应,对近代科学技术的发展产生越来越广泛、深刻的影响。它被应用于无线电通讯、广播、雷达、电视、遥测、遥控等各个方面,从而改变了世界文明的面貌,至今造福于整个人类。由于法拉第的杰出贡献,英国及其他国家都给予他荣誉和奖励,他先后得到95枚奖章、勋章,以及各种荣誉称号和学位。
爱因斯坦曾高度评价法拉第所做出的贡献。他认为法拉第在电学中的地位,相当于伽利略在力学中的地位。爱因斯坦尤其称赞了法拉第所建立的 “场”的新概念:“这样就奠定了同牛顿的物理学原则上不同的物理学的基础,同时在逻辑的一贯性上明显地超过牛顿的物理学。因此,相对论不过是场论的下一个发展阶段。”
著名科学史家丹皮尔也指出:“法拉第奠定了实用电学的三大部门,即电化学、电磁感应与电磁波的基础。而且他坚持主张电磁力场具有极大重要性,这也是现代物理学理论有关电的方面的历史起点。”