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【疯狂物理学家】法拉第:小学都未毕业的科学家,奠定了电磁学理论的发展基础

 襄子的箱子 2022-02-14
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法拉第出生于1791年,是英国的一个物理学家,化学家,他被称为19世纪电磁领域中最伟大的实验家,他出生于伦敦的纽因顿,是一个铁匠的儿子,他说:“我所受的教育是最平常的,比在普通的日校中基本的读、写多不了多少,我课外的时间都消耗在家里和街道上了。”

法拉第从小就有点口吃,且家庭也不怎么好,由于妈妈没有工作,因此全家都靠父亲养活。法拉第在家排行老三,上面有一对哥哥和姐姐,下面还有一对弟弟和妹妹。仅靠父亲打铁的微薄收入,实际上要养活这么一家子并不是一件容易的事。

法拉第五岁那年,由于交不起房租,全家只好搬到一个贫民窟中摸爬滚打。尽管家里很穷,但家庭很和谐。原本父亲打算送法拉第去读书,但贫穷的他根本交不起学费,只好让法拉第辍学。法拉第由此也成了一个小学都没毕业的科学家。

1804年,法拉第在家附近的书店和装订厂当童工,第二年,他就完成了装订学徒工。法拉第从小喜欢阅读,尤其是科学著作,比起那些理论,他更喜欢实操,他说:“我做了一些简单的化学实验,花在这方面的费用是每周几个便士,并且还造了一座电机。”

法拉第天资聪慧,似乎拥有过目不忘的本领,而且特别能吃苦,因此凡是跟他接触过的人,都对他赞不绝口。后来,他很幸运地成为了书店门徒,这对于嗜书如命的法拉第来讲,无异于是进入了天堂。书店老板很看好他,在不影响工作的前提下,都尽可能为其提供读书上的方便。

随着一天天的长大,法拉第非常渴望能进入英国皇家研究院。他一次又一次地写自荐信,但每一次都石沉大海。后来,聪明的他想到了一个办法,经过回忆,他将之前听到的科学家戴维的演讲写成了一本超过380页的《戴维爵士演讲录》,而后作为1812年的圣诞礼物寄给了戴维。戴维收到后,大为震惊,法拉第也就此进入了戴维的朋友圈。

1813年,法拉第成为了戴维的助手,开始了自己的学术生涯。戴维虽然也在科学上做出了不少贡献,但他自认为,他最大的贡献就是发现了法拉第。随后,法拉第随着戴维夫妇一起游历了欧洲,回去后就进入了皇家研究院。

1816年,法拉第发表了他的第一篇论文,在一封信中,他写道:“我很荣幸有机会与戴维爵士在一起,得以丰富化学和其他科学的知识”。

1821年,法拉第结了婚,他将新婚妻子带到了皇家研究院的住处,在那里,他们一共度过了46年。

法拉第的婚姻是幸福的,他自己也承认,他在日记中写道:“在我一生中,对喜悦与心理健康最有帮助的,就是婚姻。”在晚年最后一场科普演讲中,法拉第这样深情地感谢妻子:“她,是我一生第一个爱,也是最后的爱。她让我年轻时最灿烂的梦想得以实现;让我年老时仍得安慰。每一天的相处,都是淡淡的喜悦;每一个时刻,她仍是我的顾念。有她,我的一生没有遗憾。我唯一的挂念是,当我离开之后,一生相顾、亲爱的同伴,如何能忍受折翼之痛,我只能用一颗单纯的信心,向那位永生的神呼吁:'我没有留下什么给她,但我不害怕,我知道,您一定会照顾她,您一定会照顾她。’”

婚后不久,法拉第完成了一项重大的电学发明。两年前的奥斯特实验表明了,电能产生磁。法拉第猜想,假如磁铁固定,那么线圈就可能运动。法拉第开始研究磁的运动,在这样的基础上,他发明了一个简单的装置,在装置内,只要有电流通过线路,线路就会绕着一块磁铁不停地转动。事实上法拉第发明的是第一台电动机,是第一台使用电流将物体运动的装置。虽然装置简陋,但它却是今天世界上使用的所有电动机的祖先。

既然电能产生磁,那么磁是否能产生电呢?1831年,法拉第发现,当一块磁铁穿过一个闭合的线路时,线路内就会有电流产生,这也就是电磁感应,产生的电流也叫感应电流,这个实验与奥斯特实验相反,电流是被磁激起的。相信各位高中学理科的同学都能回忆起来。

OK,到目前为止,我们已经知道了,电与磁就像一对孪生双胞胎一样,电能产生磁,磁也能产生电。

请问,我上面这段话对吗?

错!敲黑板了,电能产生磁,磁能产生电,这种说法是错误的!正确的说法是什么的?是变化的磁场可以产生电流,变化的电场可以产生磁,什么是变化呢?就是单位时间内,磁场和电场的变化率不是一个恒定值。

这也就是说,如果电场没有发生变化,那么也就不会产生磁,反之亦然。

我为什么记得这么清楚,因为当年我将这道判断题抄了20遍,至今记忆犹新。

遗憾的是,法拉第虽然已经来到了电磁学大门的门口,但最终没有走进去,差了一步,主要也是因为他没有受过系统性的教育,数学不好,无法建立抽象的理论体系。因此这临门一脚,是由受过高等系统教育的麦克斯韦完成的。

所以说,系统性的教育对于一个人来讲,是多么的重要,伟大如法拉第,就算靠着自己的天资也未能在抽象的理论上更进一步,这不得不说是一个遗憾。但有一点毋庸置疑,法拉第为麦克斯韦打下了基础。

有那么一段时间,法拉第放下了电磁的研究,转身投入到了电解和伏特电池,他发现了电解规律,不管电压、电击面积和液体的导电性如何,被电解的水量和通过液体的电量是成正比的,这个发现成了物理学和化学之间沟通的桥梁,也为之后电子的发现铺平了道路。

1834年,法拉第引入了“阴极”和“阳极”的概念。在这一年中,有人观察到,绕着电磁体的导线连接单个电池的两端,如果有人每只手都抓住导线的一端,那么当断开电路时,这人会有一种麻酥酥的感觉。当时,亨利还没有发现自感现象,因此,人们对此一筹莫展,不知道咋回事,还以为是电里面藏着魔鬼撒旦呢。

法拉第开始研究这种作用,他认识到,这是一种电流对它自身的感应,是一种特殊的电磁感应现象,是由于线圈本身电流变化而引起的。简单来讲,就是当通过线圈的电流发生变化时,导致了线圈的磁通量也发生了变化,变化的磁通量又产生了自感电动势,新产生的电流总是阻碍线圈中原有的电流变化。当原来的电流增大时,自感电动势与原来电流方向相反;当原来电流减小时,自感电动势与原来电流方向相同。

法拉第成功地证明了“额外电流”的存在,虽然在一开始,这种“额外电流”理论遭到了相当强烈的反对,但最后被其他的研究者所证实。

洛奇爵士回忆说,法拉第的第一个电磁装置——发电机的先驱,产生了“无关紧要”的结果,以至法拉第在作了关于它的演讲之后,还有人问他究竟有什么用。丹麦一位思想家说得好,他说:“我们生活在前,但我们理解在后。”

法拉第的代表作是三卷本巨著《电学实验研究》,它收集了作者从1831至1855年在电、磁、光等方面的研究成果。由于法拉第非科班出身,所以这本大部头虽然长,但都很通俗易懂,每一个人都能从中获得知识。这本书更是在后来启发了爱迪生,他甚至说:“购买法拉第的《电学实验研究》是自己收益最大的一笔投资。”

法拉第同时也非常热衷于科普,甚至在他退休后,也孜孜不倦地做各种科普讲座,甚至就连当时的英国王室都成了他的听众。

1867年8月25日,就在诺贝尔发明炸药的这一年,法拉第去世,享年76岁。临终前,法拉第留下遗言,不希望家人为自己操办隆重的葬礼。但是在他死后,人们还是在牛顿墓的附近,为其竖立了一座纪念碑。

哦,学好数学,建立一套完整的数学体系,是多么的重要啊!有备无患!

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