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M.法拉第 Michael Faraday (1791~1867)

  伟大的英国物理学家、化学家。法拉第出身贫寒,自学成才,工作勤奋,热心科普工作,是实验大师。他发现了电磁感应现象、法拉第电解定律和磁致旋光效应,提出了力线和场的概念,主张自然界的各种力相互有关,反对超距作用的观点。J.C.麦克斯韦电磁场理论是在法拉第工作的基础上建立的。

目录

青少年时代

  1791年 9月22日。法拉第出生在萨里郡纽因顿一个贫苦的铁匠家庭里。5岁时随父母到伦敦。在一所普通的日校读书。13岁时法拉第在书店中当学徒,起初送报,后学装订,工余时间自学化学和电学,并动手做实验,验证书上的内容。他在装订不列颠百科全书时,偶然看到了《电学》这个条目,更加激发了他对科学的热情。1810年2月至第二年9月,听了J.塔特姆所作的十几次自然哲学讲演,并开始参加市哲学学会的学习活动,受到了自然科学的基础教育。1812年2月至4月,又在皇家研究所听了H.戴维的4次化学讲座,每次他都细心笔录,清理成稿,而且热忱地抓住戴维的每个科学观点,转述给市哲学学会的同伴。这年10月法拉第学徒满师,写信给戴维,表示献身科学事业的决心,并随信附上自己记录、装订的《H.戴维爵士讲演录》。1813年3月,经戴维介绍进皇家研究所任实验室助手。同年10月,随戴维去欧洲大陆作科学考察旅行。1815年 5月回皇家研究所,在戴维指导下从事化学研究。戴维的广博和深邃的知识,给法拉第以最重要的影响。

早期科学工作

  法拉第的第一篇科学论文曾发表于1816年。从1818年起他和J.斯托达特合作,研究合金钢,首创了金相分析方法。1820年他用取代反应制得六氯乙烷和四氯乙烯。在1820年H.C.奥斯特发现电流能使其周围的磁针偏转以后,引起研究电和磁的关系的热潮。法拉第研究了这方面的问题,并在1821年9月发现通电流的导线能绕磁铁旋转,这是他的第一个重要发现。1823年,他发现了氯气和其他气体的液化方法。1824年1月,法拉第当选为皇家学会会员,1825年2月任皇家研究所实验室主任。同年,发现苯,为芳香族化合物的研究和应用开辟了道路;并开始研究光学玻璃的制造技术。

电磁感应的发现和场的概念的诞生

  从1831年起,法拉第的科学工作进入一个新阶段。早在1824年,他就论证过,既然电对磁有作用,那末磁也应当对电有反作用。经过多次实验,他终于在1831年8月获得成功。他在一个圆形软铁环两边绕上A、B两组线圈,在A组线圈同伏打电池接通或切断的瞬间,B组线圈中会感生出电流,法拉第把这叫做“伏打电感应”(见彩图)。10月又发现,磁铁和导线的闭合回路有相对运动时,回路中会产生感生电流,法拉第称之为“磁电感应”。伏打电感应孕育了变压器的诞生,磁电感应预告了发电机的出现。这两类电磁感应现象的发现为电在未来的大规模应用奠定了基础。这项工作获得了皇家学会的科普利奖章。

  受电磁感应启示,法拉第直觉地揣测到磁铁周围是一个充满力线的场,感生电流的产生是由于导体切割力线。1832年3月12日,他在文稿中写道:“……使我相信,磁的作用是渐进的,是需要时间的,”“有理由假设,电(压)的感应也是以类似的渐进方式进行的。”这是物理学史上第一次认真地向力的超距作用概念提出的挑战。

法拉第电解定律和其他电学实验研究

  1833年法拉第任皇家研究所富勒化学讲座教授。1832年他发表了《不同来源的电的同一性》一文,用实验证明:“不管电的来源如何,它的本性都是相同的。”1833~1834年,他发现了两条电解定律(后来称为法拉第第一和第二电解定律)。这是电化学的开创性工作,第二定律并且指明了电荷具有最小单位。法拉第电解定律是基本电荷存在的有力证据。正如H.von亥姆霍兹所说:“法拉第定律的最令人惊异的结论也许是:如果我们接受元素物质由原子组成的假说,就不可避免地要做出结论:不论正电和负电,都可以分成单元,其行为如同电的原子。”法拉第还制订了许多电化学术语,并测定了电解1克当量物质所需要的电量为96484库仑,后来这被称为法拉第常数。从1834年起,法拉第对伏打电池、静电、电容和电介质的性质进行了大量实验研究。1843年,用冰桶实验证明电荷守恒原理,为了纪念他在静电学方面的工作,电容的实用单位称为法拉

磁致旋光效应和抗磁性现象的发现

  1845年8月,法拉第研究电和磁对偏振光的影响,9月用过去研制的重玻璃做实验,发现原来没有旋光性的重玻璃在强磁场的作用下产生旋光性,使偏振光的偏振面发生偏转。这是人类第一次认识到电磁现象和光现象之间的关系。磁致旋光效应后来称为法拉第效应

  1845年11月,法拉第发现大多数物质具有抗磁性,而认为并不存在什么磁极。他提出电和磁的作用是以介质为中介来传递的,而介质便成为电场和磁场的载体。1846年 5月,他发表了《关于光振动的想法》一文。他写道:“……把辐射看作在力线中所作的一种高级振动……,我的观点是排除以太,但并不排除振动。”19世纪后半叶,实验观测到电磁波的存在,证实了法拉第的大胆预言。当然,法拉第并没有真正排除以太,他把电磁现象看作是一种连续媒质中的应力和应变的表现。这种假想的连续媒质后来被叫做电磁以太,和所谓的光以太是同一种东西。

晚年研究工作

  法拉第工作过度劳累,中年开始健康受到损害,但仍一直坚持工作到晚年。他研究火焰和各种气体的磁性,研究晶体在磁场中所受的力。借助力线的概念,他对电磁感应现象进行定量研究,归纳出著名的法拉第电磁感应定律。法拉第晚年的研究工作仍然是为了证实他的一个坚定信念──自然界的各种力相互有关。在1845年他写道:“我早就相信力的统一性。”1849年和1859年进行多次试验,试图发现重力和电的关系。法拉第实验日记中最后一个的编号是 16041。这个实验是在1862年3月12日,为的是寻找磁场对光源发射光谱谱线的影响,没有成功。

法拉第的自然哲学思想及其对物理学发展的影响

  法拉第是实验大师,人们常常称他是19世纪最伟大的实验物理学家,不过他自己更喜欢称自己是自然哲学家。法拉第具有丰富的直觉想象能力。他的关于自然界的各种力相互有关并具有同一来源,空间有场,场中充满力线,力的作用以场为中心以有限速度传递等观点,与19世纪占统治地位的牛顿派的观点针锋相对,是有革命性的。法拉第的一些失败了的实验,在许多年后由别人做成功了,如电光效应在30年后由J.克尔发现,磁场对光源发射光谱谱线的影响在34年后由P.塞曼证实;而引力场和电磁场的统一至今仍是物理学中的重大问题。H.本斯-琼斯评论他的场论思想说:“将物质非物质化为’力的中心',又将物质有运动倾向的方向物质化为’物理上实有的力线'。”诚如麦克斯韦所说:“这些观念是以一种更适合于一门正在形成中的科学的语言表述的。”场概念的提出为建立电磁现象的理论奠定了基础。20世纪中发展起来的广义相对论量子场论,更进一步发展了法拉第的场的理论。

科学普及工作

  法拉第热心科学普及工作。在任皇家研究所实验室主任后不久,发起举行星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座。他在 100多次星期五晚间讨论会上作过讲演,在圣诞节少年科学讲座上讲演达19年之久。他的科普讲座深入浅出,配以丰富的演示实验,深受欢迎。他在1860~1861年间的演讲,被W.克鲁克斯汇集成著名的科普读物《蜡烛的故事》。法拉第还热心公众事业,长时期为英国的许多公私机构服务。

  法拉第为人质朴,喜欢帮助亲友,不善交际、不图名利。为了专心从事科学研究,他放弃一切有丰厚报酬的商业性工作。英国政府拟封他为爵士,1857年皇家学会拟选他为会长,均被拒绝,因为他愿意永远是普通的法拉第。他1865年退休。1867年8月25日,在维多利亚女王赠给他的寓所中逝世。

  法拉第的主要著作有《电学实验研究》、《化学和物理学实验研究》、《日记》。

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