法拉第发明发电机的故事,世界科技全景百卷书

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摘要:上回说到1807年11月11日戴维在皇家学院作报告突然昏死过去,被送到医院,尽力抢救方才苏醒过来,虽保住了性命,却遭了一场大难。他病势极度恶化,有好几天躺在医院里,不会说话

  上回说到1807年11月11日戴维在皇家学院作报告突然昏死过去,被送到医院,尽力抢救方才苏醒过来,虽保住了性命,却遭了一场大难。他病势极度恶化,有好几天躺在医院里,不会说话,不会翻身,看样子离见上帝也差不多时了。许多崇拜者都络绎不绝地前来探望,弄得医院没辙儿,只好在大门口挂一个告示牌,每日公布一次病情。以后他出了院在家静养,有一年时间不能做实验,不能多做报告。只要戴维不登台就没有人来听讲,皇家学院1808年的收入比上年竟减少了四分之三。戴维当时的影响之大可见一斑。

  贫寒的家庭

  电学成为独立学科

  在人们的生产劳动和日常生活中,每天都离不开“电”。夜间,电流通过电灯,发出明亮的光,照亮了千家万户,照耀着城乡大地;人们坐在电视机前,欣赏着精彩的文艺演出,观看激动人心的体育比赛;在钢铁厂、石化厂、自来水厂等各种工厂里,是电流使各种机器开动,生产着各种钢铁、化工产品和饮用水、纺织品等人们必需的产品;微机、电冰箱、空调机、微波炉等和人们生活关系密切的电器,皆离不开“电”;地铁、电车满载着乘客,行驶在城市的各条道路上……。

发电机的发明,是以电磁学的创立为理论基础的。而奠定电磁学实验基础的,是英国化学家和物理学家法拉第。 法拉第由于家庭贫困,只上过两年小学,12岁就上街卖报,13岁到一个书商兼订书匠的家里当学徒。他求知欲望十分强烈,利用订书的空闲时间,如饥似渴、废寝忘食地阅读了许多有关自然科学方面的书籍。他在听过大化学家戴维的科学演讲以后,把整理好的演讲记录送给戴维,并且附信,表明自己愿意献身科学事业,同时毛遂自荐,结果如愿以偿,22岁时,他当了戴维的实验室助手。 1820年,奥斯特发现了电流对磁针的作用,法拉第敏锐地认识到它的重要性。 1821年,法拉第在日记中写下了一个设想:用磁生电。 1831年他终于发现,一个通电线圈产生的磁力虽然不能在另一个线圈中引起电流,但是当通电线圈的电流刚接通或中断时,另一个线圈中的电流指针有微小偏转。法拉第抓住这个发现反复做试验,证实了当磁作用力发生变化时,另一个线圈中就有电流产生。法拉第发现线圈在磁场运动中可以产生电流,指明了制造发电机的原理。按照这个原理,最初制造的几种发电机都用永久磁铁提供磁场,用蒸汽机带动线圈转动。www.gs5000.cn 从1840年到1865年,已经有庞大笨重的永久磁铁发电机在运转。这种发电机的磁场太弱,发电效率很低。 1866年,德国工程师西门子发明了一种发电机,它能够提供强有力的电流。西门子年轻的时候曾经在炮兵部队中工作,熟悉新发展起来的电报。 1847年,他成立西门子公司,从事生产电报设备和建立电报线路的工作。西门子公司不单是生产现成设备,它还有科学实验室。这个实验室发明了用于电报线的树胶绝缘体和电报装置中的电枢引铁等。实验室的种种发明大大推动了公司的业务活动。 为了解决德国电镀工业对电力的大量需要,在西门子的指导下,1866年公司实验室研制成功用电磁铁代替永久磁铁的自激磁场式发电机。这种新型发电机效率高,发电容量大,成为现代电力工业的基石。 有了发电机,发电厂相继建立起来,输电网也随着出现。发电机的诞生标志着人类开始进入电气时代。

  再说戴维自从这次身体大伤元气之后也不像从前那样社交活跃了,有时去做实验,有时就呆在家里。这天正是耶诞节的前一天,早晨起来,用过早点拿一本杂志,靠在沙发上消遣,突然仆人送进一封信来,随信还有一本368页的厚书,封面上用漂亮的印刷体写着:戴维爵士演讲录,还有时间、地点。他这一看吃惊不小,一下从沙发里跳起来喊道:“是哪个出版社这样大胆,竟敢借我的名字偷偷出书。”他再一翻内页,三百多页全是漂亮的手写体,还有许多精美的插图,又不像是机器印刷。可是这装订都是正正规规的精装布面,书脊上烫金大字。戴维一下坠入五里雾中,莫名其妙。他再看那封短信,原来是一个叫迈克尔•法拉第(1791-1867) 的青年写的,大意是:我是一个刚出师的订书学徒,很热爱化学,有幸听过你的四次演讲,整理成这本笔记,现送上,作为圣诞节的礼物。如能蒙您提携,改变我当前的处境,将不胜感激,云云。

  瓦特新发明的蒸汽机震撼着英国。它就像一股巨大的魔力,使新开的工厂在英国大地上林立,工厂的烟囱里冒出的烟熏得人们发财的心情更加急迫了。

  美国人富兰克林以非凡的勇气向苍天取电,唤起了人们对电学研究的兴趣,但是向老天爷要电毕竟是非常危险的。在富兰克林捕捉雷电的第二年,俄国物理学家李希曼在一次雷电实验中光荣地献身了。

  人们和电的关系是这么密切,电又是这样的神通广大,那末,“电”和

  戴维将信看了两遍,将书捧在手里,来回抚摸着,心里也不知是惊是喜,是酸是甜。他想起这几年来他在上流社会,终日交结的不是大腹便便的绅士,就是香粉袭人的贵妇,他们大把大把的英镑随手撒,整桌整桌的酒席彻夜摆,东家拉,西家请,要我讲,要我请,可是何曾有一个人真正里解我的发现,认识我的学问,这些人不过是附庸风雅,赶赶科学时髦而已。而今天一个订书店的学徒却居然对我的思想理解得如此精深,看那插图,简真比我真正做的实验还要干净利落。真是市井小巷藏人才啊!他又想到自己当初还不是一个打鸟捉蛇的顽童,何曾受过什么正规教育,多亏伦福德伯爵的提携才进到这皇家学院,现在已是爵士了。而这订书青年却还在和自己的命运挣扎。想到这里,戴维教授动了侧隐之心,起了爱才之意。便提起鹅毛大笔写了一封信:

  伦敦城里,一天到晚总是那么沸沸扬扬,机器的轰鸣声、建筑工地的杂乱、大街上的车流与人群的浮躁交织在一起。这是一个追逐财富的年代,可是流水般的黄金是朝着有钱人流去的,在这个时代里,穷人可不是好受的。迈克尔·法拉第就在这时候出生了——他出生在一个贫穷的铁匠家庭。

  于是人们还是靠摩擦起电或者用莱顿瓶储存的电荷来做实验,但是从莱顿瓶获得的只是瞬时电流,如何获得持续的电流呢?

  “电流”到底是什么?“电”和“电流”又是怎样发现的?

  先生:

  法拉第从小就过着贫穷清苦的生活,正像很多穷人家的孩子一样,他比较早熟。13岁时,由于家庭经济越来越困难,他不能再上学了,便成了一个装订印刷作坊的徒工。从此,法拉第走上了自己谋生的道路。法拉第手脚勤快、聪明伶俐,还很注意学习。他很快就学会了书籍装订的手艺,而且装订得又快又好,这样,他就可以抽空看看装订的那些书了。谁能想到,读书引导、培养并造就了一个未来的大科学家。

  人们的不断探索,促进了近代电学的发展。

  人们用梳子梳理干燥的头发时,常常令听到劈劈啪啪的响声,如果是在黑暗中,还会看到一些细小的火花。你也许不会想到,这些小小的火花却和天上耀眼的闪电是亲姐妹;那种勉强才能听见的劈啪声,却和隆隆的雷声是亲戚。如果这时将梳子放到一撮小纸屑的旁边,小纸屑就会被梳子吸起来。这种现象在我们日常生活中都会碰到,在很多年前,就已为古代的人们所发现。

  承蒙寄来大作,读后不胜愉快。它展示了你巨大的热情、记忆力和专心致志的精神。最近我不得不退出伦敦,到一月底才能回来。到时我将在你方便的时候见你。

  慢慢地,法拉第的头脑像一块巨大的海绵,贪婪地吸取着知识。他读了很多书,像莎士比亚的 《哈姆雷特》、《李尔王》,还有《一千零一夜》,都让他大饱眼福。不过,最吸引法拉第的是《大英百科全书》中讲的那些电的现象和《化学漫谈》中讲的那些化学实验。法拉第被迷住了。

  在富兰克林之后最早进行电学研究的英国化学家普利斯特列和卡文迪许。他们进行了火花放电实验,几乎得出静电力的平方反比定律。

  远在2500多年前,古希腊有一个叫塞利斯的人发现,用毛皮去摩擦琥珀

  我很乐意为你效劳。我希望这是我力及所能的事。

  拿一根玻璃棒在毛皮上摩擦几下,玻璃棒就能吸引纸屑,这就是电。这个他知道,他在别的书上看到过而且自己也试验过小小的电的吸引力。可是现在《大英百科全书》上说,可以把这些细微的电一点一滴地贮存起来,贮存多了就可以“啪”地一下放出一个火花,像天上的雷鸣、闪电一样。在自己家里就可以制造出雷声和闪电,真是太有趣了!

  1785年,法国物理学家库仑进行了扭秤实验,得出了两个点电荷之间的相互作用力的平方反比定律,这个定律现在表述为:两个点电荷间的作用力跟它们的电量的乘积成正比,跟它们间的距离的平方成反比,作用力的方向在它们的连接线上。

  (一种天然宝石),这块被摩擦过的琥珀能吸引一些像绒毛、麦秆等一些轻小的东西。那时候的人们无法解释这种现象,只好说:琥珀中存在一种特殊神力。他们把这种特殊神力称作“电”。这个词就是从希腊文的“琥珀”这个词演变而来的。

         享•戴维
        1812年12月24日

  还有,《化学漫谈》中说,只要把一片铜片和一块锌片浸在盐水里,就能做一个伏打电池,使电源源不断地流动起来。用许多伏打电池串联起来,就能使水分解成两种气体,而这两种气体混合在一起,一点火,又会“轰”的一声爆炸,重新再变成水。啊!电,化学,太神奇了。

  为了纪念库仑,后人把这一定律称为“库仑定律”,把电量的度量单位命名为“库仑”,简称“库”。

  公元1600年,英国医生吉尔伯特(1544~1603)发现用摩擦的方法不但可以使琥珀具有吸引轻小物体的性质,而且还可以使不少别的物体如玻璃棒、硫磺、瓷、松香等具有吸引轻小物体的性质。他把这种吸引力称为“电力”。

  果然,一个月后,戴维在家里亲自接待了法拉第,并安排它在皇家学院实验室当助手。

  从此以后,法拉第经常到外面捡些旧瓶子之类的,统统用于实验。他把书上的每个实验都做了一遍,亲眼看到那些神奇的现象在自己眼前出现。科学引起了法拉第浓厚的兴趣,各种实验的操作培养了法拉第极强的动手实验能力,这些都为他以后从事科学研究打下了初步的基础。

  库仑定律的发现和证实,标志着电学开始成为一门独立的学科。

  吉尔伯特是当时英国女王伊丽莎白一世的御医,也是一位有代表性的科学家。他受过医学教育,后定居伦敦,于1573年开始做医生,为病人治病。由于他的医术比较高明,被召进皇宫,于1601年做了英国女王伊丽莎白一世的保健医生。女王逝世后,他又被任命为詹姆斯一世国王的医生。在他行医期间,他又去从事物理学方面的研究。他做了多年的实验,发现了“电力”,

  正是:

  逐渐地,他身边的书已经不能满足他的要求了,他开始去追寻更深奥的知识。

  1780年,意大利医生伽伐尼在一次偶然的事件中发现火花放电能使蛙腿的肌肉产生痉挛。之后,他又发现,如果把两种不同的金属导体分别与蛙腿的神经和肌肉接触,在连接两个导体时,蛙腿同样会产生痉挛。

  “电吸引”等许多现象,并最先使用了“电力”、“电吸引”等专用术语,因此许多人称他是电学研究之父。他的主要著作《论磁石、磁体和地球大磁石》全面论述了对磁体和电吸引的全部研究工作。

  进门不靠金砖敲, 立身不求人怜悯。 法拉第举起书一本, 皇家学院敞开门。

  步入科学圣殿

  枷伐尼事实上已发现了电流,发现了电流对蛙腿的生理作用。但他却认为这是由动物产生的动物电,便提出动物组织含有动物电。1791年,伽伐尼发表了《论肌肉运动中的电作用》的论文,阐述了自己的看法。

  在吉尔伯特之后的200年中,又有很多人做过多次试验,不断地积累对电的现象的认识。其中,1734年法国人杜伐,做了一些用玻璃棒与丝绸摩擦、松香与毛皮摩擦的试验,在这些试验中,他发现有两种不同性质的电,一种是把玻璃捧用丝绸摩擦,玻璃棒能吸起像纸屑、木屑之类的轻小物体,这种吸引力称为带电现象。他将这根玻璃棒用丝线悬挂起来,再将另一根与丝绸摩擦过的玻璃棒靠近它,发现这两根棒相互排斥,于是他就把玻璃棒带的电,称为“玻璃电”(即正电);另一种是把松香用毛皮摩擦也产生带电现象,把用毛皮摩擦过的松香靠近用丝绸摩擦过的玻璃棒,发现这两者相互吸引,于是他称松香所带的电为“松香电”(即负电)。这就是人们所讲的同性电相互排斥、异性电相互吸引的现象。杜伐发现了这些现象,也作了最早的理论解释。尽管这种解释很粗浅、带点形而上学的性质,但毕竟比不想去解释为好。

  1812年3月,法拉第到皇家学院正式上班了。他本是学徒出身,干起活来处处小心。他虽然是一名实验室里刷瓶子搬仪器的勤杂工,但对实验属性却都能理解,与人配合起来总是得心应手。所以没过多长时间,实验室里上上下下没有一个人不说法拉第的好话。戴维更是得意自己引进了一个好人才。

  按书本上讲的做实验已使法拉第不满足了。几年来,他的知识丰富多了,对于电方面的浓厚兴趣,已使他把自己能找到的有关电气方面的论述搜集起来,并进行了一定的分析和研究。法拉第期待着更新的科学知识,他20岁这年,强烈的求知欲望使得他把渴望的目光投向了英国皇家学会的科学演讲报告会。

  伽伐尼的发现引起了意大利电学家伏打的重视。伏打从17岁开始就致力于电学研究,在 1775年发明了起电盘,这是利用感应起电使物体带电的装置。这种电盘既可产生负电荷,又可产生正电荷,所产生的电荷量要比格里凯起电机大。

  此后,观看电的实验成为人们的一种娱乐。在欧洲几乎每一个国家都有一大批人以进行这种带电的实验和表演这些实验让人们观赏,赚钱谋生。1745年,普鲁士 (德国的前身)的一位副主教克莱斯特做了一个很有趣的实验。他利用一根导线将摩擦起电装置上的电引向装有铁钉的玻璃瓶,使瓶子充电,当他的手触及铁钉时,突然感到猛烈的一击。这是一次放电现象,铁钉上聚集的电穿过人体 (人体就是一种导体),使人感受到强烈的电的震动。1746年,荷兰人莱顿在上述实验的启发下做成了莱顿瓶。

  这年秋天,戴维和夫人要到欧洲大陆旅游了。说起这位夫人,也真不同寻常,她仗着自己的脸蛋儿还算漂亮,更仗着自己的门第高贵,所以平时在家里一身珠光宝气,一出门就必须车随仆跟。有客来访,要不是个爵士贵族有地位的人,她能转过脸去装作没看见。到别人家赴宴,只要她一进门,主人也就成了她的仆人,平时在家稍不如意就摔盆打碗,只要看见街上谁家的女子穿了一件华丽的衣服,便立逼戴维马上给她也买一身。人常说爱情就是给予,就是牺牲,而戴维夫妇的结合正好相反,就是互相要,互相用。他要她的漂亮和金钱,她要他的爵士地位和科学家的名声。穷小子出身又极爱虚荣的戴维得着这么个漂亮尊贵的妇人也就够满意了,所以也甘心捧着、哄着这个宝贝。现在他们要到欧洲旅行了,这是戴维夫妇早就望眼欲穿的。可是他们选择的时机实在不巧,这时英法两国正在交战。那个铁腕皇帝拿破仑正气势汹汹地要吞掉整个欧洲呢。所以临出发前戴维平时的两个贴身仆人突然变卦不愿跟去了,他们怕被当作奸细抓去杀头。而那个贵妇人哪能没有仆人伺候。于是戴维就要法拉第充任,法拉第也想借机到欧洲大陆去见见世面,双方谈就,法拉第以私人秘书身份暂兼仆人,一到法国就另雇一个。

  法拉第坐在皇家学会富丽堂皇的大厅里。阶梯形的大厅里座无虚席,谁也没注意第7排中间位置上的法拉第。他穿得很旧,薄呢大衣早已磨得露出经纬,和满厅的听众相比,他显得很寒酸。

  在此基础上,伏打试图发现稳定的电荷,进行不断的实验。

  什么是莱顿瓶?莱顿瓶是一个玻璃瓶,瓶的外面和瓶内均贴上像纸一样的银箔,把摩擦起电装置所产生的电用导线引到瓶内的银箔上面,而把瓶外壁的银箔接地,这样就可以使电在瓶内聚集起来。如果用一根导线把瓶内的银箔和瓶外壁的银箔连接起来,则产生放电现象,引起电火花,发生响声,并伴随着一种气味。

  十月十三日,戴维一行上路了。他们先乘马车,到达普利斯茅港,再横渡英吉利海峡,十月二十九日到达巴黎。在这里逗留两个多月,又经过威尼斯,翻越阿尔卑斯山到意大利,再去瑞士,去法国。法拉第沿途看那滔滔海浪,莽莽群山,维苏威火山上的烟雾,罗马万神庙的石柱,真是大开眼格。还有在巴黎见到了安培,在米兰见到了伏打,在日内瓦见到了利夫,这都是当时名扬欧洲的大科学家,法拉第能在一旁倾听他们的交谈,其兴奋之情简直和第一次进皇家学院听戴维的报告一般。但是只一件事叫他扫兴,就是戴维那个难伺候的夫人。原说好一过海就雇人的,可是到了巴黎戴维就再不提这件事。法拉第要照看随身带的仪器,准备实验,安排会客,还要照顾夫人那一大堆衣、帽、鞋、袜、脂粉、首饰。到巴黎下榻的第一天,戴维夫人就将脚上的鞋子往下一脱,说:请你给我擦好,明天一早还要穿。”法拉第那能受得这份气。他也不搭话,转身去查看那些箱子里的仪器。这位贵夫人立时变成了一个泼妇,她也不顾旅馆里人多,大哭大喊:戴维伯爵收了你这个忘恩负义的东西,一个订书徒也想摆弄什么仪器,装起科学家来,我看你快反了……”戴维忙将她推回卧室。这一夜只听里面哭哭啼啼没有安宁。法拉第知道,明日戴维要不亲自去擦那双皮鞋,那个娇奶奶是不肯出门的。想到这里,他悄悄将扔到门外的鞋子拿到自己房里擦个雪亮,自我解嘲地想道:这也算是替老师解忧吧。戴维总是我的恩人啊。”

  马蹄形的大讲台旁边,正站着一个漂亮的中年人,他讲得那么轻松,却又那么透彻,他精神抖擞,神采奕奕;天才的光华和势热力,似乎正从他的身上向外辐射。

  当他读到伽伐尼的论文后,立即重复了他的实验,相信了动物电的存在。但当他进一步进行实验时,便否定了这一观点。

  古希腊的一位科学家亚里士多德在所著的《动物志》一书中曾描述过一种能够放电击毙小动物的电鳐。18世纪中叶有人把这种鱼带到英国,引起当时生物学家很大的兴趣,当人用手去碰这种鱼的头部或身体的下部时,便会感到猛烈的一击 (即电击),于是人们就想起了刚刚发明不久的莱顿瓶,它就像这种鱼一样,只要用导线把瓶内外的银箔连接起来,就可以放电、引起电击。此后,这种电击来自放电,便没有人怀疑了。尽管18世纪初,人们已经发明了验电器,可以判断一个物体是否带电,但在当时人们仍往往用自己的身体去检验电是否存在,甚至有不少人以能受一次电击为荣。

  这法拉第自从跟了戴维,虽然有时不免忍气吞声,但处在科学堆里,耳濡目染也真的学到不少东西。哥本哈根有一个教授叫奥斯特(1777~1851) ,在1820年发现当导在线有电流通过时,导线旁的磁针就会发生偏转,消息传来,震动了英国的科学界,这帮助电和磁是有关系的。皇家学会的一名会员华拉斯顿很聪明,他想电能让磁动,磁为何不能让电动?便跑来找戴维,还设计了一个实验,在一个大磁铁旁放一根通电导线,看它会不会旋转。可惜,没有成功。更可惜,华拉斯顿不过想想而已,一碰钉子就后退了,也就再不提此事。但机遇专给有心人。皇家学会两个大权威失败了的实验,倒让一个小学徒记在心里。那天法拉第就站在旁边,事后他独自一个人躲在实验室里又日以继夜地干了起来,他想那导线不能转动是拉得太紧,就干脆取来一个玻璃缸,里面倒了一缸水银,正中固定了一根磁棒,棒旁边漂一块软木,软木上插一根铜线,再接上伏打电池,果然电路一通,那软木轻轻地飘动起来,缓缓慢慢地居然绕着磁棒兜开了圈。一根线通电转得慢,要是一个通过强电流的线圈里呢,不就转得快了吗?啊,成功了。这就是世界上第一个最简单的马达。法拉第这个沉静温和、能自制不激动的人,现在却忍不住在皇家学会的地下实验室里一个人围着这个水银缸跳起舞来。软木轻轻地飘,他也跟着欢快地转,这样转了几圈,他猛地跑到桌边,翻开实验日记写道:1821年9月3日。……结果十分令人满意,但是还需要做出更灵敏的仪器。”

  他是戴维教授,当时英国科学界的巨子。他23岁时就被任命为皇家学会化学教授。他还不到25岁就当选为皇家学会会员,两年后又获得英国皇家学会的的最高荣誉——柯普莱奖。现在,戴维教授已成为皇家学会的灵魂。由于他的努力,虽然只有33岁,已经赢得了崇高的国际声誉。他对于氯气的研究,他所发现的钠和钾,给全世界留下了深刻的印象。

  在无数的实验中,伏打发现,用一根铜线作为一端,当另一端用银导线时,蛙腿痉挛强烈;当另一端用铁导线时,蛙腿只是轻微的颤动。

  18世纪中叶,在大洋彼岸的美国,大电学家富兰克林又做了多次实验,进一步揭示了电的性质,并提出了电流这一术语。富兰克林是第一个享有世界声誉的美国科学家,尽管他取得科学上的成就的时候美国还没有独立。他同时又是著名的社会活动家和政治家。在美国进行独立战争时期,他是积极的支持者和参加者。他是美国资产阶级民主革命时期著名纲领性文件《独立宣言》的三个起草人之一。他是1781年美国和英国谈判的代表。他之所以取得这么大的成就,主要是靠自学得来的。他家境贫寒,幼年曾做过印刷业的学徒工人,尽管学徒工待遇低,工作劳累,但他却是一个“手里有一点小钱都花在书上”的人。他只要有一点空余时间就读书,在30岁以前就已熟读了有名的物理学家波义尔和牛顿的著作。由于他勤奋学习,虽然没有进大学受高等教育,却在科学领域里有所作为,并获得了许多有名大学的荣誉学位。他于 1753年先后得到美国历史最悠久的大学——哈佛大学和耶鲁大学的荣誉学位。他还是新大陆第一个长期性的科学团体——美国哲学会的主要奠基人。

  各位读者,这法拉第在记笔记这一点上可很不像他的恩师戴维。戴维的实验笔记常常是大涂大抹,有时写错了,干脆用手指头蘸上墨水一勾。实验成功了,就狂草大书;失败了,就懒得去记。而法拉第大约因为是订书徒出身,又受过美术训练,他的日记有日必记,每次实验无论成功与否都要记,而且按顺序编号,一直编了一万六千零四十一号。后来到他白发苍苍,自觉将不久谢世时,就当年装订戴维的演讲录一样,用自己特有的装订技术将这些实验日记装订好送给皇家学院,这是科学史上一条了不起的财富,他死后一周年时人们才分成七卷整理出版。这是后话。

  法拉第被迷住了,激动得有些发抖的手正用笔飞快地记录着戴维教授的每一句话、每一个字的意图。周围的人觉得他挺可笑,那么认真干什么,听听不就行了吗!

  这使伏打很奇怪,动物电存在于它的肌肉中,在改变导线时,蛙腿的痉挛不应该发生变化,难道是电来自于金属导线,而不是来自于肌肉吗?

  富兰克林的第一个重大贡献,就是发现了“电流”。他在1747年给朋友的一封信中提出关于电的“单流说”。他认为电是一种没有重量的流体,存在于所有的物体之中。如果一个物体得到了比它正常的份量更多的电,它就被称之为带正电 (或“阳电”);如果一个物体少于它正常份量的电,它就被称之为带负电(或“阴电”)。根据富兰克林的说法,经常移动的是正电。所谓放电就是正电流向负电的过程。富兰克林的这个说法,在当时确实能够比较圆满地解释一些电的现象,但对于电的本质的认识与我们现在的看法却相反。现在的看法认为:两个物体互相摩擦的时候,容易移动的恰恰是带负电的电子,如果它们是导体,由于人本身也是导体,过剩的电子或短缺的电子很容易从导体 (人体)传到地下或得到补偿,因而摩擦后不显电性。如果互相摩擦的物体都是绝缘体 (即不导电的物体),经过摩擦,电子从一方移向另一方,于是双方就都带电了,一方带正电,一方带负电,二者电性相反,电量相同。

  再说法拉第发现导线可以绕磁铁旋转后,立即写成一篇论文在伦敦科学季刊上发表。这下又惹出麻烦,沃拉斯顿说法拉第抢了他们的成果。戴维明知沃拉斯顿的实验并没有成功,可是出于嫉妒也不出来为学生说话。于是满城风雨,是非难辨。不久,法拉第又做成了氯气液化试验,在皇家学会正式报告前,戴维又在报告上加了一段,帮助这个实验是在他的指导下做成的。老师要从学生的饭碗里抢食吃了。当年看见就热心提拔;现在眼看要出头了就赶快去堵去压。戴维这个人的心理实在复杂。好在法拉第逆来顺受惯了,而且定了一条规矩,就是刀子到了头上也不肯说恩人一句坏话。所以有些小小不快,事情总还可以收拾。而且他又亲自登门向沃拉斯顿解释,他的实验是导线是绕着磁铁“公转”,华拉斯顿的实验是“自转”,并不一样,沃拉斯顿也就释然了事了。

  然而,人们没有想到,这以后不久,这个贫寡的青年成了戴维的得力助手,更没想到他最终成为一代伟大的科学家。

  伏打很兴奋,又做了这样的实验。当他把两种不同的金属相互接触时,中间没有蛙腿,而是皮革、湿的硬纸等东西,同样有电流产生。

  富兰克林对电学的另一重大贡献,就是通过1752年著名的风筝实验,“捕捉天电”,证明天空的闪电和地面上的电是一回事。他用金属丝把一个很大的风筝放到云层里去。金属丝的下端接了一段绳子,另外金属丝上还挂了一串钥匙。当时富兰克林一手拉住绳子,用另一手轻轻触及钥匙。于是他立即感到一阵猛烈的冲击 (电击),同时还看到手指和钥匙之间产生了小火花。这个实验表明:被雨水湿透了的风筝的金属线变成了导体,把空中闪电的电荷引到手指与钥匙之间。这在当时是一件轰动一时的大事。很多人都在重复富兰克林的这一实验。为什么富兰克林的这一实验会引起这样的轰动?因为当时社会上对于雷电有一种恐惧心理,大多数人认为雷电是“上帝之火”,是天神发怒的表现。富兰克林在美国费城的实验惊动了教会,他们斥责他冒犯天威,是对上帝和雷公的大逆不道。然而,他仍然坚持不懈,而且在一年后制造出世界上第一个避雷针;终于制服了天电。由于教堂高高耸立的塔尖常被雷电所击,教会为了保护教堂,最终也不得不采用了这个“冒犯天威”的装置。以前电一直被人们当作一种娱乐手段,从此总算找到了实际的应用价值。

  可是出头椽先烂,树欲静风不止。这法拉第要是好好地洗瓶子、擦地,也就会师恩徒贤,和和睦睦,绝无闲事了。谁叫他发现了导线绕磁铁转动又去发明什么氯气液化,于是皇家学会的一帮会员看他是个奇才,便出于好意,联合了二十九人的签名,要保举他为会员。一个洗瓶子的杂工竟要挂上堂堂的皇家学会会员的头衔,戴维就决不能答应了。这天下午,法拉第正在地下室做实验,戴维突然怒气冲冲地推门进来。

  戴维教授的讲演开拓了法拉第的视野,法拉第连续听了4次戴维教授的讲演。出于对科学和大科学家的虔诚,法拉第认真地把戴维教授的4次讲演纪录整理好,配上精致的插图,并精心地装订成册,书脊上用烫金字写着

  这就证明了电确实是来自两种金属的接触,而不是蛙腿。他又在实验中发现,用两条性质相同的金属线接触时,不能产生电流。

  富兰克林的这个实验,不仅在美国有很大的影响,而且影响到世界其他国家。1753年,俄国科学家里希曼在屋顶上装了一根导线通到实验室,想用验电器来观察雷电现象。那时正逢雷雨交加,一个火球从上面传了下来,结果里希曼遭雷击而死亡。因此,富兰克林的风筝实验的影响,足以使每个电学家避免这种无谓的牺牲。

  “法拉第先生,听说你最近准备进皇家学院了,我劝你还是撤回你的申请。”

  “亨·戴维爵士讲演录”。

  伏打在一系列的实验中认识到,蛙腿痉挛只是放电过程的一种表现,两种不同金属的接触才是电流现象的真正原因。

  电流现象的研究,对于人们深入研究电学和电磁现象有着重要的意义。现在我们知道,电流就是电荷向一定方向的移动。在金属导体中的电流是靠自由电子的运动来形成的。电流通过电路时,会产生许多新的效应。如电流通过电灯的时候,电灯就发热发光;电流通过电风扇的时候,电风扇就能转动。电流可使蓄电池充电;可带动电伽机作功……。这些现象表明,电流也是一种能量传输过程,电能可以通过各种特定的器件转化为其他形式的能量。

  法拉第自从入得这个恩师的门来,便是一边求知,一边受气,一直忍了十年。想不到这关键的时候,这个当年引他进皇家学院的恩人,却会在皇家学会的大门将他阻拦。他头也没抬,用冷静而压抑着愤怒的声调答道:“是他们要提名的,我本人从来就没有递过什么申请,你让我撤回什么呢?”

  不久,法拉第学徒期满了。出于对科学的向往,法拉第鼓起勇气给皇家学会会长约瑟夫·班克斯爵士写了一封求职信,表示愿意到皇家学会来工作,不管干什么都行,只要是为科学服务,他就满足了。然而,他只得到了班克斯爵士的一个仆人的一句话:“不予回复!”

  伏打进一步地用电位计测定了各种金属接触时的电位差,把各种金属排了成锌——铅——锡——铁——铜——银——金的电位序列,指出当这序列中的任意两种金属接触时,前者带正电,后者带负电,这种原来不带电的两种不同的金属相互接触时产生电荷的现象,就是接触电现象。

  电流可存在于固体、液体或气体中。雷电现象,就是人们最早注意到大气中的电流现象。富兰克林传奇式的风筝实验使人们了解到雷电和摩擦带电的关系。随着避雷针的发明,逐渐消除了人们对雷电的恐惧心理。但在 18世纪末之前,人们对电流现象的认识也仅到此为止,基本上仍然是一无所知。

  “那你就劝他们撤回。”

  当时,命运决不愿对穷苦出身的人露出笑脸,它永远是一副威严、凶恶的面孔,叫你对它屈服、膜拜。然而,法拉第决不屈从命运,他顽强地与之搏斗。法拉第又给戴维教授写了一封信,恳切地表达了自己的愿望和追求,他把信和自己整理、装订的戴维的讲演纪录,一起送到了皇家学会。

  1800年,伏打根据这一认识发明了世界上第一个稳定电源——伏打电堆。他把金属制成金属片,将一张锌片和一张铜片接触在一起,锌片和铜片中间放浸湿盐水的布片成为一组,这样一组一组地堆在一起。当把锌片的一端和铜片的一端用导线连接起来时,便获得了连续而稳定的供电装置。

  那么,最早开始电流研究的是哪一位科学家呢?意大利的解剖学教授伽伐尼 (1737~1798)被人们认为是最早开始电流研究的人。据记载,伽伐尼的发现是一次偶然性的发现。1780年的一次极为普通的闪电现象,引起了他的思考。这次闪电使伽伐尼解剖室内桌子上与钳子和镊子环接触的一只青蛙腿发生痉挛现象。严谨的科学态度使他没有放弃对这个“偶然”的奇怪现象的研究,他花费了整整12年的时间,研究像青蛙腿这种肌肉运动中的电气作用。最后,他发现如果使神经和肌肉同两种不同的金属 (例如铜丝和铁丝)接触,青蛙腿就会发生痉挛。这种现象是在一种电流回路中产生的现象。在这里,蛙腿的肌肉是导体回路的一部分,肌肉和两种不同的金属丝构成了世界上第一个电流回路。肌肉的痉挛表明有电流通过,起到了电流指示器的作用。根据这种现象,他还制成了“伽伐尼电池”。但是,伽伐尼对这种电流现象的产生原因仍然未能回答,他认为蛙腿的痉挛现象是“动物电”的表现,由金属丝构成的回路只是一个放电回路。

  “那是他们的事儿,我不想干涉。”

  戴维教授觉得很奇怪,自己从来没有出版过什么讲演录,哪来这么一本书呢?难道是欧洲大陆上的国家抢在英国前面,出版了他的讲演录?看完信,原来是一个叫法拉第的小伙子编的,他的信就像这本书一样,清晰明了。戴维教授被感动了,从法拉第身上,戴维看到了自己的前尘影事——敢于向命运挑战,勇于追求理想,以及青春、奋斗、憧憬……

  后来,伏打又制成最早的电源——伏达电池。这是将铜片和锌片放在盛有盐水和稀酸的容器中.将铜片和锌片用导线连接起来,从而提供持续的电流。

  伽伐尼的看法在当时的科学界引起了巨大的反响,人们自然地联想到海洋当中的一些带电的鱼,如电鳗、电 ,人们在海中如果被这种鱼触及身体,也会有电击的感觉。这说明在一些动物体内也贮存着电。但是,另一位意大利科学家伏打 (1745~1827)不同意伽伐尼的看法,他认为电存在于金属之中,而不是存在于肌肉中,他于1782年在写给朋友的信中说:“关于所谓动物电,您是怎样考虑的呢?我相信一切作用都是由于金属与某种潮湿的东西相接触才发生的”。两种明显不同的意见引起了科学界的争论,并使科学界分成两大派,他们的论战十分激烈,每一方都指责对方是异端邪说,标榜自己观点的正确。争论的结果是伏打的见解占了优势。但很可惜,因为伽伐尼于1798年就因病去世了,他再也不能知道这场争论的胜负,再也听不到争论的结果了。

  戴维怕把事情弄僵,便缓和一下口气说:

  看,这本装订好的讲演录,它的记录、整理、撰抄、装订,做得多么漂亮!那是有条不紊、严密细致的工作作风的产物。戴维教授十分懂得,这样的习惯和作风在科学研究中有多么大的价值。

  从此,人类就有了提供持续电流的稳定电源。

  1800年春季,即19世纪第一个年头的春天,有关电流起因的争论有了进一步的突破。怎么会引起这种突破呢?这又要从伏打说起,伏打在他自己看法的指导下发明了著名的“伏打电池”。这种电池是由一系列圆形锌片和银片相互交迭而成的装置,在每一对银片和锌片之间,用一种在盐水或其他导电溶液中浸过的纸板隔开。银片和锌片是两种不同的金属,盐水或其他导电溶液作为电解液,它们构成了电流回路。现在看来,这只是一种比较原始的电池,是由很多锌电池连接而成为电池组。但在当时的历史时期,伏打能发明这种电池确实是很不容易的。

  “我不是不同意你添加学会,只是你现在年纪还轻,再过几年添加也不迟嘛。”

  从此,法拉第进入了科学的殿堂。

  电池的发明是物理学上的一大创举,为电学研究提供了重要的物质基础,为电解、电照明、电极、电话等提供了能源,人类利用自然力进人了新的阶段。

  伏打电池可以说是伏打赠给19世纪的宝贵礼物。他的这个发明为电流效应的应用开创了前景,并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具。由此,伏打和与他同时代的别的国家的不少科学家,得出了各种有趣的结果,当时的报纸和杂志上不时登出各种各样新发现的消息。有了电池,英国的化学家戴维 (1778~1829)才有可能奠定电离理论基础,并且分离出钠、钾、锶、硼、钙、氯、氟、碘等元素,促进了化学的发展,并进而促使他的助手法拉第建立了电解定律。

  “戴维爵士,我年纪还轻,今年也已经三十一岁了,可是你当年加入皇家学会是二十四岁啊!”

  了不起的成就

  1807年,英国化学家戴维利用电解法,发现了钾和钠两种新元素,举世瞩目。接着,他利用2000对铜锌片制成照明用的电弧灯,照亮了世界。

  伏打虽然发明了电池装置,但并不了解这种装置的道理。戴维阐明了这种装置的道理,指出这类电池的电流来自化学作用。但不管怎样,伏打的发明使人们第一次获得了可以人为控制的持续电流,为今后电流现象的研究提供了物质基础。伏打本人由于这项贡献,被许多国家的科学院选为院士,据说1801年法国的拿破仑曾亲临现场观看了伏打的实验表演,并授予他一枚特制的金质奖章,以表彰他发现电流的贡献。

  这一句话将戴维噎得只见口张,不闻有声,他啪地一声摔门去了。

  法拉第刚进入皇家学会是从洗瓶子开始做起的。他工作勤奋,很快地掌握了实验技术,成了戴维教授的得力助手。法拉第虚心好学,潜心研究,在科学研究上进展很快。1821年,这是他来到皇家学会的第9个年头,他以其卓越的成就就任皇家学会实验室总监和代理实验室主任。此时正值很多科学家努力探索电与磁的奥秘之时,法拉第也以浓厚的兴趣开始了电和磁的研究。经过几个月的努力,法拉第成功地实现了电磁转动——制造了世界上第一个电动机。这就意味着,人类的工农业生产以至人们的生活,将要有巨大的改观。

  伏打电池的发明一方面推动了电化学的发展,一方面直接促成了电磁学的诞生。

  污膜之谜

  1824年1月8日,皇家学会就法拉第的会员资格进行无记名投票,在只有一票反对的情形下顺利通过。这一票正是戴维所投的。至此,这对师生的矛盾发展到顶峰。

  这时,丹麦科学家奥斯特教授得到一个有趣的发现。奥斯特和当时的许多科学家一样,认为电和磁之间互相有联系,比如说,在雷电轰鸣的时候,磁针有偏转现象。因此,奥斯特认为,利用通过电流的导线,可以使磁针绕着磁针偏转。他设计了一个实验,立着一根导线,在与导线垂直的方向放着一根磁针,接通电源,根据他的设想,磁针将会发生偏转。不料实验时,磁针并没有偏转。奥斯特疑惑了,他又将导线转动了90度,使之与磁针旋转的方向平行,然后接通了电源。这一刹那间,磁针明显地转动了,从原来指向南北方向转为指向东西方向,并停在这个方向上。

  电学家

  在1892年的一天,著名科学家泰勒用一架照相机拍照,等拍完后他才发现镜头上有一层污膜,镜头已经严重地失去了光泽。为了得到满意的照片,他只好把脏镜头擦拭干净,重新拍了一张。几天之后,底板冲洗出来了,他惊奇地发现,用脏镜头拍出来的照片反而比用干净的镜头拍出来的清晰得多。这个现象,他实在感到莫名其妙。他把这个意想不到的发现告诉朋友们,可是谁也不相信这是真的。这个偶然的发现,当时并没有引起人们的注意。污膜之谜就留了下来。

  却说法拉第在皇家学院受这种闲气,就更要咬牙干出个样子。自从1820年奥斯特宣布电能使磁针偏转后,法拉第就想,这一定是电产生了磁,才影响到磁针,果然到1825年皮鞋匠出身的电学家斯特詹在一块马蹄形软铁上通电后竟能吸起四公斤的铁块,不久又一美国人改进实验吸起了三百斤重的铁块,电真的变成了磁,而且力量这样巨大。法拉第反过来想,磁为什么变不成电呢?如果能变成电,那力量也一定不会变小的。自从1821年他做完那个电绕磁转的实验后,脑子里就每时都在转着这个问题。他在笔记本上写了:“转磁为电”几个大字,口袋里常装着一块马蹄形磁铁,一个线圈。就这样苦思苦想,常验常试。他常先是用磁铁去碰导线,电流计不动,在磁铁上绕上导线,还是没有动。干脆把磁铁装在线圈的肚子里,接上电流计,指针依然不动。法拉第就这样颤来倒去,从1821年开端到1831年不觉已过去整整十年,脑汁绞进,十指磨破,也没变出一丝丝电来。一天,他又在地下实验室干了半天,还是毫无结果,他说了声:“算了吧!”气得将那根长条磁铁向线圈里通地一声扔进去,仰身向椅子上坐去。可是就在他仰身向椅子上坐的一刹那间,他忽然看见电流计上的指针向左颤动了一下。他赶快眨了一下眼,再看指针又在正中不动了。他想也许是看花眼了,因为人们在高度集中精力的实验中,有时看到的只是自己希望的假象。他这么想着就欠着身子将磁铁抽出来再试一次。不想这一抽指针又向右动了一下,这回可是真真切切的。他忙又将磁铁插回,指针又同左偏了一下。唉呀,有电了,磁成电了。十年相思苦,一朝在眼前!法拉第将那磁铁在线圈里不停地抽出插入,上上下下就如同捣蒜一般,把个桌子弄得咚咚直响,那电流计上的指针也就像拨浪鼓似的左右摇个不停。这时法拉第那个贤惠温柔的妻子萨拉见他到时还不上来吃饭,又端着一盘面包、牛奶,几样小菜送到地下室来,刚一推门见法拉第正对着线圈“捣蒜”,便噗哧一声笑着喊道:“迈克尔,开饭罗!“法拉第抬起头,扔掉磁铁像一只小鸟一样飞到萨拉面前,展开双臂搂住她的肩膀,就地打了一个旋。萨拉手中的牛奶面包菜碟统统掉在地上。她喊道:“迈克尔,你怎么啦,牛奶撤了,盘子打了,你吃什么呀。“

  奥斯特发表了这一实验报告,并且把它寄给了他所知道的著名科学家。这个实验引起了许多科学家的注意,他们都根据奥斯特的报告重复了他的实验,并且也都陆续得到一些关于电磁现象的新发现。

  对电磁学做出伟大贡献的有法拉第、欧姆、奥斯特、安培、麦克斯韦等。

  40年后,这件事传到了科学家鲍尔那里,他觉得泰勒发现的现象有进一步探索的价值。他反复地做了许多实验,但是都不成功。后来,鲍尔设法把溴化钾镀在石英上,在石英表面形成一个薄膜。当他对薄膜上的反射光和透射光进分析以后发现,反射光中失去了某些波长的光,而这些光正是透射光中所多出来的;而透射光中所缺少的成分,正是反射光中所多出来的。这个发现使鲍尔非常高兴,因为他找到了污膜之谜的答案了。

  “不要了,什么也不要了。今天有电了,有电就够了,只要有电就行了!“

  英国皇家学会的化学家戴维,也看到了这份实验报告,并以极大的兴趣让法拉第和自己一起重复了这个实验。

  丹麦物理学家奥斯特最先发现了电和磁之间的联系。

  原来,污膜之谜就是由于光的薄膜干涉所造成的。当光波射到镜头上的污膜时,一部分光波在它的前表面反射出来,另一部分光波射入污膜又从它的后表面反射了出来。由于这两列反射光波频率相同,所以能发生干涉现象。如果污膜的厚度恰好等于绿光波长的四分之一时,则两列反射光波的路程差等于绿光波长的二分之一,由于它的波峰与波谷叠加,使波的振动互相抵消,反射的绿光减少了,透射到镜头里的绿光就得到增强。照相机的感光片跟人眼睛里的视网膜一样,对绿光最敏感,微弱的绿光就能使它感光,但对紫色、红色的光反应就很迟钝。泰勒所用照相机镜头上污膜的厚度恰好等于绿光波长的四分之一,则绿光在反射中相干相消,而使透射光增强。由于透过镜头的绿光多一些,照片自然就会清晰得多。若把污膜擦拭下去,镜头表面光亮了,它就成了很好的反射面,则透过绿光的部分反而减少,因此照片就模糊了。

  他这样语无论次地念了一段“了了”歌,便翻身去记日记:“1831年10月17日。磁终于变成了电……“

  这个实验给法拉第提供了一个新信息。这个信息表示的意义有多么深远、有多么伟大,尽管当时法拉第还不可能理解得很清楚,但是他充分地感觉到了。这就是后来法拉第说的:“它猛然打开了一个科学领域的大门,那里过去是一片漆黑,如今充满了光明。”

  且说1820年7月21日,丹麦哥本哈根大学响起了清脆的铃声,物理实验室已经坐满了学生,年富力强的奥斯特教授精神饱满地带着伏打电他走了进来,为学生们上实验课。

  人们通过实验和理论研究发现,透镜的每一个反射表面,至少把大约4%的直射光反射回去,一块透镜有两个表面,那么光线通过透镜时,至少有8%的光被反射回去而损失掉。在现代的光学仪器中,如摄影机、电影机等,一个镜头要由几片甚至十几片透镜组成,这样由于光线的反射造成的总损失就大多了。例如潜水艇使用的潜望镜,是用20多个棱镜组成的,共有40多个反射面,若每个反射面至少有4%的反射损失,再加上一些其他的吸收损失,最后进入观察者眼睛里的光只有原来的10%左右了。由于透过光少得可怜,观察者通过潜望镜看到外界物体的像既暗又不清晰。照相机镜头也是由几个透镜组成的,每个透镜表面的反射光会在各个反射面上来回反射,产生害处很大的杂散光。这些杂散光造成感光片上出现阴影、杂影光斑和双像,使成像的质量大大降低了。

  各位读者,磁变地电这种伟大发现的幸运何以偏偏落到一订书徒出身的法拉第身上?原因很多,但有一点却应引起我们特别的注意。就是十年前奥斯特通过实验将电变磁,法拉第听说后即反过来这么一想:磁能不能变电?这便是一种相似思维。原来世界上的事物都是互相联系的,而这种联系常常表现为它们之间的各种相似,抓住这个相似点也即抓住了它们的纽带,伟大的发现常常由此而始。阿基米德身在澡盆悟出浮力定律;牛顿见苹果落地而推及地球与苹果相互吸引,终发现万有引力;富兰克林由毛皮摩擦的电火花而想到雷鸣电闪,因此而探得电的本质;波义耳因酸雾使紫罗兰褪色便反向联想到以此来检验酸硷,竟发明了化学试剂。善发现物与物之间的相似,善由这相似现象进而探究其内在的规律。犹如进瓜地而先理其藤,藤在手则瓜无所漏;入迷宫而先导其路,路既通则保无所遗,新的发现就会层出不穷,层层递进。我们在以后各回目中还将看到许多科学家对各种思维方法的妙用。

  于是,法拉第在1822年的日记中写下了一个崭新的研究题目:“把磁转变成电”。

  当他接通电池时,突然发现放在电池旁边的磁针发生了偏转,改变了原来的位置,在垂直于导线的方向停了下来。

  怎样消除表面反射造成的后果呢?人们在透镜和棱镜的表面涂上一层薄膜 (一般用氟化镁),当薄膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的1/4时,在薄膜两个表面上反射的光,路程差恰好等于半个波长,由于干涉互相抵消。这样大大地减少了光的反射损失,增大了透射光的强度。因此,人们把这层薄膜叫做“增透膜”。

  闲话少叙,却说这法拉第虽发现了磁变电,但他还是穷追不舍。他先将直棒磁城换成马蹄形的,将线圈换成一个铜盘,铜盘可以连续摇动,这样就可以获得持续电流了。这是世界上第一台发电机。

  法拉第认识到:磁铁可以使铁块感应带磁,静电可以使导体感应带电,电流能产生磁,那么,必然地,磁也应该能产生电。

  学生们对这一现象丝毫没有感觉,但奥斯特却激动万分。

  人射光一般是白光,是由各种不同波长的单色光复合而成的。增透膜不可能使所有波长的反射光都互相抵消。因此,在确定薄膜厚度时,应该使光谱中间部分的绿色光,在垂直入射时其反射光完全抵消。这样光谱边缘部分的红光和紫光并没有显著削弱,所以有增透膜的光学镜头呈淡紫色。

  实验做成了,他又在理论上探索。磁电之间是靠什么联系转换的呢?牛顿总结过万有引力,认为引力是在空间起超距作用,没有速度。法拉第想,不对。磁铁周围有磁力线,有一个磁场,导线周围也有电场,它们是通过场相互作用,而且有速度。但是,他的数学基础太差,不会推导这个公式,一时也无法用实验有效性,他在发明权问题上是吃过几次亏的,便将这个思想先写了出来,以免将来有人又来抢头功:

  法拉第特别下了一番功夫去研究分析奥斯特实验。他发现这个实验有一个特点,就是当导线通过电流的时候,磁针都是绕着导线偏转,而不是磁针自己偏转,而许多重复奥斯特实验的科学家都没有注意到这一特点。于是,他从此入手开始了全面的研究分析,也经常做实验进行尝试,可每次都失败了。法拉第坚信自然界是统一的、和谐的,电和磁是彼此有关联的。法拉第反复实验,反复研究,并不断改进实验方案。

  在19世纪以前,近代电学和磁学的先驱及其后来人,一直把电和磁作为独立的互不相关的现象进行研究。在电和磁之间是否存在什么关系呢?从1807年起,奥斯特就致力于电的各种效应的研究,隐约地认识到电和磁之间存在某种联系,但找不出什么证据。

  登山队员所戴眼镜上也涂一层薄膜,这层薄膜起什么作用呢?

  我倾向于把磁力从磁极向外散布,比做受扰动的水面的震动,或者比做声音现象中空气的震动;也就是说,我倾向于认为,震动理论将适用于电和磁的现象,正像它适用于声音,同时又很可能适用于光那样。

  终于,在1831年10月17日——这是人类科学史上应当记住的一天,法拉第在圆形铁环上绕两2个铜线圈,一个接在电流计上,另一个接在串联的伏打电池上,当他把电路接通时,突然电流计的指针轻轻地动了一下,当他把电路断开时,指针向反方向又动了一下,法拉第的内心立刻明亮了。法拉第一次又一次地重复着实验,他注意到,由磁产生电流的必要条件是相对运动,他把这样产生的电流叫做感应电流。人们把法拉第由此总结出来的变化的磁场产生电流的规律,称为法拉第电磁感应规律。

  经过10多年的探索,进展不大。当他在课堂上看到通电后引起的磁针偏转时,怎能不激动呢!

  我们知道,太阳光照射到雪地上,会产生强烈的漫反射。反射光中的紫外线可以伤害人的眼睛,强烈的绿光对眼睛的伤害也很大,它们使人头晕目眩,甚至使人双目失明,这就是所谓的“雪盲”。用什么办法来预防“雪盲”呢?人们在眼镜表面镀一层氟化镁的薄膜,当薄膜的厚度恰好等于绿光在薄膜中波长的 1/2时,则绿光在薄膜两个表面上的反射光路程差等于一个波长,因而产生的干涉加强,增大了绿光的反射损失,减少了透射光的强度。眼镜上这层干涉滤光膜就像忠诚的门卫,把伤害眼睛的光拒之门外,保卫着眼睛的安全!

  这些想法,我希望能用实验实现。但由于我的许多时间用在公务上,这些实验可能拖延时日,在实验进行的过程中,这些现象可能被他人首先观察到;我希望,通过本文档存放在皇家学会的文档柜里,那么将来我的观点被实验验实,我就有权声明,在某一个确定的日期,我已经有了这样的观点。就我所知,在当前除我本人以外,没有人知道这些观点,也没有人能说自己已经有了这样的观点。

  法拉第的实验成功了。它说明,一根带电的导线,可以在它的周围产生磁场,这个磁场可以使磁针绕着导线转动。这是一个多么了不起的发现呀!在这以前,已经有许多科学家研究了自然界中的力,比如像万有引力、静电力和磁力,但是这些都表现为可以相互吸引的拉力,或者相互排斥的推力。而法拉第发现的力,是一种可以转动的力,多么不可思议!

  奥斯特意识到这是一项重大发现,下课后,立即进行了各种分析实验。

  宇宙射线的发现

      迈•法拉第于皇家学院
      1832年3月12日

  然而,法拉第并没有就此止步,因为只有当磁棒在线圈中作往复运动的时候,才有电流感应出来,而磁棒的运动一停止,电流也就随之消失,他需要制造出稳定的电源来。因为法拉第成天跟伏打电池打交道,很清楚它的缺点,伏打电池很笨重,要产生强大的电流,必须用许多伏打电池,而且制造、搬运都很麻烦。更糟的是,伏打电池用不了多久就要更换。要是能用电磁感应原理制造出永久的稳定电源,那该多好!

  他用导线又接通了伏打电池,当磁针垂直地放在导线的位置时,磁针并无变化;当磁针平行地放在导线的位置时,磁针立即偏转,直到与导线垂直为止。他再把磁针放在一定的位置上,当伏打电池接通时,磁针发生了偏转,当关闭电源时,磁针就恢复到原来的状态。

  1912年,奥地利科学家赫斯通过实验发现了宇宙射线。他的这一发现,不仅解决了困惑物理学界100多年的难题,而且开辟了基本粒子研究的新领域,因此有极其深刻的历史意义。由于这一重大发现,1936年赫斯获得诺贝尔物理奖。

  却说法拉第将这个假设封成一个锦囊存入皇家学院的柜子后,就静等有知音人上门求见了。到底有没有人来,且等下回分解。

  两个月后,法拉第创造性地发明了变压器和发电机。虽然这还都是实验室的产物,还需要一个完善的过程,但这预告了电能够大规模地产生,并且输送到遥远的地方。电将从实验室走向工厂、矿山、农村,走进每一个家庭。

  奥斯特又进一步地试验了不同的金属导线,发现磁针的偏转几乎一样。

  1785年,法国物理学家库仑发现,放在空气中的带电体会逐渐地失去电荷。当时,人们已经知道空气是良好的绝缘体,是不导电的。那么,带电体上的电荷为什么会丢失呢?无法解释。因此,空气漏电问题在此后一个多世纪里始终是物理学界中的一个谜。

  1931年,后人为纪念电磁感应发现100周年,在伦敦举行了盛大的庆祝活动。人们把法拉第的电磁感应称做他最伟大的发现——为人类打开了电能宝库。从此,人类迅速进入电气时代。

  他又在导线和磁针之间放一块硬纸板隔离,在接通电源时,磁针仍然偏转,甚至在中间放上玻璃、石头、水、金属时,磁针照样偏转。

  1896年,法国物理学家贝克勒尔在一个偶然的机会中发现含铀矿物能放出穿透能力很强的射线,同时实验探测技术也有了很大提高,使物理学家们受到启发,才又重新把注意力放在空气漏电问题的实验研究上。1900年威尔逊用密闭的验电器进行大气漏电率的测量,发现在黑暗中和漫反射的日光中漏电率相等,并且正、负电荷漏电率也相等。同年,德国科学家盖特尔和埃尔斯特在不同高度和不同天气条件下做了同样的实验,发现带电体在晴天的漏电率比雾天大,离地面高处的漏电率比在低处大,高处负电荷的漏电率比正电荷大。他们的实验结果表明,空气中存在着某种来历不明的离子源。该离子源在空气中每立方厘米、每秒钟产生约20个离子对。1903年,卢瑟福分别用铅、铁和水作屏蔽物,试图隔断离子源与验电器的联系。实验结果出乎意外,如果屏蔽层很薄,对漏电性没有什么影响,加屏蔽层厚度,漏电率减小,但只能减小30%左右。通过实验分析,卢瑟福认为空气的漏电性是由于某种辐射造成的,并且这种辐射放出的带电粒子有很强的贯穿能力。那么,这种辐射是地球上天然放射性物质产生的吗?于是,人们把实验放在高空去做,以避免地面放射物质的影响。1910年伍尔夫制作了一台灵敏度很高的静电计,在距离地面300多米的埃菲尔铁塔上做实验,发现空气的漏电率减小了,但仍然无法排除空气被电离。此时,有的学者猜想,这种辐射不是来自地球本身,可能是来自地球之外,但因实验证据不足,无法证实。

  法拉第的名字被全世界传颂着,鲜花和荣誉向他飞来。法拉第没有上过大学,但世界各国赠给他的各种学位头衔达94个,几乎欧洲所有大学和研究机构都给过他学位证书和金质奖章。法拉第把所有的证书和奖章都收起来,连最亲近的朋友都没见过。他依旧围着围裙,在实验室里静静地进行着一个又一个新的研究。

  通电导线为什么会使磁针偏转呢?奥斯特进行了理论的探讨。他认为磁针的偏转是由于电荷的流动引起的,磁针的偏转方向和电荷的流动方向密切相关。由于导体中的电流会在导体周围产生一个环形磁场,因此,磁针在这个磁场范围内,无论是改变电流的方向,还是改变磁针与导线的位置,都会引起磁针的偏转。

  完成这一重大发现的任务就落到赫斯的肩上。赫斯1883年生于奥地利,父亲是林业工人。他于1910年在格拉茨大学获得博士学位。

  他冒着生命的危险,证明了导体内外空间的区别;发明了贮存电的力法;发现了著名的电解定律……

  这是电流磁效应的最初发现。

  赫斯在前人研究的基础上,吸取他们的经验教训。一方面改进了探测仪器,用密闭的电离室代替静电计;另一方面准备乘气球进入高空测量大气的漏电率。当时,由于缺乏遥测技术,必须由实验者携带探测仪器,乘气球一同升入高空,所以有一定危险性。

  1846年,由于他出色的贡献而获得伦福奖章和皇家奖章,在皇家学会的历史上,把两枚奖章授予同一个人,是罕见的。

  1820年,奥斯特的论文《磁针电抗作用实验》在法国的科学杂志《化学与物理学年鉴》上发表。奥斯特在论文中介绍了自己的研究成果。

  1911年,赫斯带着改进的仪器,进行首次高空探测。当气球升到 1070米时,赫斯测得大气的漏电率,与地面上基本相同。因而他初步断定,在高空中已经排除了地面放射性的影响,那么引起空气漏电的原因必然在地面以外。从而更加坚定了他进行高空探测的信心。1912年,赫斯又进行了7次高空探测。尤其是最后一次,为了让气球升得更高,给气球充以氢气,使实际上升的高度达到5350米。探测结果表明,在1500米以下,大气的漏电率与地面基本相同,随着高度的增加,大气的漏电率明显增大。这一发现意义非同寻常,因为它说明地球之外确实存在着辐射源,这种辐射源放射出贯穿本领很强的射线,它能到达大气层的下面使密闭的验电器导电,这就是地面上空气漏电的真正原因。

  法拉第的一生之所以能对科学作出如此巨大的贡献,除他的刻苦努力和富于创造精神外,更主要的是他具有唯物主义的物理观和辩证法思想。

  奥斯特的发现把电学和磁学结合起来了。从此,电磁学的研究在欧洲主要国家里蓬勃地开展起来。

  在赫斯实验之后,柯尔霍斯特为了证实赫斯的结论,在1913年和1914年又进行了多次高空探测,气球上升高度达到9300米,探测仪器更精密,测量结果也更准确。探测结果给赫斯的结论以强有力的实验支持。

  法拉第说过:“自然科学家应当是这样一种人:他愿意倾听每一种意见,却要自己下决心做出判断。他应当不被表面现象所迷惑,不对每一种假设有偏爱,不属于任何学派,在学术上不盲从大师。他应该重事不重人。真理应当是他的首要目标。如果有了这些品质,再加上勤勉,那么他确实可以有希望走进自然的圣殿。”这就是法拉第为科学事业做出巨大贡献的真实写照。

  奥斯特的论文在法国发表后,引起了一个法国人的极大兴趣。

  1936年,赫斯在获得诺贝尔物理奖时,他说:“1912年,我曾利用气球升到高空进行探测,密闭容器中的电离是随地面高度的增大而减小,即地球中的放射性物质的影响减小了。但是在高于1000米时,电离达到地面观测值的数倍。当时我得出结论说,这种电离可能是由于迄今还不知道的穿透能力很强的辐射从外部空间进入地球大气引起的。”这种未知的辐射最初被称为

  他就是安培。安培1775年1月22日生于里昂,幼年时表现出数学上的天资,是个神童。1802年,安培发表了概率论方面的论文,引起了科学界的注意。

  “赫斯辐射”,后来密立根把它命名为“宇宙射线”,意即来自地球之外的宇宙空间的高能粒子流,简称“宇宙线”。

  当安培得知奥斯特发现电和磁之间的关系时,便放弃了已奠定一定基础的数学研究,而转向物理学领域,并有一系列的发现。

  通过几十年的研究,人们把在地球大气层外的宇宙射线叫做“初级宇宙射线”,其成分主要是质子,其次是a粒子,还有少数轻原子核。它们的能

  安培在重做奥斯特的电流使磁针偏转的实验基础上,提出用来判定电流磁场方向的右手螺旋定则。

  13量极高,可达10电子伏特以上。它们进入大气层后,跟空气中的原子核发生碰撞,引起核的分裂并产生一系列其他粒子,通过这些粒子与周围物质的相互作用和自身的转变,产生了“次级宇宙射线”,其成分中有2/3以上是介子,它的穿透本领很大,甚至可穿过1000米的深水;另外主要是电子和光子,穿透本领较小。

  对于直线电流,判定的方法是,用右手握住导线,让伸直的大拇指指向电流方向,那么,弯曲的四指所指的方向就是磁力线的环绕方向。对于通电的螺线管,判定的方法是,右手握住螺线管,让弯曲的四指指向环形电流方向,那么,伸直的大拇指所指的方向就是磁力线方向。

  人们对宇宙射线的研究已有80多年的历史,但远未终结。到目前为止,我们对宇宙射线的来源还不清楚。著名物理学家海森堡曾经说过:

  在实验中,安培发现不仅通电导线对磁针有作用,而且两根通电导线之间也有作用。两根平行通电导线之间,同向电流相互吸引,反向电流相互排斥。

  (宇宙)射线的研究已经推进了我们对物理学基本问题的理解。……因为宇宙射线包含了最小尺度 (基本粒子)和最大尺度“宇宙”中物质行为的信息。”

  1821年,安培探索了磁现象的本质。他认为物体中的每个分子都有圆形电流,即分子电流,分子电流产生磁场,使每个分子都成为一个小磁体。当物体内部的分子电流杂乱无章地排列时,它们的磁性相互抵消,而使物体不显示磁性;当物体内部的分子电流取向一致时,至少是部分地一致时,就使物体显示出磁性。

  发现电子

  这样,安培初步揭示了电和磁的内在联系,他的观点和现代观点非常接近。

  原子到底是什么?它是否确实存在?自从古希腊唯物主义哲学家德漠克利特最早提出这个概念以来,一直是物理学家争论不休的问题。伊萨克·牛顿设想原子为某种微小台球的东西,目的为了说明他的由运动中的质量组成机械宇宙。他在1704年写道:“在我看来,可能是上帝最初把物质造成紧密、有质量、坚硬、不可分的活动粒子,其大小、形状和其他性质,以及它们对空间的比例都最符合于制造它们的目的。”量子论的创始人马克斯·普朗克则根本怀疑原子的存在。牛津大学名誉校长,出任过三次英国首相,四次外相的索尔兹伯里侯爵(1830~1903)1894年还说道:“每种元素的原子是什么,是不是一种运动,或一件东西,或一个旋涡,或一个具有惰性的点,它的可分是否有限度,如果有,限度是怎样造成的,元素的长串名单是否是最后的,它们之中的一些是否有共同的起源,所有这些问题都一直像过去那样深深地笼罩在黑暗之中”。然而这一切,随着X射线和放射性的发现,原子的秘密即将揭开,20世纪上半叶,基本科学的巨大惊人事件将在物理学中发生。

  安培又对电流产生磁力的规律进行了研究,提出了安培环路定律,用来计算任意几何形状的通电导线所产生的磁场。

法拉第发明发电机的故事,世界科技全景百卷书。  英国剑桥大学有个卡文迪许实验室,是为了纪念1810年去世的著名科学家卡文迪许而建立的,它创建于1874年。第一任实验室主任就是伟大的物理学家麦克斯韦,他创建了电磁理论,并指出光是电磁波。第二任主任是瑞利,他和拉姆赛一起发现了空气中的惰性气体。1884年,汤姆生作了第三任实验室主任,在获悉伦琴、贝克勒尔等人的发现后他立即着手研究阴极射线。

  后人为了纪念他,把电流强度的单位命名为“安培”,简称“安”

  卡文迪许实验室有各种精密的物理学仪器,有研究电磁学的光荣传统。汤姆生在研究了普吕克、希托夫、古德斯坦以及克鲁克斯的工作以后,他想:既然阴极射线是带电的粒子,又能够被磁场和电场偏转,那么就可以利用这个特点来测定阴极射线的速度、质量和电荷。

  伏打电池不仅促使奥斯特、安培对电学的研究,同时德国中学教师欧姆也对电学表示了极大的兴趣。

  汤姆生设计了一个阴极射线管,在管子一端装上阴极和阳极,在阳极上开了一条细缝,这样一来,通电后阴极射出的阴极射线就穿过阳极的细缝成为细细的一束,一直射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上涂有荧光物质,或者装上照相底片。

  欧姆在教学过程中自制了许多电学仪器和材料,进行了大量的实验,发现了欧姆定律和电阻定律,取得了很大的成就。

  在射线管的中部装有两个电极板,通上电压以后就产生电场。电场越强,阴极射线通过电场后偏转就越大。电场强度和偏转程度都可以测量出来。

  在实验中,欧姆发现对同一个伏打电池,用不同的金属材料做导线时,所产生的电流强度不一样,并且与导线的长度也有关系。那么,电流强度、导线材料、电动势之间是什么关系呢?

  这时候在射线管外面又加上一个磁场,这个磁场能使阴极射线向相反的方向偏转。调节电场和磁场的强度可以使它们对阴极射线的作用正好相互抵消,结果阴极射线不发生偏转。

  在对导体材料的研究上,欧姆提出了电阻的概念,并发现了电阻定律,即导体的电阻与它的长度成正比,与它的横截面积成反比,与导体的材料也有关系。

  汤姆生测量了在这种情况下的电场和磁场的强度,利用物理学定律计算出了阴极射线的速度。这速度非常快,大约是每秒三万公里(相当于光速的1/10)。

  1826年,欧姆发现了欧姆定律。部分电路的欧姆定律是:导体中的电流强度,跟这段导体两端的电压成正比,跟这段导体的电阻成反比。

  接着他又测量了组成阴极射线的带电粒子的电荷和质量的比值,发现这种带电粒子的质量非常小,大约是氢原子的质量的1/2000。

  全电路的欧姆定律是:电路中的电流强度跟电源的电动势成正比,跟整个电路的电阻 (外电路电阻和电源电阻)成反比。

  汤姆生作了许多实验。他用金、银、铜、镍等各种金属作阴极,他测量了不同阴极上射出的带电粒子,发现它们的电荷和质量的比值都是一样的。他又把不同的气体:氢气、氧气、氮气……充到管内,阴极上射出的带电粒子的电荷和质量的比值还是一样的。

  为了纪念欧姆,后人将电阻的单位命名为“欧姆”,简称为“欧”

  这就说明了一个非常重要的问题:不管阴极的射线是由由电极产生的还是由管内气体产生的,结果都一佯。也就是说,在各种物质中都有一种质量约为氢原子质量的1/2000的带阴电的粒子。这个实验是1897年10月完成的。

  屡建奇功的英雄

  1897年4月30日,汤姆生在英国皇家学会讲演的时候曾经指出:阴极射线是从阴极烧热而放出的带负电的粒子,并被吸至阳极。这些粒子能被电场所偏移,并能被磁场弯折成曲线轨道。它们远比氢原子轻,并且如果将管内充入气体,它们也都相同而“不管放射通过什么气体”。由于它们比已知的最轻的物质还要轻,而且不管是从什么物质产生的都一样,因此它们一定是物质的某种基本组成部分,如果它们只是一部分,那么就必定有一个整体。真实的物质电子意味着真实的物质原子,这就第一次用物理实验具有说服力的证实了物质的粒子学说。在卡文迪许的年度宴会上,他们歌唱J·J·汤姆生的成功:

  在研究电磁学的人中,法拉第是一位屡建奇功的英雄。

  粒子现在获胜了,

  1791年9月22日,迈克尔·法拉第出生于英国萨里郡的一个铁匠家庭。由于家里贫穷,生活都难以维持,就谈不上送法拉第去读书了。1796年,为了摆脱贫困,父亲带着全家来到繁华的伦敦,住在曼彻斯特广场一家马厂行的楼上。

  而且自由跑掉了,

  环境虽然变了,但是生活的贫困依然没有改变,童年的法拉第只好在曼彻斯特广场和查里斯大街度过。

  变成阴极射线了。

  1804年,法拉第到附近黎保的书报店当报童,第二年转为店里的装订工人。利用装订书籍的空闲,法拉第贪婪地阅读着刚订好的书。书籍开阔了他的视野,增长了他的知识。

  有了电子这个武器,并且从别的实验知道,当一个原子剃掉了其电子时,剩余物是一个质量很大并带正电的东西,汤姆生在下一个10年里着手研究一种原子模型,后来被称为“葡萄干布丁”模型。汤姆生的原子,“若干带负电的粒子包含在一个带均匀正电的球内”,像葡萄干在布丁里,它是一个混合体,包括粒子形的电子和弥漫着的其他物质。这个模型的有益之处是可以用数学方法证明电子在原子内能排列成稳定的结构,而这种数学上的稳定安排可以说明化学元素的相似性和规律性,如同元素周期表所显示出来的那样。开始了解到元素间的化学亲合力是电子造成的,化学最终是电作用。

  在阅读的大量书籍里,法拉第被《大英百科全书》中的电学部分和玛西特夫人的 《化学对话》所描述的奇妙现象深深地吸引住了,便按照书中的内容进行了一些简单的实验。

  关于电,从18世纪以来,许多科学家都在研究。他们认为电也有一种最小的粒子,并且起名叫做电子。如今,汤姆生真的发现了这个电的小微粒——电子。

  法拉第没有想到,正是书中的奇妙现象,促使他学习科学知识,并改变了自己的命运,最终成为伟大的科学家。

  阴极射线实际就是高速的电子流。后来人们又发现,炽热的电灯丝也会发射电子,光照在某些物质上也会发出电子,电子在各种物质中都有,它是原子的组成部分。后来人们更精密地测定了电子的质量,它是氢原子质量的1/1837。

  1812年,法拉第作为一名装订工的学徒已经期满,为了生活,也为了自己的志趣,他又成为法国人罗歇的印刷所装订工。

  现在大家都公认,是汤姆生在1897年正式发现了电子。这是19世纪末最伟大的发现之一。20世纪是电子时代,是原子时代。电子的发现撩开了原子神密的面纱,为人类打开了这个新时代的大门。

  这一年,法拉第听了一次皇家学院大化学戴维的化学讲演,并且能够听懂。他非常高兴,多年来自己对化学知识的学习已经达到了一定的程度。

  要知道,汤姆生的实验装置实际上就是电视显像管的前身。尽管电视显像管十分复杂,但基本原理却是一样的。在今天,你可以在放映电视的时候作一下汤姆生的实验,只要拿一块磁铁放在显像管旁边,就会看到电视的映像变了形状。这是因为磁场对显像管中的电子束起了偏转作用。

  接连几天,法拉第总是在想:要是能到皇家实验室去工作,那该多好啊!强烈的科学欲望促使他冒昧地给皇家学会会长班克斯写了一封信,恳求获得一份科研工作。结果是可想而知的,信发出后如石沉大海,毫无音讯。

  揭开原子结构秘密

  法拉第并不死心,决定再给戴维写封信,碰碰运气。

法拉第发明发电机的故事,世界科技全景百卷书。  1871年8月30日,恩内斯特·卢瑟福出生在新西兰的纳尔逊市附近的一个小村子里。父亲是个小农场主,是英国移民的后裔,家里有12个孩子。父母亲省吃俭用送他上学,由于卢瑟福学习刻苦,成绩优秀,总是名列前茅,因此他一直获得了奖学金。1892年他从新西兰大学毕业。这段艰苦求学的经历培养了卢瑟福一种认准了目标就百折不挠勇往直前的精神!

  碰巧的是,皇家学院解雇了一名助理实验员,法拉第又以他的化学知识和见解受到戴维的赏识。这样,法拉第成为戴维的助手,踏上梦寐以求的科学征途。

  由于他对磁学方面出色的研究,得到一笔奖金,这才使他于1895年秋天能前往英国,在剑桥大学卡文迪许实验室任主任、著名的物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生教授门下当一名研究生。汤姆生非常欣赏卢瑟福的才能,1898年加拿大麦克吉尔大学物理学教授空缺,学校派专人前往英国物理学人才最集中的卡文迪许实验室来聘请教授。汤姆生虽然不愿放走崭露头角的卢瑟福,但他还是向加拿大方面热情地推荐了自己的得力助手。汤姆生在推荐信中写道:“在独创性的科学研究中,我从未见过有比卢瑟福先生更加热情和干炼有为的学生。我认为,不论哪所大学若请到卢瑟福先生去担任物理学教授,将是十分幸运的。”就这样,27岁的卢瑟福前往加拿大担任物理学教授,他在麦克吉尔大学工作了9年,把原来无足轻重的物理系建成了驰名世界的物理实验室,在他精心的指导下,一群学生各自探索科学中的许多领域,发表了具有世界水平的论文达50多篇。

澳门威斯尼斯人网址,  一开始,法拉第在实验室的工作是,洗瓶子、擦桌子、扫地板,与其说是助手,倒不如说是实验室的勤杂工、戴维的仆人。

  在加拿大工作期间,卢瑟福研究了天然放射性现象,并取得了巨大成就。1899年,他发现铀放射出来的射线是多种多样的。他让这些射线垂直于磁感应强度的方向通过磁场,根据射线被磁场偏折的程度,他判断出有一种射线是带正电荷的,另一种射线是带负电荷的,第三种射线根本不带电。卢瑟福用希腊文的头三个字母给这三种射线命名,分别称为α射线、β射线和γ射线。后来,他进一步研究提出,带正电的α射线就是氦原子核,带负电的β射线就是高速电子流。

  但是没过多久,法接第就向戴维证明了,他比一个勤杂工要高明得多。他头脑灵敏,有分析力,不时恭敬地提出一些建议,令戴维刮目相看,于是戴维允许他参加自己的各项实验工作,而他也能比较准确地完成各项任务。

  在麦克吉尔大学工作期间,卢瑟福还发现了新的放射性元素钍。1902年,他发现放射性元素在放出射线以后,其放射性强度会逐渐减弱,最后变成另一种元素。在实验的基础上,他提出了放射性元素的衰变理论。因此,在1908年,卢瑟福获得了诺贝尔化学奖。他对自己不是获得物理奖而是获得化学奖而感到意外,他在得奖演说中风趣地说:“我竟摇身一变,变成一位化学家了。”并幽默地说:“我现在从一个物理学家向一个化学家的变化是我到目前为止所见到的最快的变化。”

  1813年10月1日,戴维夫妇去欧洲大陆旅行。法拉第作为戴维的“哲学助手”陪伴他到欧洲各大城市去讲学。

  1907年,卢瑟福回到英国,应聘担任了曼彻斯特大学的物理学教授。他以赶超剑桥大学卡文迪许实验室为自己的奋斗目标,以充沛的精力和惊动全世界的科学成就,使曼彻斯特大学第一次成为全世界的科学中心之一。

  法拉第在日记中写道:“今天早晨迎来了我一生中的新时代。在我的记忆中,我从未到过离伦敦12英里以外的地方,现在我可能要离开它若干年,去访问那些遥远的地方。”

  在曼彻斯特大学工作期间,卢瑟福最大的科学成就之一是提出了原子的核式结构学说。事情是这样的,汤姆生发现电子的事实,使人们打破了原子是不可分割的物质最小单位的概念。既然电子是从原子里出来的,那么除电子之外,原子里还有什么东西呢?电子在原子里又是怎样分布的呢?为了说明原子的结构,汤姆生提出了一个原子模型。他认为,既然原子从整体上看是中性的,而电子是带负电荷的,所以原子里必定有等量的正电荷存在。为了说明原子的稳定性,他假设电子均匀地分布在原子内的正电荷中,并在平衡位置附近振动。人们俗称汤姆生的原子模型为“葡萄干蛋糕模型”。当时,许多人认为汤姆生的模型已经成功地解决了原子结构的问题。而卢瑟福则认为,要了解原子里面有什么东西,最好是用“炮弹”打到原子里面去试探一下。他所选用的“炮弹”就是α粒子。1909年,卢瑟福的助手盖革和马斯顿进行了著名的“α粒子散射实验”。他们用α粒子去轰击很薄的金箔做的靶子,并通过荧光屏记数来观测穿过金箔的α粒子被金原子散射的情况。实验表明,绝大多数α粒子笔直地穿过金箔,有少数α粒子发生了偏折,只有极少数α粒子发生了大角度的偏折,甚至被反弹回来。如果根据汤姆生的模型来计算,根本不可能出现向后反弹的α粒子。事后卢瑟福回忆道:“在我的一生中,那是一件最难以置信的事。这就像你发射了一颗38厘米口径的炮弹射向一张薄薄的卫生纸时,却被那张纸弹回来而打在你身上一样不可置信。”但是,实验事实是毋容置疑的。始终把实验看得高于一切的卢瑟福认为,汤姆生的模型与实验事实不相符。于是,在1911年,他提出了“小太阳系”的原子模型:“原子的中心有一个核心,叫做原子核。电子围绕原子核在不停地旋转,原子质量的绝大部分以及原子内的全部正电荷都集中在原子核上。”卢瑟福根据“α粒子散射实验”发现了原子核,这件事具有重大科学意义。他因为开创了原子核物理学这一新领域,被人们尊称为原子核物理学之父。

  在旅行期间,法拉第游历了巴黎、罗马、米兰等城市,结识了许多有名的科学家。

  1919年,汤姆生因身兼两职而辞去了剑桥大学卡文迪许实验室主任职务,让贤推荐卢瑟福担任这个现代物理研究中心的主任职务。就在这一年,他用α粒子轰击氮的原子核,成功地实现了原子核的人工转变,并发现了质子。

  1816年,法拉第在戴维的指导下发表了第一篇论文:《多斯加尼本土生石灰的分析》。1825年.他第一次在实验中制取了苯。这一年,在戴维的推荐下,法拉第被任命为皇家研究院实验室主任。

  从1925年到1930年,卢瑟福担任了伦敦皇家学会主席。1931年,由于他在科学发展上所建立的功绩,受封骑士称号,并享有纳尔逊勋爵的爵位。他于1937年10月19日卒于剑桥,并葬于牛顿和法拉第的墓地之侧。

  丹麦物理学家奥斯特发现了电流磁效应,法国物理学家安培研究出电流产生磁力,使欧洲大陆掀起研究电磁学的热潮。在这一领域,英国相对落后,1821年9月,奥斯特的实验成果传到英国后,戴维和法拉第立即进行了实验。

  卢瑟福不仅在科学研究方面取得了巨大的成就,而且在培养人才方面也作出了卓越的贡献。他培养的科研集体被人们亲切地称为“科学家的幼儿园”。在这个幼儿园里,他培养了两代世界上第一流的物理学家。在他的助手和学生中有14人获得了诺贝尔奖,其中玻尔、威尔逊、里查逊、查德威克、阿普顿、布莱克特、鲍威尔、卡皮查、科克罗夫特和瓦尔顿共10人获得诺贝尔物理学奖;索迪、阿斯顿、亥维赛和哈恩共4人获得诺贝尔化学奖。这在科学发展史上和教育学史上是空前的,一个人能培养出这么多的世界科学冠军,使全世界的人们都感到惊讶和敬佩!那么,卢瑟福是怎样培养和教育学生的呢?下面就请看一看卢瑟福培养人才的故事。

  不久,戴维要从事其他研究,法拉第就单独进行电和磁之间现象与本质的研究。

  1919年4月2日,卢瑟福担任了剑桥大学卡文迪许实验室主任的职务。当时,他已经是一个赫赫有名的科学家了,但他仍然是那样和蔼可亲、平易近人。晚上,学生们常常到他家去,听他夫人弹钢琴,或听他活泼愉快的谈话。他坐在圆椅上,一边喝茶,一边给学生们讲自己的在科研活动中的经验教训,启发学生独立思考,鼓励学生走自己的道路。

  既然电流能产生磁力,那么磁力能否产生电流呢?法拉第按这一设想进行实验。

  一天深夜,卢瑟福看到实验室里灯火通明,就信步走了进去。一个学生正俯身在实验台上干着什么。他走上前去,问道:“这么晚了,你还在做什么?”

  当法拉第还是一个装订工时,就对电学产生了兴趣,在伏打电池的吸引下做过最初的实验,在担任戴维的助手后,即进行了一系列的电学实验,从而为电磁学研究打下了良好的基础。

  “我在工作。”学生回答。

  1831年,法接第成功地做出了磁生电的实验。

  “那你白天做什么?”

  在一个圆磁铁环的两边,各绕上绝缘的互不相连的线圈,把一组线圈的两端与电流计相连,当他把另一组线圈与伏打电池接通时,发现电流计的指针立即发生了偏转;而当电源接好后,指针又回到原来的位置。当切断电源时,指针又偏转了,然后又回到了初始位置。

  “我也在工作。”

  始何解释这种现象呢?经过反复的实验和思考,法拉第认为:当接通电源时,由电流产生的磁力线影响了另一组线圈,使它带上电流,因此电流计的指针发生了偏转。而切断电源时,指针又动,说明电流的产生与磁力线的运动有关。

  “你早晨也工作吗?”

  这样,法拉第发现了电磁感应现象:当穿过闭合电路的磁通量发生变化时,电路中就有电流产生,这个电流就是感生电流。

  “是的,教授。”学生谦恭地回答,满以为会得到教授的表扬。然而,教授沉吟了一下,批评道:“可是,这么一来,你还有时间去思考吗?”学生心里感到很委屈。

  后来,他进一步确立了电磁感应的基本定律,被称为法拉第电磁感应定律:电路中感生电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化成正比。这一发现成为现代电工学的基础,用于发电、送电等技术。

  后来,这个学生通过仔细观察发现,每天傍晚,不管实验工作进行得顺利还是不顺利,卢瑟福总是在走廊里散步,那种神情表明他正在思考。

  法拉第在电磁感应的基础上,制成了一架仪器,能使磁针不停地围绕着固定的导体旋转,从而弄清楚了电动机的工作原理。遗憾的是,他没有对电动机进行进一步的研制,又转人电化学的研究。

  他经常对学生说:“不要死记硬背,也不要满足于实验,而要学会思考。只有勤于和善于思考的人,才能获得知识,取得成就。”

  感生电流的发现,充分揭示了磁和电的内在联系,电不仅能转化为磁,而且磁也能转化为电。同时,为人类利用新能源开辟了前景,预示着人类将要进人电气时代。

  1911年,卢瑟福提出原子的核式结构学说,像一把金钥匙打开了原子秘宫的大门。第二年,丹麦青年物理学家玻尔来到英国学习。在卢瑟福的指导下,玻尔如饥似渴地汲取着新知识,通过学习和研究,他发现卢瑟福的“小太阳系”的原子模型还有缺陷。可是,玻尔不敢向卢瑟福提出自己的见解,怕老师生气。

  1833年,法拉第在实验中得出两条电解定律,被称为法拉第电解定律。

  时间过了半年多,玻尔通过观察,看到老师平常很乐意听取学生的不同意见,对青年科学家的意见和对老一辈科学家的意见同样的尊重。玻尔打消了顾虑,认真地把自己的意见进行了整理,准备向老师提出来。

  法拉第第一电解定律是:电解时,在电极上析出的物质的质量和通过电解液的电流强度及通电时间成正比。

  有一天,卢瑟福正在做实验,玻尔找到了他,直截了当地说:“教授,我想跟您谈谈。对您的原子模型,我有不同看法。”

  法拉第第二电解定律是:一定量的电量所析出的物质的质量与该物质的化学当量成正比。

  “什么?”卢瑟福既像恼又像喜的反映,使得玻尔不敢说下去。教授放下手中的实验,急切地等待玻尔说下去,看着玻尔吱吱吾吾的样子,就笑着说:“这几天我预感到会有人向我‘开炮’,小伙子,说吧!”

  在发现电解定律的过程中,法拉第最先使用了电极、阳极、阴极、离于、阳离子、阴离子等名词。

  玻尔听了老师热情鼓励的话语,惶惶然的心情才平静下来,他把自己的见解一古脑儿地全部说了出来:“我认为电子可能处在原子核外几种稳定的轨道当中,每种轨道相当于一定的能级。当电子运动状态发生变化时,它从一个轨道跳跃到另一个轨道,这个能级的变化就表现为辐射或吸收一定能量的光……”

  1843年,法拉第第一个证明了电荷守恒定律,认为电荷既不能被创造,也不能被消灭。只能在物体内或在几个物体之间相互转移,电荷的代数和是守恒的。

  卢瑟福听完玻尔的意见,他耸了耸肩膀,高兴地说:“你对原子结构模型作了重大发展,立了一功。”接着,他热情地指导玻尔进行深入的研究,并嘱咐玻尔赶快把研究成果写成论文交给他。

  法拉第还提出了电场、磁场、电力线、磁力线的概念,否定超距作用说,认为电力和磁力是通过电场和磁场传递的,并用电力线和磁力线直观描述电场和磁场。

  1913年,玻尔回到祖国丹麦,担任哥本哈根大学物理学教授。三月,他把论文寄给卢瑟福,经过多次修改,经卢瑟福推荐,玻尔的论文在《哲学杂志》上发表了。玻尔的这一研究成果,震动了学术界。人们把这种原子模型称为“卢瑟福——玻尔模型”。玻尔因此于1922年获得诺贝尔物理学奖。

  1845年9月,法拉第在一次实验中发现了旋光效应,这就是著名的法拉第效应。在他用磁力线测试不同物体的磁效应时,发现透明固体和液体中的光的偏振面发生了旋转。对此,法拉第解释为“光线被磁化了”,这实际上是后来光的电磁说的萌芽。

  1931年9月,玻尔已经是哥本哈根大学理论物理研究所所长,他邀请老师卢瑟福到丹麦讲学。在丹麦科学家欢迎卢瑟福的晚宴上,玻尔致了热情洋溢的欢迎词,他说:“卢瑟福教授无视一切清规戒律,没有媚上欺下的势力眼。他最乐于关心年轻学生,他倾听年轻学生的意见,就像倾听一个公认的科学权威意见一样。”

  上述成就是法拉第在各种自然力是统一的前提下长期探索的结果。

  1933年,英国皇家学会的一个新实验室——蒙德实验室落成了,物理学家卡皮查请来英国艺术家,让他雕塑三个像:一个是出资兴建实验室的蒙德先生的像,另一个是卢瑟福的像,还有一个是一条鳄鱼的像。

  法拉第杰出的实验成就奠定了电磁学的基础,开创了电磁学研究的新时代。

  有人好奇地问:“为什么要雕一条鳄鱼的像呢?”

  由于法拉第没有受过正规教育,完全靠自学走上科学道路,对数学是不精通的。虽然在实验中发现了感生电流、电解定律、旋光效应,取得了杰出的成就,但对它们无法进行充分的数理分析和论证,以致有人说他的《电学实验研究》是一个实验报告汇编。

  卡皮查解释说:“鳄鱼象征着科学。鳄鱼是一种从不向后看的动物,像科学一样,它张开吞食一切的大口,不断前进。”接着补充道:“鳄鱼代表一家之父,极为关心后代……”他请艺术家雕塑鳄鱼的像,是为了充分体现卢瑟福在科学研究上勇往直前的坚强性格和呕心沥血关心后辈的精神。

  运用数学方法进一步总结当时的实验电磁学成就,建立经典电磁学理论大厦的,是英国科学家麦克斯韦。

  1937年10月17日,卢瑟福逝世的噩耗传到丹麦,玻尔悲痛欲绝地说:

  电磁学理论创立人

  “欧内斯特·卢瑟福对我来说,几乎是我的第二个父亲。”为了纪念这位伟大的老师,玻尔给自己最小的儿子起名为“欧内斯特”。

  今天,我们生活在电波世界里,电视、广播、通讯、雷达等,都是通过电磁波来传播信息的。然而在上个世纪前期,人们根本不知道什么是电磁波。

  奥斯特与电、磁

  有一位物理学家,从理论上总结了人类对电磁现象的认识,创立了电磁学理论,预见了电磁波的存在,在科学上取得了伟大的成就。他的成就可与牛顿和爱因斯坦相提并论,可是很少有人知道他的名字。

  据说,世界上最早注意到磁现象的人是古希腊的自然哲学家、史称“科学元祖”的泰勒斯。在古希腊,人们把磁铁矿石称作“马格尼斯”。当时,古希腊人都是万物有灵论者,他们对磁铁矿石能吸引铁粉的现象,感到迷惑不解。泰勒斯曾留下了这样一种断言:“万物充满了神的意志,马格尼斯吸引铁是因为它有灵魂的缘故。”

  他的名字叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。

  在泰勒斯以后的漫长岁月中,人们发现了更多的磁现象。1600年,英国物理学家和医师,曾任英国女王伊丽莎白一世御医的吉尔伯特,首先用磁石进行实验,发现磁石相互吸引和排斥,以及磁针倾斜等现象,认为地球是一个巨大磁体。首先注意到琥珀之类的物质,从而对磁现象进行了研究,写了一本题为《磁石》的畅销书,书中对地磁现象做了独特的说明。但是,在论及磁现象的本质时,吉尔伯特和泰勒斯一样,也认为物质中潜在着灵魂的作用。

  1831年11月13日,麦克斯韦出生在苏格兰古爱丁堡。恰好是这一年,法拉第发现了感生电流。

  直到1820年,丹麦著名物理学家和化学家奥斯特通过实验发现了电流的磁效应,终于揭开了磁现象的本质,从而破除了泰勒斯的灵魂论神话。

  麦克斯韦的父亲是一名律师,但对科学技术非常热心,经常去听爱丁堡皇家学会的科学讲座,这对幼年的麦克斯韦有一定的影响。

  1777年8月14日,奥斯特生于丹麦兰格朗的鲁克宾。他的父亲是个药剂师,在家庭的熏陶下,奥斯特从小就对物理、化学发生了浓厚的兴趣。奥斯特自幼聪明好学,在小学,中学读书时,始终名列班级前茅。1794年,年仅 17岁的奥斯特考取了哥本哈根大学免费生,攻读医学和自然科学。1799年,以优异的成绩毕业并获得博士学位。这一年,奥斯特受聘担任哥本哈根医学院的化学助教。

  麦克斯韦小时候总是提出各种各样的问题。当他看到清晨的太阳冉冉升起时,便问“太阳为什么是红的?”当看见树木郁郁葱葱枝繁叶茂时,便问

  奥斯特的兴趣广泛,学问深博,不仅酷爱物理和化学,而且对天文、哲学、文学等也颇有研究。他是康德哲学的信奉者,并和当时世界著名童话作家安徒生交往甚密。为了进一步扩大自己的知识领域,奥斯特于 1801年至1804年,先后去德国、法国等地继续学习深造,在那里结交了许多著名科学家。1804年,奥斯特带着从国外学到的丰富而坚实的基础知识,回到了祖国。

  “树木为什么朝天上长?”当看见夜晚的天空繁星闪烁时,便问“天上的星星有多少颗?”

  1806年,奥斯特受母校的聘请,担任哥本哈根大学物理、化学教授。他开始积极从事电流和声学的研究。经过奥斯特坚持不懈的努力,终于发现了电流的磁效应,为电磁场理论的建立做出了重大的贡献。

  对于儿子天真无邪的提问,父亲很高兴。他是一个思想开放、讲究实际的人,既然儿子对自然科学感兴趣,就带着儿子一起听科学讲座,使小麦克斯韦受到了不少科学熏陶。

  奥斯特是怎样发现电流的磁效应的呢?

  麦克斯韦在8岁时,母亲不幸因病去世,从此和父亲相依为命。10岁时,他进入爱丁堡中学学习,非常勤奋。课外,其他同学都玩去了,只有麦克斯韦一个人躲在教室里,专心致志的演算数学题。

  奥斯特深受康德、谢林等人关于各种自然力相互转化的哲学思想的影响,在自然科学研究中,始终坚持自然界各种现象相互联系的观点。早在1803年,他就指出:我们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的任何其他现象的零散罗列,而是将整个宇宙容纳在一个体系之中。奥斯特正是从自然现象相互联系的观点出发,去研究和探索电与磁之间的关系的。

  在他13岁时,学校举行了数学和诗歌比赛,两科比赛的一等奖是同一个人。这个人不是别人,正是出类拔革的麦克斯韦。

  长期以来,磁现象和电现象一直是被分别进行研究的,特别是吉尔伯特对电和磁的现象进行分析对比后断言,电和磁是两种截然不同的现象后,很多科学家都认为电和磁之间不可能有什么关系。法国物理学家库仑曾证明:

  14岁时,他写了一篇数学论文——《关于椭圆曲线的作图和多焦点椭圆曲线》,发表在《爱丁堡皇家学会学报》上,显示了数学才华。他的父亲感到非常自豪。

  “电与磁是完全不同的实体”;另一位法国物理学家,安培定律的创立者安培也说过:“电和磁是相互独立的两种不同的流体”;英国物理学家、光的波动说的奠基人托马斯·杨在他的《自然哲学讲义》中说:“没有任何理由去设想电与磁之间存在任何直接的联系。”

  1847年,16岁的麦克斯韦中学毕业后,考人苏格兰最高学府爱丁堡大学,学习数学物理。

  然而,也有一些人猜测电和磁之间可能存在着某种联系。一位名叫威克菲尔德的小商人,就曾描述过雷电使他箱子中的刀、叉、钢针磁化现象;1751年,富兰克林发现莱顿瓶放电可以使焊条、钢针磁化或退磁。1774年,德国巴伐利亚电学研究院为了激励科学家们深入研究电和磁之间的关系问题,提出了一个有奖征文题目《电力和磁力是否存在着实际的和物理的相似性呢?》不少人去努力探索,但都没有取得什么成果。

  他的成绩依然是最优秀的。有一次,他指出一位讲师的公式推导有错误,这位讲师根本不相信,并说:“这是不可能的,如果要是你的推导对了,我就叫他麦式公式。”然而,讲师经过仔细的验算,还是自己错了。

  但是,奥斯特却一直坚信电、磁、光、热等现象存在着内在的联系。特别是当富兰克林发现莱顿瓶放电能使钢针磁化以后,奥斯特更坚定了自己的观点,他认为:电可以转化为磁是不成问题的,关键问题在于要寻找转化的条件。1811年,奥斯特在《对新发现的化学自然定律的看法》一文中,提出用电流实验来弄清楚潜在状态下的电是否对磁具有什么作用。第二年,在这本书的修订本 《对化学力和电力的同一性》一文中,奥斯特进一步论述了电流与磁的关系,并进行了实验,但仍未能发现电对磁的作用。

  在爱丁堡大学,麦克斯韦又发表了两篇论文:《关于旋输线》、《论弹性体的平衡》,使他的数学水平进一步提高,为后来经典电磁学理论的建立打下了良好的数学基础。

  困难和挫折并未使奥斯特畏缩,他毫不气馁,继续不断思考,反复进行实验,探究电和磁的关系。化学家J.G.佛克哈默曾担任过奥斯特的抄写员,他非常钦佩奥斯特坚韧不拔的精神。在奥斯特逝世一周年纪念会上,他深情地怀念道:“奥斯特一直在探索这两种巨大自然力之间的关系。他过去的著作都证明了这一点,我在1818年到1819年每天跟随在他左右,可以用自己的经历说明,发现至今仍然很神秘的(电和磁)联系的想法一直萦绕在他的心中。”

  1850年,麦克斯韦考人剑桥大学三一学院。

  1819年冬至1820年春,奥斯特在哥本哈根开办了一个讲座,专门讲授电、电流及磁方面的知识,讲座吸引了许多物理知识的爱好者。

  麦克斯在这里读了大量的科学专著。他的学习方法不是循序渐进,井井有条,而是不注意系统性。有时候,为了钻研一个问题,往往几个星期都目不旁顾;有时候,又见到什么读什么,五花八门,漫无边际。

  1820年4月的一天,在哥本哈根的一个讲演厅里,座无虚席。大家聚精会神地倾听着奥斯特的演讲。奥斯特深入浅出地讲解着电学知识,为了让听众较容易地理解那些深奥的电学原理,奥斯特边讲边做演示实验。

  勤奋学习和善于思考的麦克斯韦,需要名师指导,才能放出异彩。

  在讲课过程中,奥斯特突然想到一个问题:过去许多科学家在电流方向上寻找电流对磁体的效应都没有获得成功,很可能电流对磁体的作用不是

  剑桥大学著名的数学家和物理学家霍普金斯,有一天去图书馆借一部数学专著,不巧被人惜走了,扑了个空;一天再去惜一本数学期刊时,又被人捷足先登了。

  “纵”向的,而是“横”向的。于是,奥斯特把导线和磁针平行放置进行实验。当时,他用的电源是伏打电池,导线是一根细铂丝。当他把与伏打电池两端连接的导线平放,并与一枚支在支架上的小磁针平行时,他惊奇地发现:靠近铂丝的小磁针突然摆动起来,小磁针向垂直于导线的方向偏转了。小磁针发生偏转的现象,对听众来说,几乎是无动于衷,并没有引起任何一位听众的注意,然而,这一不显眼的现象却使奥斯特兴奋异常,多年盼望出现的现象,终于看到了,这重要的发现,使奥斯特欣喜若狂:这是电磁之间关系的一个确定的实验证据。

  书刊没有借到,又浪费了宝贵的时间,对于特别珍惜时间的教授来说,怎能不心烦呢。为了查找一个资料,霍普金斯便问图书管理员,是谁借去了这本书。

  其实,这一现象早在1802年就曾被意大利法学家罗曼诺西发现,但未引起人们的注意。演讲一结束,奥斯特立即回到自己的实验室,开始对这种现象进行深入细致的研究。从1820年4月起,一直到7月,奥斯特整整耗费了3个月的时间,做了60多个实验。奥斯特分别将磁针放在导线的上方和下方,考察电流对磁针作用的方向。他先将导线的一端和伏打电池连接,然后把导线沿南北方向平行地放在小磁针的上方,当导线的另一端接通伏打电池的负极时,小磁针立即指向东西方向;如果将导线放在磁针的下方,小磁针就向相反的方向偏转。奥斯特还把磁针放在距导线远近不同的距离处,检验电流对磁针作用的强弱;他把玻璃板、木板或石块等非磁性物体放在导线和磁针之间,考察电流对磁针的影响,甚至把小磁针浸在盛水的铜盆中,小磁针都照样偏转。如果导线沿东西方向放置,无论将导线放在磁针的上方,还是下方,磁针始终保持静止,丝毫没有偏转现象。

  “被麦克斯韦借去了。”

  在反复实验的基础上,1820年7月21日,奥斯特正式宣布他发现了电流的磁效应,并在《关于磁针上电流碰撞的实验》一文中,详细论证和解释了他的发现。这篇论文发表在法国《化学与物理学年鉴》杂志上。这份杂志在当时很有影响,在刊登奥斯特的论文时,特别作了如下的说明:“《年鉴》的读者都知道,本刊从不轻意地支持宣称有惊人发现的报告……但是,至于说到奥斯特先生的文章,则其所得的结果无论显得多么奇特,都有极详细的记录为证,以至无任何怀疑其谬误的余地。”可见奥斯特的实验是多么具有说服力。

  “这本书很深奥,学生是难以看懂的,这个学生借这本书于什么呢?”

  当时,奥斯特把电流对磁体的作用称为“电流碰撞”,或“电流冲击”,从实验中总结出了这种作用的基本特点。他认为:这种“电流冲击”只能作用在磁性粒子上,对非磁性物体是可以穿过的,磁性物质或磁性粒子受到“电流冲击”时,就发生了偏转现象。奥斯特成功地解释了通电铂丝附近磁针发生偏转的现象,证明了电可以转化为磁。

  霍普金斯这样想着,强烈的好奇心驱使他来到麦克斯韦的宿舍。只见房间乱糟糟的,他要惜的书摊在桌子上,另外还有几本书横七竖八地摆着,一个小伙子正在认真的攻读,埋头在摘抄,笔记本上涂得乱七八糟。

  奥斯特的重大发现,揭示了电与磁之间的联系,为以后法拉第发现电磁感应定律,麦克斯韦建立统一的电磁场理论奠定了基础。法拉第后来在评价奥斯特的发现时说:它猛然打开了一个科学领域的大门,那里过去是一片漆黑,如今充满了光明。

  凭直觉,这不是一般的学生,将来定能有所建树,霍普金斯高兴地说:

  奥斯特在成绩面前并未止步。1824年,奥斯特创办了丹麦科学知识振兴协会,该会以积极向大众普及科学知识为宗旨。奥斯特经常亲自举行讲座,深入浅出地讲授自然科学知识,特别是物理学知识。这个协会自1908年起,对丹麦物理科学家的出色贡献授予奥斯特奖章。1829年,奥斯特创建了丹麦工程学院,亲自担任院长。

  “小伙子,无论是生活还是学习,都要有秩序,否则是难成大器的。”

  奥斯特在科学研究中的贡献是多方面的。1820年,他发现了胡椒中刺激性成分之一的胡椒碱。1822年,他第一次相当精确地测得了水的压缩系数。1825年,他首次分离出金属铝。现在,铝在航空、电力等工业,以及日常生活中的广泛作用已众所周知。

  就这样,麦克斯韦幸运地得到了这位著名教授的器重,可以说是伯乐智识千里马。

  由于奥斯特在物理和化学的多个领域都做出了杰出的贡献,特别是电流磁效应的发现,使他名声大振。1821年,奥斯特被选为伦敦皇家学会会员,1823年又当选为法国科学院院士。同时,他还是其他一些科学院和学会的会员。

  霍普金斯首先帮助麦克斯韦克服了杂乱无章的学习方法,并对他进行了严格的训练,每一个选题,每步运算都要求极严。

  1851年3月9日,奥斯特病逝于哥本哈根,终年74岁。臭斯特是一位谦虚谨慎,坚韧不拔追求真理的探索者,他曾经说:他唯一的追求就是从研究中得到满足。

  麦克斯韦在名师指点下,很快掌握了当时所有先进的数学方法,并对光、热、电、磁等各种物理问题产生了浓厚的兴趣,成绩优异,在毕业学位考试中,获得第二名。

  为了纪念这位博学多才的科学家,特别是赞扬他为电磁学发展史所做出的杰出贡献,从1934年起,用奥斯特的名字命名为磁场强度的单位,以永远纪念这位著名的物理学家。有些组织和地区,还以奥斯特的名字命名和颁发奖金、奖章。如1937年,美国物理教师协会颁发奥斯特奖章,奖励卓越的物理学教师。

  霍普金斯为有这样的学生而感到自豪,他说:“在我教过的所有学生中,毫无疑问,这是我遇到的最杰出的一个!”

  电磁感应现象

  在剑桥大学的学习过程中,麦克斯韦打下了良好的数理基础,同时也在教授的指导下练就了娴熟的实验技巧,为以后的研究和用数学分析方法总结实验成果铺平了道路。

  1820年,丹麦著名物理学家奥斯特发现了电流的磁效应,揭开了研究电磁本质联系的序幕,他的这个重大发现很快便传遍了欧洲,并被许多物理学家所证实。因此,人们确信电流能够产生磁场。但反过来,磁能产生电吗?许多物理学家很自然地提出了这个相反的问题,并开始对这个问题进行艰苦的探索。其中,最有成效的是英国物理学家法拉第。

  1854年,麦克斯韦在剑桥大学毕业,即留校任教,开始了他的教学和科学生涯。

  从1821年到1831年,法拉第整整耗费了10年时间,从设想到实验,漫长的岁月,失败的痛苦,生活的艰辛,法拉第饱尝了各种辛酸,经过无数次反复的研究实验,终于发现了电磁感应现象,于 1831年确定了电磁感应的基本定律,取得了磁感应生电的重大突破。

  工作不久,麦克斯韦读到了法拉第的名著《电学实验研究》,立即被书中的实验和新颖的见解吸引住了。

  然而,法拉第在成绩面前毫不骄傲,继续大踏步地勇往直前,继续探索科学的奥秘,取得了累累硕果;发现了电解定律和电荷的不连续性;最早进行电介质的性质和气体放电形式的研究,发现了顺磁性和抗磁性,磁的各向异性;他发现了光偏振面在磁场中的转动;把基本物理概念之一——磁场概念引入科学;创立了用低温与高压相结合的方法使气体液化的工艺;发明了电压电流表、电动机、直流发电机、变压器等等。俄国著名物理学家斯托列托夫赞誉道:“在伽利略之后,人类再没有看到像法拉第那样能作出如此惊人和多样发现的人,也未必能很快看到另一个法拉第。”伟大的恩格斯也给予法拉第很高的评价,称他是“最伟大的电学家。”

  作为实验大师,法拉第有许多过人之处,但是他几乎没有数学功底,只能用直观的形式来表达他的创见。当时,“超距作用”的传统观念还影响很深。因此,一般的理论物理学家都瞧不起法拉第,对他的工作不以为然。

  法拉第的科学造诣,已经达到了绝大多数人认为的世界科学成就的最高峰。英国皇家学院院长廷德尔教授特地请法拉第担任英国皇家学会会长的职务。可是,这位“当代最优秀的科学家”,却拒绝了这个荣誉职位。法拉第说:“廷德尔,我决心一辈子当一个平凡的迈克尔·法拉第。”

  甚至有位天文学家公开宣称:“谁要是在精确的超距作用和模糊的力线观念之间有所迟疑,那简直就是对牛顿的亵渎!”

  这句话充分地概括了法拉第一生中不平凡的人格,同时,他的出身确确实实是平凡到了极点。

  但麦克斯韦通过对法拉第著作的刻苦攻读,相信其中包含的真理,并悟出了力线思想的宝贵价值。这位初出茅庐的青年科学家决心用数学定量表述来丰富法拉第的电磁理论。

  1791年9月22日,法拉第出生在英国伦敦郊区的一个普通的铁匠家庭。父亲由于劳累成疾,经常停工,所以家境贫寒,全家的生活常常靠慈善机构的救济来勉强维持,有时甚至一个星期,法拉第只能吃到一个面包。法拉第后来回忆说:他的重年是在饥饿和寒冷中度过的。所以法拉第一生中几乎没有受过什么正规的学校教育。

  麦克斯韦精心研究了法拉第的“力线”概念,在1885年发表了第一篇电磁论文—— 《论法拉第的力线》。通过数学方法,他把电流周围存在磁力线的特征,概括为一个矢量微分方程,导出了法拉第的结论。

  由于家境贫困,法拉第很小就开始自己谋生。12岁时,法拉第在离家不远的一个书店里当送报童,既要到外面送取报纸,又要在店里打杂,工作十分繁重。礼拜天也不例外。法拉第必须天亮以前就起床,才能来得及分送好报刊,待客户们看完后再及时地收回。顾客们都喜欢这位眼睛明亮、满头棕色卷发的小伙子。书店老板见法拉第工作既勤快,又肯动脑筋,在一年的年终时,破例提升他到店里的书籍装订处当一名“免费艺徒”,并兼管售书。

  这一年,法拉第告老退休,结束了30多年的电磁学研究,在科学笔记上写下了最后一页。而麦克斯韦以这篇论文接过了法拉第手中的熊熊火炬,开始向电磁学领域的纵深挺进。

  这份新的工作,对法拉第来说,犹如上帝送给他的圣诞礼物。现在,法拉第总算有了机会,不但可以看到书刊的外壳,更令他兴奋的是可以熟悉书刊的内容了。法拉第很快就学会了装订书籍的手艺,而且装订得又快又好。

  1860年,麦克斯韦受聘于伦敦皇家学院。

  法拉第像富兰克林少年时期一样,完全靠顽强的刻苦自学,才获得丰富的知识的。法拉第刻苦自学,阅读各种书籍。他常常一边装订书,一边翻阅着书中的文章,并利用书店的废纸订成笔记本,摘录着各种资料。他几乎利用了所有工余时间,拼命地读书。书店老板是个好心肠的人,对勤奋好学的法拉第十分怜爱,他说:“读吧,法拉第,好好读吧!爱读什么就读什么。订书匠只管书的外表,可是你知道了书里的内容,那也没有什么坏处。”

  在研究电和磁的关系中,以前一直认为电流产生磁场,这个电流是指传导电流,法拉第也是这样认为的。麦克斯韦在实验中有了新的发现。

  法拉第几乎把书店里装订好的新书都看遍了。书是人类知识的宝库,勤奋读书便是开启知识宝库的金钥匙。法拉第在书店工作的8年间,始终坚持不懈地刻苦读书,他的头脑就像一块巨大的海绵一样,尽情地在知识的海洋中贪婪地吸吮着,为他日后从事科学研究打下了坚实的基础。法拉第后来在回忆这段日子时说:“在当学徒的时候,我爱看手边的科学书,其中最爱读的是玛西特夫人的《化学漫谈》和《大英百科全书》中的电学论文。我做了一些花费得起的实验,每星期花上几个便士,还制成了一种电学机械,起初用小玻璃瓶,后来就用真正的金属圆筒以及其他这类电学仪器。”

  把两块中间夹着介质的金属板,也即是电容器,接在交变电源上,介质内并不存在自由电荷,也就是没有传导电流,但磁场却同样存在。

  法拉第从开始学习就很重视科学实验,他平时省吃俭用,从微薄的收入中节约出一点钱,购买了一些最简单的实验器材,对照书本一个一个地进行实验。店老板看了法拉第的实验后称赞说:“这孩子真不寻常!”法拉第正是通过这样孜孜不倦的学习和反复的实验,不仅了解了大量的科学知识,而且训练了自己的实验技能,逐渐摸索到了科学的门径,靠自学掌握了有关电和化学的基础理论。

  这个磁场是怎样产生的呢?麦克斯韦经过研究和分析,认为这里的磁场是由另一种类型的电流产生的,这种电流存在于任何电场变化的电介质中。他把这种电流称为“位移电流”,指出在位移电流的周围空间同样产生磁场,这种磁场和传导电流产生的磁场完全一样。

  1812年初秋的一天,一位常来书店的皇家学会会员亚当斯先生知道法拉第很喜欢化学和物理,便送给他4张皇家学院科学演讲会的入场券。主讲人是皇家学会会长、皇家学院的化学教授戴维,他是电化学的创始人之一,他主讲的内容是关于电学的研究。法拉第怀着极大的兴趣聆听了戴维的演讲,并做了详尽细致的听讲记录。法拉第被深深打动了,他决心寻找自己的科学之路。

  1862年,麦克斯韦发表了《论物理力线》的论文。这篇论文是他在电磁学理论方面的第二篇论文,已经不再是法拉第观点的数学翻译了,而是有了重大的引申和发展,首创了“位移电流”的新概念,指出不仅变化的磁场产生电场,而且变化的电场也产生磁场。

  法拉第对科学充满了憧憬,他写信给伦敦学会主席班克斯,希望能到皇家学院去工作,但遭到了回绝。法拉第并不灰心。他把戴维教授的4次演讲记录。经过精心整理,在有些地方,根据自己的理解加以发挥补充,还画了许多插图,注明戴维教授做的一些示范实验,并把这份听讲记录装订成册,在书脊上烫上金字。然后,法拉第把这本自己精雕细刻的《享·戴维爵士演讲录》寄给戴维教授、同时附了一封言辞恳切的求职信。

  在这篇论文中,麦克斯韦还预见了电磁波的存在。在研究电场和磁场的交相变化过程时,他认识到这种相互变化的电磁场以波的形式向空间散布,由近及远。

  法拉第在信中诉说了自己贫困的身世,以及对科学的向往,他迫切渴望能得到一个可以接触科学技术的职位,只要能参与为人类造福的科学事业,不论待遇怎么低,他都十分乐意。

  他还对电磁学的定律进行了高度的概括,写出了数学方程,导出了电磁场的能量密度和电磁波的能量密度,指出电磁波就是能量的流动过程,从而说明了电磁波的物质性。

  1812年12月25日,戴维收到了书和信。开始,他感到很奇怪,自己从未出版过什么演讲录,哪里出的这本书呢?他真没有想到,自己的4次演讲总共不过4个多小时,而这本演讲录竟有380页之多。所讲的都详尽地记录在里面,还补充了许多没有讲的内容,这本书凝聚着整理者多少敬仰和心血啊!读了法拉第的信后,戴维被这个年轻人的身世和热情深深感动了。从这个陌生的年轻人身上,戴维着到了一种最宝贵的东西——对科学的热爱和献身精神。

  但是麦克斯韦并没有用实验来证实电磁波的存在。

  圣诞节前夕,戴维到皇家学院去,找到皇家学院理事佩皮斯先生,建议录用这个有志向的年轻人到皇家学院来工作。佩皮斯说:“叫他来洗瓶子吧!要是他还有点用,那他会来的,要是他不肯来干,那他就是个没用的人。”当天晚上,戴维就给法拉第写了回信:“承蒙寄来大作,读后不胜愉快。它展示了你巨大的热情,记忆力和专心致志的精神。最近我不得不离开伦敦,到月底才能回来。我很乐意为你效劳。我希望这是我力所能及的事。”

  1864年,麦克斯韦发表他的第三篇电磁学论文《电磁场的动力学理论》。在这篇论文里,麦克斯韦方程更完备了,它导出了电场与磁场的波动方程,其波的传播速度正好等于光的速度。这启发他提出了光的电磁学说,指出光也是一种电磁波,只不过是一种频率很低的电磁波,从而进一步认识了光的本质。

  1813年3月1日,在戴维教授推荐下,法拉第的愿望终于实现了,他进入了皇家学院的实验室,给戴维教授当助手,开始了他的科学创造生涯,在皇家学院整整工作了50年。

  1873年,麦克斯韦出版了他的电磁学专著《电磁学通论》。

  法拉第埋头苦干,洗瓶子、擦桌子,拖地板,把实验室打扫得干干净净。法拉第头脑灵敏,喜欢动脑筋分析问题,很快就熟悉了电化学实验室的一些实验技术。为人谦虚的法拉第总是恭敬地向教授提出一些建议,深受戴维教授的赏识,允许他参加自己的各项实验工作。不久,法拉第就可以独挡一面地进行实验研究,并取得了一些成绩。没有几个月的时间,戴维已对法拉第寄予完全的信任,邀请法拉第作他的“哲学助手”,陪伴他一同到欧洲各大城市去讲学。戴维一生中有过许多重要的发现,但是,他后来却自豪地说:

  这部著作全面而系统地总结了电磁学研究的成果,成为电磁学的经典理论著作。这部著作的巨大意义,可与牛顿的《自然哲学数学原理》相媲美。如果说帕然哲学数学原理》是对经典力学的大综合,成为力学发展的里程碑,那么《电磁学通论》就是对电磁学的大综合,成为电磁学发展的里程碑。

  “我一生中最伟大的发现,是法拉第。”

  在这部著作里,麦克斯韦以他特有的数学语言,建立了电磁学的微分方程组,揭示了电荷、电流、电场、磁场之间的普遍联系。这个电磁学方程,就是后来以他的名字著称的“麦克斯韦方程”。

  1813年10月13日,法拉第有幸随同戴维教授到欧洲大陆各国访问和讲学。对于一个铁匠的儿子,一个足迹从未越出伦敦地平线的22岁的年轻人来说,这次欧洲之行,实在不亚于《爱丽丝奇遇记》一书中的女主角爱丽丝的漫游奇境。法拉第在日记中写道:“今天早晨迎来了我一生的新时代。”

  麦克斯韦方程包括四个方面的内容:

  从1813年10月到1815年3月的一年半中,法拉第跟随导师先后到了法国、意大利、德国、比利时、瑞士等地,这对于年轻的法拉第来说,是一次极好的学习机会,使他开阔了眼界,接受了锻炼,有机会认识了当时许多知名的科学家,如安培、盖—吕萨克、洪波尔特等,并参观了他们的实验室。在日记中,法拉第记下了自己兴奋的心情:“夜间海上灿烂的波光”、“庄严雄伟的群山”,“笼罩在雾鬓云鬟里的枫丹白露的森林”,“维苏威火山的喷火口——那个喷出一串串的烟尘和一阵阵赤炽的石流的无底洞穴。”在日记中,他还详细地记录了戴维在各地讲学的内容、实验过程,以及各国科学家的实验方法,风格特长等。这次出访,对后来法拉第在电学和化学方面取得重大成就,起了很大的作用。

  1.法拉第感应定律;

  回国后,法拉第立即投入了紧张的科研工作。当时皇家学院被公认为是

  2.描述电磁场对位移电流密度和传导电流密度的关系;

  “最高深的科学研究和最佳、最专门化的科学讲演之家”。法拉第经常参加皇家学院的讲习会,有时也充当一个临时性的讲师。他的一个朋友描绘了一幅粗略,却颇为生动的法拉第立在讲坛上的画像:

  3.相当于库仑定律;

  “年轻人热情洋溢,满脸春风习习,

  4.表明了除电源外,没有其他磁场源。

  欢乐为其友,邪恶为其敌,

  在《电磁学通论》中,电磁场、电磁波、光的电磁说都具有了严密的理论形态与数学模型,使电磁学发展到了高峰。

  他衣冠修整,平凡而又恭谦。

  这样,一座宏伟的经典电磁学的理论大厦就由麦克斯韦建立起来了。

  为真理而耕耘,不为名利而卖力。”

  为了纪念他,人们把电磁单位制的磁通量单位定名为“麦克斯韦”。

  当时,法拉第每星期的收入仅有30先令,但是他从不在乎名和利,全心身地勤奋学习和工作,功夫不负有心人,1816年,25岁的法拉第在《科学季刊》上发表了《多斯加尼本生石灰的分析》一文,这是他的第一篇化学论文。随后两年中,法拉第先后发表了17篇化学分析方面的论文。其中一篇关于火焰的论文,大胆地指出当时理论中存在的一些谬误,法拉第研究氯气和其他气体凝结过程的成就引起了伦敦科学界的注意。法拉第终于靠刻苦自学,勤勉工作成长为一名年轻有为的科学家。

  赫兹的证明

  这期间,法拉第爱上了一位年轻女郎——撒拉·巴纳德。尽管早年法拉第曾经在笔记本上写过一段讽刺爱情的话:“什么是爱情?除当事人而外,它是每一个人都讨厌的东西。”但是,现在法拉第完全不同了,他开始一个劲地向撒拉表示爱慕之情,甚至惹起她的讨厌也在所不顾。撒拉·巴纳德在法拉第给她的书面求婚书上写了几个字:“爱情使哲学家成了糊涂虫。”哲学家用他献身科学的锲而不舍的精神,坚持自己的“糊涂举动”,丘比特的爱情之箭终于射中了巴纳德小姐的芳心。1821年,他们结为伉俪,虽然婚后没有子女,但是两人恩爱无间,白头偕老。后来,法拉第非常满意地说:“结婚比任何其他事件更强烈地促进了我的尘世的幸福和健全的思维能力。……,除了变得更加亲密和炽热之外,再没有发生任何变化。”的确,法拉第的妻子非常贤惠,在几乎长达半个世纪的时间里,撒拉无微不至地照顾着法拉第,让她的丈夫毫无牵挂地在科学领域里自由翱翔。

  真的有一种看不见、摸不着、玄而又玄的电磁波吗?一些守旧的学者摇头晃脑地望着天空,大加反对。

  1821年,法拉第担任皇家学院实验室总监和代理实验室主任,后来被推选为皇家学会会员,1825年接替戴维任实验室主任。从1821年起,法拉第开始进行电和磁的研究。1821年10月21日,他发表了第一篇电磁学论文《论某些新的电磁运动兼磁学理论》。法拉第根据自己做的大量实验,确信电和磁就像铜币的图案和字样一样,是同一事物的两个方面,既然电流可以产生磁,那么为什么磁不能产生电流呢?法拉第在日记中写下了一个崭新的研究课题:“把磁转变成电”。

  能否证明有电磁波的存在,是检验麦克斯韦理论的关键。

  为了把这个闪光的设想变成现实,法拉第含辛茹苦,已经在实验室里度过整整10个春秋了,做了成百上千次的实验,电池组已增加到120个电瓶,这说明同最初的实验相比,电流量增大了120倍,做实验用的线圈,已不知更换了多少。然而,实验仍未取得决定性的突破。面对一次次的失败,法拉第毫不气馁,继续苦苦地探索着。

  当人们对电和磁的理论认识处于莫衷一是的状态时,在德国却有人认真地从事电磁理论的研究。最先力图证明电磁理论正确的是玻尔兹曼,但是没有成功。不久,赫尔姆霍茨加入了这一行列,而他的学生赫兹最终攻下了电磁波这个堡垒。

  1831年秋季的一天,和风吹过,天气已经开始转凉,法拉第还是穿着那件旧外套,埋头在实验室里紧张地工作着。他复查了全部实验记录,逐件仔细检查了实验器具,连一根小导线都不放过,并对设计思路和实验方法也进行了全面的反省。法拉第慎重地开始了又一次实验。

  赫兹于1857年2月22日生于德国汉堡,在1880年以优异成绩获得了博士学位,随后当了赫尔姆霍茨的助教,在老师的影响下,对电磁学进行了深入的研究。

  法拉第用一根长为220英尺的铜丝绕在一个圆筒上,线圈的两端连着一个电流计。当他用一根磁铁插入或抽出线圈时,电流计就会发生偏转;如果磁铁在线圈中不动时,电流计就不动。于是他得出结论:只有磁铁在线圈中运动时才能产生电流,他把这个发现称作电磁感应现象,这种电流叫作感应电流。后来,法拉第又改变了实验方法,他把线圈放在磁铁的两极之间,当线圈不断旋转时,线圈中就能产生持续不断的电流。这一重大发现,为制造发电机奠定了基础。

  赫兹认为,麦克斯韦的理论比各种超距作用理论更令人信服。他说:“假使在通常的体系和麦克斯韦的体系之中仅能选择一个,那么后者无疑是占优势的。”于是,他决心用实验来进行检验。

  法拉第整整耗费了10年的心血,终于在自己40岁时获得了成功,发现了电磁感应现象,这是电学发展史上一个划时代的发现。然而,当法拉第向皇家学会做报告时,竟有人用怀疑的口吻问他:这个发现究竟有什么用?法拉第反问道:“新生婴儿有什么用?”回答得多么巧妙啊!新生婴儿具有强大的生命力,电磁感应现象的发现则预示着人类将进入一个崭新的电气时代!

  1883年,赫兹到基尔大学任理论物理学讲师。就在这一年,爱尔兰教授菲茨杰拉德根据麦克斯韦的理论作出一个推论,就是如果麦克斯韦的理论正确,那么莱顿瓶在振荡放电时,即可产生电磁波。

  法拉第实现了“把磁转变为电”的理想后,并不满足,再接再励,提出了一系列新的研究课题,接二连三地作出了许多新的重要的发现:他发现了电解定律;发现了自感现象;发现了磁光效应;发现了物质的抗磁性等等。法拉第成为近代电磁学的奠基人。

  那么,如何测出电磁波呢?

  法拉第不仅在电磁学方面取得了杰出的成就,在化学方面也有很多重要的贡献:他发现了两种新的氯化碳,创制了光学玻璃的新品种,研究了合金钢的性能,还发现了苯,对有机化学的产生和发展起了很大的推动作用。

  1885年,赫兹被聘为卡尔斯鲁厄工业学校的物理学教授,即开始了后来使他名垂史册的电磁学实验。经过反复实验,赫兹在1886年秋发明了一种电波环。他把一根粗铜线弯成圆环状,环的两端分别连着金属小球。这是一个十分简单但却非常有效的电磁波检测器。

  法拉第一生取得了如此辉煌的成就,但他从不倨功自傲。他在发现电磁感应现象之后,写信给他的朋友菲利浦斯说:“我正再忙于研究电磁学。我想,我捞到了一点好东西。可是没有把握,或许我花费了那么多劳动,捞到的不是一条鱼,而是一团水草。”其实,何止是一条鱼,这不仅是19世纪最伟大的发现之一,也是整个科学史上的最伟大发现之一。法拉第是多么的谦虚,多么的谨慎啊!

  1888年,赫兹终于发现了人们所怀疑的电磁波。

  和法拉第同时代的法国著名作家大仲马高度评价法拉第说:“我不知道是否会有一位科学家,能够像法拉第那样,留下许多令人惬意的成就,当作赠与后辈的遗产而不自满……,他的为人异常质朴,爱慕真理异常热烈;对于各项成就,满怀敬意;别人有所发现,力表钦羡;自己有所得,却十分谦逊;不依赖别人,一往直前的美德。所有这些融合起来,就使这位伟大的物理学家的高尚人格,添上一种罕有的魅力。”

  赫兹在两块正方形锌板的边缘中心,各接一根钢棒,然后使两根铜棒相隔一定距离并彼此绝缘而组成一个振荡器。在暗室中将电波环放置在距振荡器10米处。

  法拉第身上罕有的魅力,就是他一生致力于科学研究事业,从不贪图任何荣誉。他先后辞掉了伦敦皇家学会会长和皇家研究院院长等职务;谢绝了伦敦大学教授和其他大学欲授予他的名誉学位,也不肯接受要加封给他的爵位。他成名之后,世界各国赠给他的各种学位头衔多达94个,他把所有的荣誉证书和奖章都收藏起来,连最亲近的朋友都未见过。他对朋友说:“我从来没有为追求这些荣誉而工作。”他喜爱科学研究工作胜于各种荣誉,他曾说:“自然哲学家应当是这样一种人:他愿意倾听每一种意见,却下决心要自己作出判断。他应当不被表面现象所迷惑,不对每一种假设有偏爱,不属于任何学派,在学术上不盲从大师。他应该重事不重人。真理应当是他的首要目标。如果有了这些品质,再加上勤勉,那么他确实可以有希望走进自然的圣殿。”这正是法拉第一生为人类科学事业作出如此巨大贡献的真实写照。

  实验时,将感应圈的高压电引至振荡器的两根铜棒上,使两铜棒间产生电火花,由此而辐射电磁波。

  历史性的时刻到来了!

  电波环的两个小球间闪现了电火花,这正是振荡器辐射的电磁波!

  紧接着,赫兹进一步用实验证实了电磁波可以反射、折射、产生驻波,并测定了电磁波的传播速度。

  赫兹在一间大而暗的教室墙上,安置了一块金属板。根据波动理论,如果电磁波能被反射,则反射波和人射波叠加应产生驻波。赫兹在金属板的对面放置有感应圈的振荡器,证实了振荡器发射的电磁波和金属板反射的电磁波叠加形成驻波。

  赫兹还测定了电磁波的波长,计算出电磁波的传播速度,这个速度和光速的实验测定值非常接近,再次肯定了电磁波是以光速传播的。

  他还用一块有孔的屏阻挡电波,使电波产生衍射;将电波通过一块大的沥青棱镜,证明电波像光波一样的折射,等等。

  这些实验令人信服的地证明了电磁波是存在的,而且电磁波和光是统一的,有力地支持了麦克斯韦的电磁理论。

  赫兹的实验轰动了全世界的科学界。这样,由法拉第开创,麦克斯韦总结的电磁理论,至此才取得了决定性的胜利!有趣的是,赫兹发现电磁波时和麦克斯韦预见电磁波时年龄一样大,都是31岁。然而麦克斯韦无法见到这一天了,但是,他的遗愿终于实现了。

  电磁波的发现对人类产生了巨大的影响。6年后,意大利的马可尼、俄国的波波夫实现了无线电传播,其他无线电技术如无线电报、无线电话、电视、雷达、卫星通信等等,像雨后春笋般涌现出来了。

  法拉第、麦克斯韦、赫兹将名垂千古!

  电气时代的到来

  在电磁理论逐渐完善的同时,技术发明也一个接一个地实现了。

  19世纪电学的发明主要有电动机、发电机、电报、电话、电照明等,这些发明导致了第二次技术革命,从而使人类进人电气时代。

  在电机史上,电动机的诞生比发电机早。

  电磁效应和安培定则,揭示了电和磁的相互作用能产生机械运用,奠定了电动机的理论基础。

  1821年,法拉第试制出了一种将电能转化为磁能再转化为机械能的实验装置,这就是最初的直流电动机。

  英国电学家斯特金通过实验,将电能转化为磁能,在 1823年发明了电磁铁。

  1831年,美国电学家亨利以伏打电池为电源,并引用了电磁铁,试制出一台电动机模型,产生的动能比法拉第的装置要大,向实用电动机的发展迈进了一步。

  但是早期的电动机使用的电源是伏打电池,提供的电流有限,功率极其微弱,没有什么实际意义。因此,必须寻找强大的电源,才能产生更大的动能。这样,电动机的试制推动了发电机的试制。

  世界上第一台发电机是由法国的皮克西制成的。

  皮克西是法国电学工程师,1832年成功地试制出一台手摇永久磁铁旋转式发电机。这台发电机的线圈是固定的,它运用手轮转动形磁铁,使磁铁相对于线圈运动。在这台发电机中,装上了最初的换向器,把发电机产生的交流电变为工业生产所需要的直流电。

  但这台永磁式电机设备笨重,又要用手摇,从而难以提高转速,输出的电压很低,实用价值不大。

  1834年,俄国科学家雅科比制成一台回转运动的直流电动机。雅科比不用永久磁铁,而用几个磁性很强的电磁铁来产生磁场,他设计的换向器可看做近代换向器的胚芽。

  为了试验这台电动机,雅科比把它装在轮船上,制成了第一艘电动轮船,在涅瓦河上航行。由于电源没有保证,成本高,不能和蒸汽轮船匹敌。但是雅科比电动机由实验模型走向了实用,并进一步促使发电机的试制。

  1834年,英国的克拉克试制成功了实验室使用的直流发电机。该机产生的电压高于一般电池组,还配制了各种线圈,以供需要不同电流时使用。

  1854年,丹麦的乔尔塞在发电机中不但装有永磁铁,还加装了电磁铁,试制成功了一种永磁铁和电磁铁混合激磁的混激式发电机,功率有明显的提高。

  后来,人们发明了自激式发电机,利用发电机本身的电势来产生激磁电流,从而使发电机的制造进入了一个新的阶段。对自激式发电机做出卓越贡献的是文尔德和西门子。

  1863年,发电机制造家文尔德制成了自激式发电机,取得了英国专利,而亨有盛名。这种发电机用电机运转过程的电磁铁代替永久磁铁,并运用自激原理,产生较强的电流。

  文尔德在向英国皇家学会递交的论文《新的大功率发电机》中,指出一个无限小的电流或磁力能够产生一个无限大的电流,对自激原理有了清楚的认识。

  文尔德接着申请自激原理的专利,他在申请书中说,自激磁场依赖于原来磁场系统的剩磁。这就是说,原来磁极中存在着剩磁,它产生的磁场可在转子电枢中感应出电势,这个电势又可给激磁绕组供应激磁电流,所以称为激磁。

  1867年,德国发明家西门子利用自激原理,制成了比较完善的发电机。

  维纳·西门子,于1816年12月13日出生在德国汉诺威,祖辈是世代耕种土地的贫困佃农,由于家庭极其困难,无力继续接受高等教育,便考进了既不花钱又可求学的柏林炮兵军事学校。

  德国在19世纪初就不断进行战争,于是大力发展军事教育。西门子接受了比较良好的工程技术训练,具有一定的科学素养和科研能力。

  西门子在炮兵学校毕业后,成为炮兵少尉,可是不久违反了军纪而入狱。就在坐牢期间,他发明了电镀法,成功地实现了金属器皿的电镀,当同伴拿着他制作的镀金的金钥匙时,简直不敢相信是出自这位炮兵少尉之手。

  西门子兄弟四人都是出色的发明家,老大是维纳,老二是威廉,老三是弗里德里希,老小是卡尔。

  维纳出狱后,转到火花制造队。1847年,他退役后和机械工哈尔斯克一起开办了一个小电信机工厂。这时候弟弟卡尔已成为实业家,帮助兄长成立了西门子公司,以生产电器设备为主,并建立了科研实验室。

  西门子发明电镀时,使用的电源是伏打电池,但功率甚低,随后改为永磁铁发电机,不久又改用电磁铁发电机。在这个过程中,西门子着手研制功率更大的发电机。

  1866年,维纳向柏林科学院递交一篇论文,阐述他的发电机自激原理。1867年初,其弟卡尔把他的论文内容告诉了英国皇家学会,并展示了自激发电机模型而公诸于世。

  西门子发电机用强有力的电磁代替传统的永久磁铁,并用发电机本身产生的一部分电向电磁铁供应,使电磁铁得到一种自馈电流,从而大大加强电磁铁的磁场,最终进一步提高了发电机的功率。

  西门子发电机在技术史上的地位相当于瓦特的蒸汽机,发电机和内燃机共同导致以电为标志的第二次工业革命,具有划时代的伟大意义。

  人类通讯的革命

  从发电机的发明开始到西门子发电机的出现,为人类利用能源开辟了道路,以电为基础的新的技术发明不断出现,电报、电话、电灯、电影等应运而生。

  古希腊人马拉松跑了几十公里把希波战争的消息传到雅典,这是现代马拉松长跑的起源。随着生产的发展,贸易交往的增加,金融情报及各种情报需要迅速的传播,古代长跑的方式已不能满足需要了,就是利用蒸汽机车和轮船也远远不够。

  当电登上历史舞台的时候,立即引起人们的注意,各种原始电报相继出现。

  当奥斯特发现电流可以影响磁针偏转后,1820年,安培用26根导线连结发与收两端各26个相对应的英文字母,试制出了一种以电磁感应为基础的磁针电报装置。

  1833年,德国数学家高斯和青年电学家韦伯在哥丁根建立了一个电报系统,它在相距为8000英尺的实验室和天文观测站之间建立了电信系统。

  真正使电报成为一种实用通讯设备的,是美国画家莫尔斯。

  一个外行的画家怎么能是电报机的发明人呢?

  1832年10月,莫尔斯乘坐“萨利”号邮轮从欧洲回国。当时从巴黎电学讨论会归来的青年医生杰克逊也在这一条船上,他大谈安培电学的新发现,深深地吸引了莫尔斯。

  莫尔斯回国后,就放弃了绘画,潜心研究电报,此时已经41岁。对于这般年纪的人,要丢掉熟悉的美术,从零开始钻研电学,此中艰辛,难以想象。

  在研制电报的过程中,莫尔斯拜美国大电学家亨利为师,学习f必要的理论基础和技术基础。经过几年的探索,在1837年,莫尔斯发明了一套用点、划组成的著名的“莫尔斯电码”。

  1844年5月24日,莫尔斯用一连串的点、划成功地发出了电文,实现了第一次通话。当年,莫尔斯在美国政府的资助下,建成了华盛顿到巴尔的摩之间的世界上第一条有线电报线路。后来,他的发明又被应用于铁路通讯,并在海底铺设电缆,进行环球通讯。

  1895年,意大利物理学家马可尼又发明了无线电报。

  电报的发明是人类通讯史上的一次革命。

  当莫尔斯电报广泛应用,成为一种新兴的通信工具时,人们就想“既然电流能够传递电波信号,为什么不能传播音波信号呢?”如果用电缆直接通话,那该多方便啊!

  1876年,美国的贝尔首先发明了电话。

  贝尔和麦克斯韦是同乡,1847年生于英国爱丁堡的一个声学世家,大学时学习声学,毕业后当聋哑学校的教师。由于专业的原因,他研究过听和说的生理功能,并潜心研究传送声音的“音乐电报”。

  1869年,贝尔受聘为美国波士顿大学的声学教授,教学之余,仍进行电话研究。

  在研究中,贝尔认识到,要把声音传送出去,必须先在送话一端将声音信号变成电信号,然后再在受话的一端将电信号变成声音信号。

  怎样实现这个转换呢?

  贝尔曾看到电报中,应用了能够把电信号和机械运动相互转化的电磁铁,受到很大启发。于是开始设计制造磁式电话。

  他最初把音叉放在带芯的线圈前,音叉振动引起铁芯作相应运动产生感应电流,电流信号传到导线另一头作相反转换,变做声信号。

  随后,贝尔又把音叉改换成能够随着声音振动的金属片,把铁芯改做磁棒,经过反复实验,制成了实用的电话。

  1876年2月14日,贝尔向政府提出了电话专利的申请。几个小时后,美国的另一名电技工程师戈雷也提出了电话专利申请。但戈雷电话的送话器和受话器不在一个装置中,使用时不如贝尔电话方便,加上时间在后,美国最高法院把电话的发明专利权判给了贝尔。

  1881年,贝尔在美国建立了第一家著名的贝尔电话公司。 1884年,波士顿和纽约之间架设了第一条长途电话线路。

  电话的发明是人类通讯史的又一次革命。

  让电照亮世界

  电报和电话被发明后,另一项影响最大的发明,就是电灯了。

  电灯是美国的“发明大王”爱迪生在1879年发明的。从此,白炽电灯驱走了暗夜,使人类第一次真正看到了电能的光辉。

  很久以来,人类一直使用约略看见东西的微弱火光来照明,直到 1800年意大利人伏打发明电池才有变化。

  把电转化为光用作照明,是从英国科学家戴维开始的。他用 2000组伏打电池为电源,发明了电弧灯。但电弧灯价格昂贵,光线太强,不适宜普通照明。

  当发电机问世,并能生产大量电流时,不久,爱迪生就发明了白炽电灯。

  1847年2月11日,爱迪生出生在美国俄亥俄州的米兰市,自幼身体瘦弱,不爱说话,但极富幻想,爱动脑筋思考问题,对周围的一切事物都充满好奇心。

  在他5岁那一年,当看到母鸡孵小鸡时,也异想天开地蹲在鸡窝里孵起小鸡来。

  父母到处在找小爱迪生,终于在鸡窝里找到了他。

  “你跑到鸡窝里蹲着干什么?”

  “我在孵小鸡呀。”

  “傻瓜,你怎么能孵出小鸡呢!”说着就把他拉了起来。

  “母鸡能孵出小鸡,我为什么不能呢?”

  就这样,爱迪生什么事都想问,什么事都要于。

  7岁时,爱迪生上学了。

  他仍然是寻根求源,问一些与书本无关的问题,而且还打破砂锅问到底。他的老师无法回答,便骂他是个小傻瓜,并用木板进行体罚。

  爱迪生的母亲曾做过教师,懂得教育方法,对老师的做法很不满,便一气之下让他退了学,决定自己教他。爱迪生接受学校的教育只有3个月,从此再没有受过正规教育。

  爱迪生一边在父亲的木工厂做工,一边在母亲的教育下读书写字。

  12岁时,由于家庭经济困难,爱迪生便到火车上当报童,一边卖报,一边自学,阅读了很多书籍,对化学和电学非常感兴趣。

  他利用积攒的钱,买了一些化学药品,在火车上的吸烟室搞了个小实验室,做着各种有趣的实验。在15岁时,由于火车的震动,把实验室的一瓶磷震倒了,磷遇空气立即燃烧起来,引起一场大火,幸亏车上的抢救及时才没有闯下大祸。

  车长恼羞成怒,狠狠地打了他一个耳光。爱迪生的右耳膜被震破,从此右耳就聋了。

  爱迪生的化学实验做不成了,但是却意外地得到一个学习电学的机会。

  就在这年8月的一天,爱迪生正在一个小站上卖报,忽然看见一个小孩在铁轨旁玩石子,而一列火车正飞驰而来。爱迪生迅速冲向铁轨,救出小孩,与此同时,火车呼啸而过,爱迪生摔倒在铁轨旁,小孩得救了,而他的脸和手却被划破了。

  小孩的父亲是这个站的站长,亲眼目睹了这一惊人场面,感动万分,以教爱迪生收发报技术作为回报。

  对电学非常感兴趣的爱迪生,十分珍惜这一难得的学习机会,勤学苦练,在3个多月的时间里,就熟悉地掌握了收发电报的技术,并在那位站长的推荐下,当上了火车站的报务员。

  在当报务员时,爱迪生即用自己掌握的理论知识和技术经验,对单路电报进行改革,1869年,发明了可以在同一线路上同时发送两路电报的双重发报机。此时,他才22岁。

  紧接着,爱迪生发明了一种商情自动报价机,报酬是40 000美金。他用这些钱开了一家工厂,一心一意地从事发明工作。

  1876年,爱迪生发明了留声机。美国各大报纸都以醒目的标题刊登了这条惊人的新闻:今日最大发明——一个会说话的机器。

  留声机的发明,为爱迪生赢得了巨大的声誉。

  爱迪生没有停留在荣誉面前,继续沿着他的发明道路不断前进。

  当时家庭照明普遍采用煤油灯或煤气灯。这些灯,光线虽柔和,但是亮度低,燃烧时有黑烟,还要添燃料擦灯罩。弧光灯虽然亮度高,但光线太强,人眼不能直接看它,不适合家庭使用。

  爱迪生陷入了沉思:怎样使弧光灯的刺眼强光变得柔和呢?

  英国人戴维曾发现,当电流通过较细的白金丝时,白金丝会发出微弱的光来,但白金丝在空气中很快就烧掉了。

  但这微弱的光亮,使爱迪生看到了前进的方向。

  爱迪生进行了大量的分析研究,夜以继日地工作,有时候甚至几天不合眼,实在困了,就趴在书上打个盹。以致有人说:“爱迪生知识如此丰富,原来他连睡觉的时候都在吸收书里的营养。”

  通过不断的研究和实验,爱迪生认为,必须解决两个问题。一是玻璃泡里的空气问题,白金丝被烧掉,是空气里的氧气捣的鬼,空气是发明电灯的大敌,因此,必须把玻璃泡里的空气抽成真空。

  二是改进灯丝,寻找一种耐高温的导体材料。

  对于第一个问题,相对来说比较容易解决,因为在1875年,英国化学家克鲁克斯发明过一种既迅速又经济的真空技术。

  第二个问题是难以解决的。究竟用什么材料来做灯丝呢?爱迪生纹尽脑汁,煞费苦心。他先后试验了1600种矿物和金属耐热材料,结果都失败了。

  1879年10月1日,爱迪生在《科学的美国人》杂志上看到了英国电技工程师斯旺用碳丝做灯丝的报道,便开始研制碳丝灯泡。

  在经过种种困难之后,爱迪生终于把一根棉线烧成碳丝,小心翼翼地装进灯泡里,抽出灯泡里的空气,然后把抽气口密封起来。

  当给灯泡接通电流时,奇迹出现了,灯丝放射出了夺目的光辉。

  这一天是1870年10月21日。

  这是一个永远值得纪念的日子!

  爱迪生和他的助手日夜用全部心血浇灌的电灯,终于放出了明亮的光芒。他们高兴得又蹦又跳,并一直守护在灯旁,细致地观察着。世界上第一盏白炽灯亮了45个小时。

  爱迪生又制出了几个碳丝灯,亮的时间也没有延长多少,这就要继续寻找高质量的灯丝。

  爱迪生先后试用了6000多种植物纤维,发现用一种日本产竹子的碳化纤维做成的灯丝,寿命长达1200小时。于是,他派人到东方收购竹料,大批量生产白炽电灯。

  1882年,爱迪生在纽约建立了一个发电站,架起了相应的电力输送网,推广使用他的白炽电灯。

  后来,人们对爱迪生的灯泡加以改良,用钨丝做灯丝,并在灯泡内注人一种不与钨丝起化学反应的惰性气体,大大延长了灯泡的寿命。这就是我们一直使用的电灯泡。

  爱迪生在发明电灯后,又不断地努力,发明了蓄电池、电影等。有人统计,爱迪生一生中的发明,在专利局正式登记的有1300种,这个成就是世界上任何人都无可比拟的。

  人们称爱迪生为发明大王,非常称赞他的天才。爱迪生说:“所谓天才,那是假话,艰苦的工作才是实在的。”“天才不过是百分之一的灵感,加上百分之九十九的汗水。”

  1931年10月18日,发明大王逝世。

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