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工业革命—正传:27.电磁感应


上文书讲到了法拉第和老师戴维之间的恩怨,戴维压了法拉第好多年。那么法拉第是不是记恨戴维呢?其实法拉第这个人最叫人佩服的就是人品绝佳,他一点儿都没记恨他老师。毕竟是戴维发现了他这么个人才,是戴维把他带进了科学的大门。戴维有强烈的进取心,也有强烈的荣誉感,但是凡事不能过头啊。

到了1831年,法拉第已经10年没摸电磁学了,他决定把重点转回电磁方面。当时的人都知道静电感应现象,你弄个瓶子,插进一根金属丝,下边绑上两个很薄的锡箔。然后拿琥珀这种容易起电的东西用丝绸来回摩擦,很快琥珀就带电了。带电的琥珀去接近金属丝,下方的锡箔会张开一个角度。可是琥珀并没有触碰金属丝。这个电是怎么传过去的呢?这种现象叫做静电感应。

静电感应

静电感应实际上是改变了金属丝内部电荷的分布。在外界电场的作用下,电子都挤到了金属丝的一段,因此这一端带负电,另一端带正电。那么锡箔怎么会张开呢?因为他们带电相同,同性相斥,因此两片锡箔就互相排斥,张开了一个角度。

当时人们把电分成好多种,比如摩擦产生的静电和伏打电池产生的伏打电,还有生物产生的生物电,比如说电鳗。静电是有感应现象的,伏打电池行不行呢?法拉第开始研究能不能通过磁场实现伏打电的感应。他在一个铁环上绕了两组线圈,他发现在一组线圈通电的瞬间,另外一组线圈上接的电流表会抖动一下,但是无法稳定的输出电流。法拉第做了很多实验,假如不用铁环,线圈直接绕在纸筒上,感应现象很弱。假如用直的铁棒缠上两个线圈,感应就比较强,最强的是铁环。法拉第断定,伏打电的感应现象是通过磁来实现的。铁棒可以改变磁性的分布。

法拉第实验用的圆环线圈

如果是磁性能感应出电流,那么换成条形磁铁也应该可以导致电流表指针偏转。他把条形磁铁插进了螺线管,发现指针动了一下,他迅速拔出来,指针也动了。这就说明变化的磁导致了变化的电。1831年10月27日,磁转变成电的设想成功了,法拉第做了详细的记录。

圆环电磁感应原理图,这等于是一个原始的变压器

法拉第换了个花样,他让条形磁铁固定不动,然后让线圈运动,结果是一样的。只要有相对运动就可以了,谁动都一样。法拉第也没觉得有什么问题。但是在后来经典的电磁理论里面,这两个过程是不同的。爱因斯坦1905年写了一篇著名的论文《论运动物体的电动力学》,这篇论文标志着狭义相对论的诞生。爱因斯坦一开篇就表示不满,为什么在经典电磁学理论里边,磁铁动和线圈动要用不同的计算方法?有脸没脸啊。

电磁感应实验,这是后来画的插图,用电磁铁代替了条形磁铁

我们扯远了。法拉第那个时代他根本想不到这些。他认为这是从磁生电,应该叫磁电感应。现在除了静电、伏打电、生物电,又多了一种磁电。但是他苦恼的是,这种电是不稳定的,只有变化的一瞬间电流表有变化。于是他想到用一个铜盘伸到马蹄形磁铁中间,一根线接在圆盘中心,一根线接在圆盘边缘。连续转动应该能产生持续的电流。但是法拉第的实验不成功,他觉得是马蹄形磁铁太弱了。他记得皇家学会有个非常强的磁铁,但是很不巧,它被皇家军事学院的克里斯蒂教授借去了。法拉第在两年前被聘为皇家军事学院的化学讲师,每年要去讲20次课,和那里的人很熟。10月28日一早,法拉第就上皇家军事学院去了。他在那里做了许多实验,在实验日记上记了45条记录。那块硕大无比的马蹄形磁铁好极了,法拉第用铜盘获得了持续的电流。他果然成功了。

法拉第盘

后来法拉第在皇家学会的会员们面前展示了他的电磁感应实验,而且他还总结出了电磁感应定律。很多人就把1831年称为电气时代元年。从1831年开始,法拉第投身于纯科学的研究。他在电化学方面的贡献也很多。阳极、阴极、电解质等等术语都是他在一位剑桥大学的教授帮助下定下来的。

1839年,法拉第开始著书立说,他写了一本《电学实验研究 》,一开篇就是电磁感应实验。而且他还对已知的电现象做了总结,生物电、静电、磁电等等这些东西都是同一种玩意儿,并没有什么不同。

法拉第效应示意图

1845年,他发现,偏振光在磁场作用下,偏振方向会发生改变。这证明光与磁性也有关联。法拉第模模糊糊的建立起了一种新的思想。电和磁是如何相互转化的呢?为什么电能生磁?他用细铁粉洒在了磁铁的周围,轻轻敲击桌子,铁粉排列成了规则的一根根线条。这就是所谓的磁力线。但是他们为什么会排列成一根根磁力线呢?没有铁粉的话,磁力线还存在吗?这些线条到底表示什么含义呢?法拉第一时也想不清楚。

法拉第从1816年到1818年哲学学会做化学讲座。开始他讲的不算好,但是法拉第联系非常刻苦。他向各位老师求教演讲的技巧。还专门去上有关演讲的课程。从1827年开始到1860年,法拉第在皇家学院做了19次圣诞节讲座,每一次都很认真。为了打磨演讲的技巧,专门请朋友在下面举牌子,提示他慢一点儿,或者是时间快到了。所以他的演讲水平也来越好了。

2012年圣诞科普讲座上,化学家 Peter Wothers 在公众面前表演“现代炼金术”

皇家学院的科普讲座到现在都很有名,法拉第创立的圣诞科普讲座是英国著名的科普品牌。法拉第曾经比较过好几个演讲厅,发现还是皇家学院的大厅效果最好。他挑选题材也是有讲究的,解剖学就不适合讲,你搬着一个尸体在公众面前开膛破肚,这玩意儿口味太重了。最好是实验仪器简单直观,能让大家看清楚。这些事儿少不了助手的帮助。因此法拉第的演讲是团队合作的产物。不是他一个人单打独斗。

1846年维多利亚的家族

从左到右依次为:阿尔弗雷德王子和威尔士亲王 (爱德华7世); 女王和王夫阿尔伯特亲王 ; 公主爱丽丝,海伦娜和维多利亚(德国皇后,威廉二世的母亲)

皇室成员有时候也来听他的讲座,女王的丈夫阿尔伯特亲王带着小王子也来了。太子爷那时候才14岁,他受法拉第的影响,1859年,他还去爱丁堡大学学习了一阵子化学。他是威尔士亲王嘛,牛津剑桥随便他上,但是他并不是一位好学生,哪个大学他都没读完。据说在剑桥还闹出了绯闻,老爹阿尔伯特亲王已经身患重病,他不得不抱病跑到剑桥教育儿子,还要讨论如何处理这事儿,弄不好要绯闻变丑闻,回去没几个礼拜他就英年早逝了。维多利亚女王非常悲痛,后半辈子只穿黑色衣服,为亡夫戴孝。这位太子爷呢,直到60岁才登基坐殿,谁叫他老妈维多利亚女王太长寿呢。这位太子爷就是后来的爱德华7世。

法拉第圣诞讲座,现场有不少小朋友

咱们不扯王室八卦了,说回法拉第。法拉第演讲每次都准备充足,但是也有意外。有一次,法拉第邀请的演讲嘉宾临阵脱逃,人家没来,法拉第只好临时顶上去。他事先没什么准备,全看临场发挥了。这一天法拉第发挥的淋漓尽致。该说的不该说的全说了。他明确的把自己有关场和力线的思想告诉了公众,当然,能听懂的恐怕一个都没有。

实际上,法拉第后30年搞的纯学术研究,他写的那些文章,大部分科学家都不怎么明白。亥姆霍兹说:“每次我看法拉第的论文都快要疯掉了,整整十几分钟才看的下去一页,我在拼命把那些所谓的‘力线’转化成图像,可我还是想不出来它们该是什么样的”。好在有生之年他看到了麦克斯韦的《论法拉第的力线》。麦克斯韦把法拉第自己造的那些稀奇古怪的名词整理的井井有条。

法拉第多年来的心得体会以及研究成果都记录在了他的那本《电学实验研究》里面。这本书直接把两个年轻人推上了历史的舞台。第一个人就是来自苏格兰的麦克斯韦。1854年,他刚从剑桥毕业几个星期就读到了法拉第的书,他兴奋坏了。第二年,麦克斯韦写的第一篇电磁学的论文就发表了,标题是《论法拉第的力线》。写出来以后,他还直接去找法拉第,给他看自己的论文。法拉第一脸蒙圈,因为上面写满了微积分符号,法拉第根本看不懂。

法拉第没受过高等教育,这是他的短板,复杂的数学不是他擅长的,但是他的直觉是一流的。凭什么两块磁铁能够做到同性相斥,异性相吸呢?那些磁力线到底代表什么含义?似乎磁力大小和磁力线密度、分布、走向都是有关系的。库仑定律平方反比似乎也和力线是有关系的。他最先意识到场作为一个物理量的重要性。

场这个概念是很难通俗的讲清楚的。我们每个人模模糊糊的都能有个感觉,但就是说不出来。物质与物质之间是有相互作用的,比如电荷之间就有吸引或者排斥,这种相互作用并不接触。因此似乎电荷周围是有某种看不见的东西存在。法拉第设想从带电体发射出电力线,你越是靠近带电体,电力线越是密集,因此电场也就更强。越是离得远,电力线越稀疏,电场就越是弱,电力线延展到广袤的空间。麦克斯韦用方程式精确地表达了法拉第的这种思想,而且他统一了电和磁。一开始,法拉第和麦克斯韦认为场只是用来帮助我们计算的一种数学工具。但是后来人们越来越感到,场应该是一种物质。这是人们对万事万物的一种全新的认知。理论我就不多讲了,太抽象了。麦克斯韦被公认为第一位理论物理学家不是没道理的。

麦克斯韦擅长数学计算,他吸收了法拉第力线和场的思想,把电磁场和不可压缩的流体的流场相类比,力线就好比流场之中的流线。借助这样的思想,最终推导出了麦克斯韦的电磁方程。经典电磁学就此奠基,麦克斯韦预言了电磁波的存在,光也是电磁波。这是物理学中第一个统一的场论。

麦克斯韦常去找法拉第,两人见面的机会并不少。但是深谈的机会却不多。麦克斯韦发现法拉第衰老了,说话开始含混,开始忘事儿,法拉第出现了失智症的状况。那时候,阿尔兹海默症还没有被发现。估计法拉第可能是这种病,一开始是爱忘事儿,慢慢会变得越来越严重,法拉第也感到自己的精力大不如前了。

法拉第一生淡薄名利,两次让他当皇家学会主席,他都坚辞不就。维多利亚女王和阿尔伯特亲王要封他为贵族,他拒绝了。他一生以自己身为平民为荣,他从小是铁匠的儿子,现在仍然是铁匠的儿子。他几十年都住在皇家学院的楼上里,别的地方高薪挖他,他也不去。他对这座实验室的瓶瓶罐罐和桌椅板凳是有感情的。

女王的丈夫阿尔伯特亲王时不时到皇家学院来拜访。尽管维多利亚女王是虚位元首,没有实权,但是女王的丈夫还是尽量利用影响力来实现某些政治主张,比如全球范围废除奴隶制,还积极主办了第一届万国博览会。1851年万国博览会办的相当隆重,女王很开心啊。以后我们再讲万国博览会。

阿尔伯特亲王也很注重科学研究。他发现法拉第住在皇家学院楼上已经40年了。他找女王要求御赐一套房子给法拉第,于是女王御赐恩典了一套住房。房子很上档次,但是内部乱糟糟的,需要花钱装修,法拉第没钱啊。女王陛下好事做到底,下令把房子装修一新。

法拉第故居已经是二级保护建筑

法拉第1858年从皇家学院搬到了汉普顿法院大道37号居住。御赐恩典居所不需要掏房钱和维护费。这地方原来叫“梅森大师之家”,现在当然改叫“法拉第之家”了。

法拉第的余生就在汉普顿法院大道37号居住。他仍然喜欢做实验,但是他突然发现,现在做的实验几年前就做过了。他完全忘记了。最后一次演讲是在皇家学院星期五晚间讨论会,时间是1862年6月20日,内容是西门子的气体炉,结果讲稿被不小心烧焦了。法拉第站在台上,什么也想不起来了,他只能向大家道歉,他老糊涂了,该退休了。此后他逐渐辞去了一切兼职。安心回家静养。

为了纪念法拉第,把他的头像印在了钞票上,后方插图是他的圣诞讲座

1867年8月25日,法拉第像往常一样,安然坐在他的椅子上睡着了,他再也没有醒来 。如果他愿意被安葬在威斯敏斯特大教堂,与牛顿作伴,那他一定能如愿。因为教派的关系,他安葬在了海格特公墓,出席葬礼的仅有几个人,他生为平民,死为平民。一代科学实验大师就此长眠。当然,在威斯敏斯特大教堂有他的纪念碑。

西门子公司的第一台实用发电机

就在这前后几年。1866年,德国的西门子提出了交流发电机的工作原理,由他公司的一名工程师造出了使实用的交流发电机,西门子开创的企业到现在都是电器巨头。1870年,扎诺·格拉姆发明了实用的电动机,发电与动力都凑齐了,一个新的时代扑面而来。

1868年,一个美国青年看到了法拉第的书《电学实验研究》,立刻疯狂的折腾上了书上的电学实验。那时候他还年轻,电报机房打工,这就是法拉第的那本书推上历史舞台的第二个年轻人。

他是谁?下回再说。

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