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第15章 法拉第与电磁感应

法拉第出生在英国纽因敦城一个普通的铁匠家庭。13~21岁,他在书店当了8年学徒。装订书、卖书的职业,使法拉第有机会接触许多科学界人士。1812年的一天,一位常来买书的皇家学会会员送给他一张听讲券。在讲座上,法拉第聆听了当时举世闻名的化学家戴维的讲话,并深深地为科学的力量所吸引。

法拉第不久,法拉第学徒期满,在另一家印书店当了正式的装订工。新主人很赏识他,许诺让法拉第将来当书店的继承人。然而,法拉第志不在此。他鼓足勇气,写了封信给戴维,希望戴维能帮他谋到一个能够接触技术的职位。

戴维热情地接待了法拉第,劝法拉第再慎重考虑一下自己的理想。他风趣地说:“科学好比一个性情怪僻的女子,你尽管对她倾注满腔热情,可是得到的报酬却极其微小!”

精诚所至,金石为开。1813年,法拉第的愿望终于实现了。他进入皇家学院实验室,给戴维当助理实验员。几个月以后,他得到了一次非常难得的学习机会——随戴维去欧洲进行学术考察。旅行给法拉第留下难忘的印象。他的日记里,详细记载了戴维在各地的讲学内容、实验记录,以及各国科学家的实验方法、风格特长;沿途所见的自然景象、风土人情,也引起了他莫大的兴趣。法拉第生性乐观,富于同情心,对大自然和生活在底层的劳动人民怀着深切的热爱。这次旅行,更坚定了他献身科学、造福人类的信念。

一回到伦敦,法拉第就扎实地干起实验室工作来。在两三年的时间里,经过实际锻炼,法拉第具备了出色的实验才能。在戴维的指导下,他开始走上独立研究的道路。

戴维1816年,25岁的法拉第初露锋芒,在《科学季刊》上发表了第一篇化学论文。1818年,法拉第写了一篇关于火焰的学术报告,大胆指出了名家理论的谬误。“名师出高徒”,他在戴维的引导下,刻苦钻研、勤奋工作,终于成为一个年轻有为的化学家。

1681年夏,一艘航行在大西洋的商船遭到雷击,结果船上的3只罗盘全部失灵:两只退磁,另一只指针倒向。还有一次,意大利一家五金店被闪电击中,事后发现一些钢刀被磁化。由于当时连闪电的性质都没有搞清,这些现象谁也解释不了。100多年来,电磁之谜成了许多科学家探索的目标。

1820年,奥斯特公布了他的发现:把通电的导线放在磁针上方,磁针竟会发生偏转。这个发现立刻引起了整个物理学界的轰动。人们本来认为毫不相关的两种现象,竟有这样奇妙的关系。这个发现成了近代电磁学的突破口,各国科学家纷纷转向电磁研究。

法拉第完全懂得这个发现具有不可估量的意义。他决心沿着奥斯特打开的缺口,作进一步的探索。在戴维的鼓励下,青年化学家毅然闯进了电磁学这个未知的物理领地。

法拉第决定从实践中探索奥秘。他把收集到的有关电磁现象的资料,详细地进行比较研究,并且一一用实验来重新检验。实验进展很快,也很有趣。1821年夏,他在《哲学年报》上发表了有关电磁研究进展的论文。在这篇论文中,法拉第把电流对磁针的作用力称作“转动力”,虽然从理论上讲这也没有触及本质,但是他却在实验中巧妙地运用这种“转动力”,让一块磁铁绕着一条电流连续转动,或是使一条载流导体绕磁铁不停地旋转。

不久,安培发表了研究报告。法拉第同安培不谋而合。

初次成功使法拉第受到很大鼓舞。他信心更大了,决心为电磁学这门崭新的科学当个开路先锋。根据大量的实验,他确信电和磁就像铜币的图案和字样,是同一事物的两面。既然电流可以产生磁,那么为什么磁不能产生电流呢?1821年秋,法拉第在日记里写下了一个闪光的设想,“从磁产生电!”

这是一次艰苦卓绝的攀登,为了实现这个目标,法拉第经历了无数次失败,进行了长达10年的实验研究。

那是一个繁琐的实验:

用铜线在几米长的木棍上绕一个线圈,铜线外面缠着布带以便绝缘。然后在第一层线圈外面,用同样的方法绕上第二层、第三层,直至第十二层,每层之间都是绝缘的。

把第一、三、五等奇数层串联起来,再把第二、四、六等偶数层串联起来,这样就制成了两个紧密结合而又互相绝缘的组合线圈。最后,把其中一组线圈接到开关和电瓶上,另一组线圈接在电流计上。接通电源,指针不动;增加电瓶,增大电流,指针还是不动!

法拉第并没有绝望,而是在崎岖的道路上坚持不懈地进行探索。转眼之间10年过去了。

1831年是法拉第一生中最难忘的一年。这一年的秋天似乎格外晴朗。天气已经有些凉意,法拉第还是穿着那件朴素的外套,在实验室里紧张地工作。他的电学实验进入了最关键的阶段。

这时,法拉第已经把电池组增加到120个电瓶。这意味着初级线圈的电流同最早相比,增大了120倍。他用做实验的线圈,也不知更换了多少。

法拉第全神贯注地操作着,他小心翼翼地合上电闸,更大的电流通过线圈,不一会导线就发热了。法拉第转过头注视着电流计,指针像是固定了一样,还是纹丝不动。

这是为什么呢?

他复查了全部实验记录,对设计思路、实验方法也都作了反省,并且逐件检查了实验器具,连一根导线都不放过。在检查电流计的时候,法拉第无意中注意到:他每次实验都是先接通电源,再转过头来观测电流计。

问题会不会就出在这里呢?

法拉第圆盘发电机他马上把实验台重新布置好,进行检验。这次法拉第特地把电流计摆在电源开关旁边,以便操作时他的目光可以一直监视指针。

法拉第目不转睛地盯着电流计,然后用手合上了电源开关。就在线路接通的一刹那,电流计指针跳动了一下!这个时间非常短暂,稍不留意就发现不了。法拉第过去的多次实验都忽略了这个细节,这次终于捉住了这个稍纵即逝的“一刹那”。

法拉第乘胜前进,又改进了实验仪器。

他用软铁环代替木棍的线圈的芯子,效果更明显。在断开或者接通初级线圈电流的一刹那,次级线圈连接的电流计上的指针摆动得很厉害。

法拉第开始思考了。从表面上看,这个实验是从初级电流感应出次级电流,换句话说,是从电变成电,好像同磁没有关系。但是反过来说,如果这个发现仅仅意味着“从电变成电”,那又有一个问题不好解释——为什么要在初级电流接上或者断开的一瞬间,次级线圈才有电流产生呢?这种初级电流的突变会不会同磁有关系呢?

为了弄清这个疑难问题,法拉第继续进行实验。几天以后,他进一步发现,如果改变初级线圈和次级线圈间的位置,或是改变初级线圈的电流强度,次级线圈也有感应电流产生。法拉第顿时明白了,一定是初级线圈的电流产生的磁的作用,使次级线圈感应出电流。为了证实这个判断,法拉第索性把初级线圈拆掉,用一块磁铁来取代它。他让磁铁穿过次级线圈环,电流计的指针也随着磁铁的运动而摆动。谜底终于被揭开了:正是运动着的磁产生了电流。这就是著名的电磁感应现象,它揭示出电和磁可以互相转化的辩证关系,为近代电磁学奠定了基础。

再说法拉第发现了“动磁生电”现象之后,很快总结它的规律:闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时,导体中就会产生电流。这一规律启发了法拉第去研制一种发电机:使导体有规律地切割磁力线,从而产生一股持续的电流来。经过几天的琢磨,1831年10月28日法拉第在他的日记本上画出了他构想的发电机草图(如图):将一个固定在转动轴上的圆盘,放置在两个磁极之间不断地转动。显然可以把圆盘看成是许多根长度等于半径的铜狭条组成的。在转动圆盘时,每根铜条都要切割磁力线。将外电路的两端分别接到发电机的转轴和圆盘的边缘时,外电路和圆盘构成了闭合回路,电流就产生了。

法拉第的构想被实验证实了——圆盘发电机很快造出来了。一天法拉第在皇家学会表演他的发电机时,一位贵妇人冷冷地说:“这玩意儿有什么用呢?”法拉第机智地回答:“夫人,你不应当去问一个刚出生的婴儿会有什么出息,谁也不能预料婴儿长大成人之后会怎么样?”知识点电泳电泳,是在确定的条件下,带电粒子在单位电场强度作用下,单位时间内移动的距离(迁移率)为常数,是该带电粒子的物化特征性常数。不同带电粒子因所带电荷不同,或虽所带电荷相同但荷质比不同,在同一电场中电泳,经一定时间后,由于移动距离不同而相互分离。分开的距离与外加电场的电压与电泳时间成正比。在外加直流电源的作用下,胶体微粒在分散介质里向阴极或阳极做定向移动。利用电泳现象使物质分离,这种技术也叫做电泳。胶体有电泳现象,证明胶体的微粒带有电荷。各种胶体微粒的本质不同,它们吸附的离子不同,所以带有不同的电荷。

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