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迈克尔·法拉第

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迈克尔·法拉第
Michael Faraday
Michael Faraday. Oil painting. Wellcome V0017856.jpg
出生(1791-09-22)1791年9月22日
 英国英格兰纽因顿
逝世1867年8月25日(1867岁-08-25)(75岁)
 英国英格兰伦敦汉普顿宫
居住地 英国
国籍 英国
知名于电磁感应
奖项科普利奖章(1832年、1838年)
皇家奖章(1835年、1846年)
科学生涯
研究领域物理学化学
机构皇家研究院英语Royal Institution
博士导师汉弗里·戴维
签名
Michael Faraday signature.svg

迈克尔·法拉第(英语:Michael Faraday,1791年9月22日-1867年8月25日),英国物理学家,在电磁学电化学领域做出许多重要贡献,其中主要的贡献为电磁感应抗磁性电解

虽然法拉第没有得到足够的正式教育,却成为历史上最具有影响力的科学家之一。[2]实际上他确实也时常被认为是科学史上最优秀的实验家。[3][4]他详细地研究在载流导线四周的磁场,想出了磁场线的点子,因此建立了电磁场的概念。法拉第观察到磁场会影响光线的传播,他找出了两者之间的关系。[5][6]他发现了电磁感应的原理、抗磁性、法拉第电解定律。他发明了一种电磁旋转机器,这就是今天电动机的雏型。由于法拉第的努力,电磁现象开始出现于具有实际用途的科技发展。

法拉第在化学上也颇有建树,他发现了,研究氯晶笼化合物,发明了本生灯的早期形式及氧化数,同时也推广了阳极阴极电极离子等术语。他最终当上了第一位也是最重要的大英皇家科学研究所的富勒化学教授。

法拉第虽然是一位优秀的实验家,能够用清楚与简单的语言传达思想,但其数学能力比较薄弱,只限于懂得使用最简单的代数,对其它更高阶的数学像是三角学并不熟悉。所以后来由詹姆斯·麦克斯韦,综合了法拉第与其它学者的研究,写下了麦克斯韦方程,成为现代电磁理论的基石。为了纪念法拉第,在国际单位制里,电容的单位是法拉

生平

迈克尔·法拉第肖像画,由Thomas Phillips所作 c1841-1842[7]
迈克尔·法拉第肖像画,由Thomas Phillips所作 c1841-1842[7]

法拉第出生于英国伦敦纽因顿,接近现在的象堡。法拉第家的经济状况并不好,他的父亲詹姆士是个铁匠以及基督教桑德曼派的一员,于1780年代从英格兰的西北部来到伦敦。由于家境贫穷,因此他只好靠自学求取知识。14岁时,他成为书本装订商及销售人乔治·雷伯的书店中的不支薪跑腿工。当时的报纸是让很多人轮流租阅的,因此法拉第的工作就负责收送报纸给客人看。由于老板雷伯很欣赏他的工作态度,就在1805年将法拉第提升为学徒,并且不收学费[8],这对于家境贫困的法拉第来说,是很幸运的一件事。7年学徒生涯中,他读过大量书籍,包括以撒华滋的“悟性的提升”,书中对于学习的原则与建议,法拉第一直遵行不辍。另外,他也从由珍·玛西英语Jane Marcet女士所写的“化学闲聊”中得到很多启发。在这些大量的阅读之中,法拉第渐渐树立起对科学的兴趣,这其中,又以电学为甚。

1812年,时龄二十岁,随着门生生涯走入尾声,法拉第开始旁听由赫赫有名的皇家研究机构的一员以及英国皇家学会会长汉弗里·戴维爵士以及市立哲学协会的创始者约翰·塔特姆英语John Tatum (scientist)所开的演讲。参加这些演讲的门票大多是由威廉·谭斯(皇家爱乐协会的创办人之一)给予法拉第。之后有一次,法拉第将自己在演讲中细心抄录,并旁征博引,内容达三百页的笔记拿给戴维过目,戴维给予他相当友善且正面的答复。也因此,戴维在一次三氯化氮实验中发生意外,视力受损之后,便雇用了法拉第作为他的秘书。当皇家研究院中一位助手约翰·培恩离开后,他们便请求戴维寻找替代人选。戴维在1813年3月1日推荐法拉第成为化学助理。由于法拉第在印书店的新雇主亨利·德拉罗许脾气暴躁,他毫不犹豫的离开了这份旧工作。[9]

此漫画呼应法拉第1855年7月7日发表的投书,说明他用白卡片做实验,以白纸迅速下沉看不见的结果,说明伦敦泰晤士河污染的严重程度
此漫画呼应法拉第1855年7月7日发表的投书,说明他用白卡片做实验,以白纸迅速下沉看不见的结果,说明伦敦泰晤士河污染的严重程度

在当时的阶级分明的英国社会中,出身卑微的法拉第并不被认同为一个绅士。在1813年五月,戴维展开一次长期的欧洲巡回。由于他的侍从并不想跟从,法拉第原本是以助手的身份跟去,却被要求同时作戴维的仆人,直到在巴黎找到人代替为止。戴维最后没有找到代替者,法拉第也因此被强迫在整个旅行中同时兼任仆人与助手。戴维的妻子珍·亚普莉丝英语Jane Davy不愿意平等对待法拉第,旅行时要他坐在马车外,与佣人一起吃饭,法拉第的处境越来越凄惨,甚至开始考虑独自回到英国放弃科学研究。不过这次旅行,也让他接触了欧洲许多的科学菁英,刺激出他许多想法。逆境最终没有阻挡住法拉第在科学上的贡献。在旅行过后不久,法拉第的成就便超越了戴维。

他的赞助者兼顾问约翰·富勒皇家研究院英语Royal Institution创立了富勒化学教授这个职位,法拉第获选为第一任富勒化学教授。

在1824年,他被选为皇家学会院士,并于1825年被指派为实验室主任。1833年他被选为皇家研究院终身职,任职而不需讲课。

法拉第是一名高度虔诚的教徒,他是桑德曼派(苏格兰国教会的一分支)的信徒,曾在其中任两任长老。此教派是由苏格兰长老会牧师格拉斯(John Glas)于1730年创立,此教要求完全的信奉和承诺。传记学家曾经认为“一种神与自然融为一体的感觉贯穿了法拉第的生活与工作”。[10]法拉第在1821年娶沙拉·巴娜德为妻,不过膝下无子。他们由于参加桑地马尼安教会而认识。

虽然法拉第只受过很少的正式教育,这使得他的高等数学知识(例如微积分)相对有限,但不可否认,法拉第仍是历史上最有影响力的科学家之一[11]。某些史学家[12]认为他是科学史上最优秀的实验主义[13]。其科学知识可能主要是在担任另一科学家戴维的助手时所学习而来,因而虽然法拉第不曾受过高等教育,但仍可把汉弗里·戴维视为法拉第的指导教授[14]

科学成就

电磁学

他在电磁学方面的贡献最为显著。纪录中法拉第最早的实验乃是利用七半片便士、七片片以及六片浸过盐水的湿纸做成伏打电池。他并使用这个电池分解硫酸镁

1821年,在丹麦化学家汉斯·奥斯特发现电磁现象后,戴维和威廉·海德·沃拉斯顿尝试设计一部电动机,但没有成功。法拉第在与他们讨论过这个问题后,继续工作并建造了两个装置以产生他称为“电磁转动”的现象:由线圈外环状磁场造成的连续旋转运动。他把导线接上化学电池,使其导电,再将导线放入内有磁铁池之中,则导线将绕着磁铁旋转。这个装置现称为单极电动机。这些实验与发明成为了现代电磁科技的基石。但此时法拉第却做了一件不智之举,在没有通知戴维跟渥拉斯顿情况下,擅自发表了此项研究成果。此举招来诸多争议,也迫使他离开电磁学研究数年之久。

在这个阶段,有些证据指出戴维可能有意阻碍法拉第在科学界的发展。如在1825年,戴维指派法拉第进行光学玻璃实验,此实验历时六年,但没有显著的进展。直到1829年,戴维去世,法拉第停止了这个无意义的工作并开始其他有意义的实验。在1831年,他开始一连串重大的实验,并发现了电磁感应,虽然在福朗席斯科·札德启英语Francesco Zantedeschi稍早的工作可能便预见了此结果,此发现仍可称为法拉第最大的贡献之一。这个重要的发现来自于,当他将两条独立的电线环绕在一个大铁环,固定在椅子上,并在其中一条导线通以电流时,另外一条导线竟也产生电流。他因此进行了另外一项实验,并发现若移动一块磁铁通过导线线圈,则线圈中将有电流产生。同样的现象也发生在移动线圈通过静止的磁铁上方时。

他的展示向世人建立起“磁场的改变产生电场”的观念。此关系由法拉第电磁感应定律建立起数学模型,并成为四条麦克斯韦方程组之一。这个方程组之后则归纳入场论之中。

法拉第并依照此定理,发明了早期的发电机,此为现代发电机的始祖。

1839年他成功了一连串的实验带领人类了解电的本质。法拉第使用“静电”、电池以及“生物生电英语Bioelectromagnetics”已产生静电相吸、电解、磁力等现象。他由这些实验,做出与当时主流想法相悖的结论,即虽然来源不同,产生出的电都是一样的,另外若改变大小及密度(电压及电荷),则可产生不同的现象。

在他生涯的晚年,他提出电磁力不仅存在于导体中,更延伸入导体附近的空间里。这个想法被他的同侪排斥,法拉第也终究没有活着看到这个想法被世人所接受。法拉第也提出电磁线的概念:这些流线由带电体或者是磁铁的其中一极中放射出,射向另一电性的带电体或是磁性异极的物体。这个概念帮助世人能够将抽象的电磁场具象化,对于电力机械装置在十九世纪的发展有重大的影响。而这些装置在之后的十九世纪中主宰了整个工程与工业界。

1845年他发现了被他命名为抗磁性(diamagnetism)现在则称为法拉第效应的现象:一个线性偏振的光线在经过一物体介质时,外加一磁场并与光线的前进方向对齐,则此磁场将使光线在空间中划出的平面转向。他在笔记本中写下:‘我终于在“阐释一条磁力曲线”—或者说“力线”—及“磁化光线”中取得成功。’("I have at last succeeded in illuminating a magnetic curve or line of force and in magnetising a ray of light")。这个实验证明了光和磁力有所联系。

在对于静电的研究中,法拉第发现在带电导体上的电荷仅依附于导体表面,且这些表面上的电荷对于导体内部没有任何影响。造成这样的原因在于在导体表面的电荷彼此受到对方的静电力作用而重新分布至一稳定状态,使得每个电荷对内部造成的静电力互相抵销。这个效应称为遮蔽效应,并被应用于法拉第笼上。

因为法拉第并未受过很多正式教育,其数学能力与其他科学家相比显得相对薄弱,只能计算简单的代数,甚至难以应付三角学。但他是一个很好的实验学家,且懂得使用条理清晰且简单的语言表达他科学上的想法。他的实验成果后来被詹姆斯·克拉克·麦克斯韦使用,并建立起了现在电磁理论的基础方程。

化学

法拉第最早的化学成果来自于担任戴维助手的时期。他花了很多心血研究气,并发现了两种碳化氯。法拉第也是第一个学者实验(虽然较为粗略)观察气体扩散,此现象最早由约翰·道尔顿发表,并由托马斯·格雷姆约翰·洛施密特揭露其重要性。他成功的液化了多种气体;他研究过不同的合金,为了光学实验,他制造出多种新型的玻璃。其中一块样品后来在历史上占有一席之地,因为在一次当法拉第将此玻璃放入磁场中时,他发现了偏振光的偏振平面受磁力造成偏转及被磁力排斥。

法拉第在戴维去旅行时曾代理职务,并接受分析委托,其中最著名的三项委托是[来源请求]:分析源自托斯卡尼的天然生石灰[15]原住土著的标枪头研究(分析出“矽钢”)和大马士革骑兵弯刀(发现古叙利亚可能有矿场,并加入矿使之轻巧但却锋利无比,连西方骑兵重军刀都能被削断。后来经过不断的尝试之后,发明了“碳钢”,终于使大英帝国的骑兵在中东战场能够击破大马士革的弯刀)[16][可疑]

他也尽心于创造出于一些化学的常用方法,用结果、研究目标以及大众展示做为分类,并从中获得一些成果。

他发明了一种加热工具,是本生灯的前身,在科学实验室广为采用,作为热能的来源。

法拉第在多个化学领域中都有所成果,发现了诸如等化学物质(他称此物质为双碳化氢(bicarburet of hydrogen)),发明氧化数,将如氯等气体液化。他找出一种氯水合物的组成,这个物质最早在1810年由戴维发现。法拉第也发现了电解定律,以及推广许多专业用语,如阳极阴极电极离子等,这些词语大多由威廉·惠威尔发明。由于这些成就,很多现代的化学家视法拉第为有史以来最出色的实验科学家之一。

晚年

法拉第之墓(与妻子莎拉合葬)
法拉第之墓(与妻子莎拉合葬)

1848年,受到艾伯特王夫引见,法拉第受赐在萨里汉普顿宫恩典之屋英语Grace and favour,并免缴所有开销与维修费。这曾是石匠师傅之屋,后称为法拉第之屋,现位于汉普顿宫道37号(No.37 Hampton Court Road)。1858年,法拉第退休后在此定居。

在有生之年中,他推辞了封爵并且两次拒绝成为皇家学会会长

1867年8月25日,法拉第在位于汉普顿宫的家中去世。英国伦敦西敏寺里,艾萨克·牛顿旁座落着他的纪念碑。但他生前表示不愿葬在西敏寺,而是入土于桑德曼派海格特公墓中。

影响

他在皇家研究院提供了大量成功的物理及化学演讲,名为“蜡烛的化学史英语The Chemical History of a Candle”;这个演讲成为了现在每年英国皇家科学院圣诞讲座之起源,此演讲并以法拉第为名。法拉第和威廉·休艾尔发明了许多如“电极”、“离子”等耳熟能详的字。

由于道德原因,法拉第拒绝参与为克里米亚战争制造化学武器。在伦敦萨弗伊广场,电工程师协会外,耸立着一个法拉第的雕像,而在布鲁内尔大学新建的一个接待厅以法拉第为名。

他的照片在1991年至2001年时,被印在20元的英镑纸币上。南极洲的前英国实验室:法拉第气候研究站以他为名,而电容则以法拉作为单位。此外,一摩尔的电子所含的电量(约96485库仑)也称为法拉第常数,让世人缅怀他在电学上无与伦比的贡献。法拉第电磁感应定律陈述一随时间改变的磁通量会创造电动势。法拉第在英国皇家研究院(Royal Institution)中任富勒里安化学教授英语Fullerian Professor of Chemistry,并指为终身职。在所有任过此职者中,法拉第为第一个,也是最为出名的学者。

阿尔伯特·爱因斯坦在他书房的墙上挂着三幅画像,分别是:法拉第、牛顿麦克斯韦[17]

相关条目

参考文献

  1. ^ 存档副本. [2007-05-19]. (原始内容存档于2006-10-02).  英国博物馆图象
  2. ^ Hart, Michael H. The 100: A Ranking of the Most Influential Persons in History. New York: Citadel Press. 2000. ISBN 0-89104-175-3. 
  3. ^ Russell, Colin. Michael Faraday: Physics and Faith. New York: Oxford University Press. 2000. ISBN 0-19-511763-8. 
  4. ^ "best experimentalist in the history of science." (页面存档备份,存于互联网档案馆) Quoting Dr Peter Ford, from the University of Bath’s Department of Physics. Accessed January 2007.
  5. ^ Michael Faraday页面存档备份,存于互联网档案馆) entry at the 1911 Encyclopaedia Britannica hosted by LovetoKnow Retrieved January 2007.
  6. ^ "Archives Biographies: Michael Faraday", The Institution of Engineering and Technology.. [2012-12-26]. (原始内容存档于2011-09-29). 
  7. ^ See National Portrait gallery NPG 269页面存档备份,存于互联网档案馆
  8. ^ 存档副本. [2016-01-04]. (原始内容存档于2022-03-21). 
  9. ^ (根据张文亮著的《电学之父--法拉第的故事》,法拉第在数月后于皇家学院课堂进行同样的“三氯化氮液化”教授课程的时候,一样发生了爆炸。幸好法拉第当时有戴上化学护目镜得免于影响眼睛,但是手指却因来不及反应导致指甲被炸裂。)
  10. ^ Baggott, Jim. The myth of Michael Faraday: Michael Faraday was not just one of Britain's greatest experimenters. A closer look at the man and his work reveals that he was also a clever theoretician. New Scientist. 2 September 1991 [2008-09-06]. (原始内容存档于2008-12-05).  参数|journal=与模板((cite web))不匹配(建议改用((cite journal))|website=) (帮助)
  11. ^ http://kexueziyuan.bokee.com/viewdiary.13241106.html. [2007-10-07]. (原始内容存档于2015-04-02).  外部链接存在于|title= (帮助)
  12. ^ Russell, Colin. Michael Faraday: Physics and Faith. New York: Oxford University Press. 2000. 
  13. ^ "best experimentalist in the history of science."页面存档备份,存于互联网档案馆) Quoting Dr Peter Ford, from the University of Bath’s Department of Physics. Accessed January 2007
  14. ^ 张文亮. 電學之父─法拉第的故事. 文经社. 1999. ISBN 9576632463. p.199,“大雪缤纷之夜”,该段落指出戴维曾说:“我一生最大的发现,是发现了法拉第。”法拉第也多次告诉他人,戴维给他的一生帮助最大。
  15. ^ Tyndall, John. 4. Faraday As A Discoverer. [2012-09-30]. (原始内容存档于2015-09-24). 
  16. ^ 《电学之父-法拉第的故事》张文亮着
  17. ^ "Einstein's Heroes: Imagining the World through the Language of Mathematics", by Robyn Arianrhod UQP, reviewed by Jane Gleeson-White, 10 November 2003, The Sydney Morning Herald.

外部链接

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