电磁感应——磁生电,法拉第找到了一条改变世界的规律
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引言 1826年到1827年,欧姆在科隆那所不起眼的中学里,用自制的仪器找到了电流、电压、电阻之间的关系。他把电学从“这是什么现象”变成了“这里有精确的公式”。 当欧姆的论文在德国无人问津时——实际上在他发表论文之前,英国有一位装订工出身的年轻人,正在皇家研究院的地下室里,思考一个完全不同的问题。 欧姆解决的是:电流在电路中怎么流动。 而法拉第想问的是:电,到底从哪里来? 一、既然电生磁,那磁能生电吗? 1820年,奥斯特做了一个让整个欧洲物理学界沸腾的实验。 一根通电的导线,居然让旁边的磁针偏转了。这意味着电和磁之间,从来就不是两件不相干的事。电流本身就能产生磁场。 消息传到伦敦,传到巴黎,传到柏林。实验室里,人们纷纷重复奥斯特的实验,所有人都兴奋不已。既然电能够生磁,那反过来呢? 磁,能不能生电? 这个问题像一颗种子,落在当时许多物理学家的心里。因为如果电和磁真是相通的,那这条道路就应该是双向的——能从电走到磁,就应该也能从磁走回电。 逻辑确实很完美。 二、一个让欧洲物理学界困惑的问题 但有一个在当时非常现实的问题:没有人成功——这成了物理学界最大的困惑。 他们把磁铁放在线圈旁边,等着电流出现。 什么都没有发生。 他们换更强的磁铁,换更多的线圈,换各种不同的材料。 还是什么都没有。 一次又一次的失败,让许多人开始怀疑:也许这条路根本就走不通?也许电和磁的“相通”不是你想的那样?也许磁根本就不能生电? 物理学界的气氛,从最初的兴奋,慢慢变成了困惑,最后变成了沉默。 到了1824年左右,很多人已经放弃了。大家觉得,这个问题要么是错的,要么就是太超前了——总之,不是现在能解决的。 但有一个年轻人不信邪。法拉第不是个急躁的人。他的实验笔记写得工工整整,每个失败的尝试都记录在案。但他骨子里有一股近乎偏执的信念:自然规律应该是美的、对称的,电和磁不可能只是单向的亲戚。 他没上过什么学,没有任何头衔,甚至不算是一个正式的科学家。可他偏偏觉得,那些大人物们都错了。 他不是在盲目乐观。他的所有直觉都告诉他:电和磁之间一定存在着某种对称性。既然电流能产生磁场,那变化的磁场就一定能产生电流。 这个年轻人叫迈克尔·法拉第。 三、那个最不可能成功的人 法拉第1791年出生在伦敦一个穷苦的铁匠家庭。他上不起学。13岁那年,他到一家书店当学徒,学装订技术。这份工作表面上是糊口,实际上是命运留给他的一个后门——书店里那些旧书,就是他最初的老师。 他利用装订书的空隙,一本一本地读。《百科全书》里关于电学的词条,化学实验的描述,那些他从未见过的知识,就这样印进了他的脑海里。 1812年的一天,一位常来书店的顾客——据说是皇家研究院的会员,注意到这个年轻人对科学知识异常熟悉,便将自己多余的讲座票送给了他。 他去听了著名化学家戴维的课,回去后把笔记整理得干干净净,装订成册,连同一封求职信一起寄给了戴维。 注:汉弗里·戴维(Humphry Davy,1778-1829) 他是当时欧洲最负盛名的化学家之一,英国皇家研究院教授。他发现了钠、钾、钙等多种元素,还发明了矿工安全灯。戴维出身也不富裕,靠自学成才,这也是他愿意收法拉第为助手的原因之一。 戴维看了这份笔记,非常意外。一个没受过系统教育的学徒,能把化学原理理解到这个程度。他收下了法拉第。 但戴维收下这个学徒,并没有想到有一天他会超过自己。几年后,当法拉第在电磁学上做出突破性成果时,戴维的态度从欣赏变成了防备,甚至公开质疑法拉第的研究。这是法拉第一生中最难过的一段经历。 从此,法拉第成了戴维的助手,搬进了皇家研究院的地下室——潮湿、阴冷,空气中弥漫着铜线和绝缘布的气味。白天帮戴维做实验,晚上自己研究电磁学。 1820年,奥斯特的消息传来时,法拉第正在皇家研究院的实验室里。他几乎是第一时间就读到了那篇论文。 他放下手稿,望着实验台上那些线圈和磁铁,问了那个所有人都问过的问题: 既然电和磁能够相互联系,那么磁能不能成为电的来源? 四、十年的执念 奥斯特的发现传开后,所有人都想知道一个问题:电流产生的磁场,能不能让物体动起来? 1821年,法拉第决定回答这个问题。 他做了一个装置:把一根通电的导线放在磁铁旁边——导线开始绕磁铁旋转。 这是世界上第一台电动机的雏形。他证明了电能转化为运动。
但法拉第心里始终装着另一个问题:既然电能让磁针动,那反过来,磁能不能让电“动”起来?也就是说,磁场能不能产生电流? 但“磁生电”的实验,始终没有进展。 1822年,失败。 1823年,失败。 1824年、1825年、1826年……他试了各种磁铁,各种线圈,各种排列方式。什么都没有。 这时候,别人都已经不做了。有的转向了其他课题,有的干脆放弃了电磁学研究。只有法拉第,还在那个地下室里,一遍一遍地重复。 一年,三年,五年,八年。 1828年,他在实验笔记上写道:“将条形磁铁的磁极引入铜线环内部……无论磁铁处于什么位置,都观察不到任何效应”。但他依然在坚持和尝试。 三年又过去了。到了1831年的夏天,法拉第已经四十岁了。他在地下室里待了整整十年。 |






