《物理的故事——在悖论中前行》
第22节作者:
江湖小片 实验现象很简单,铜盘不动,磁针不动;当铜盘转动时,小磁针也渐渐地跟着转动,但是略微有些滞后,就像拉弹簧一样。
1825年,当法拉第得知安培的实验后,敏锐的意识到“磁生电”的答案就在这里面,不过当他重复安培的实验后,却一无所获,甚至连安培的助手说的小小转动都没有,这又是为什么呢?原来,和安培一起实验的助手错将 “铜环”写成了 “铜盘”。可是为什么阿拉果的铜盘又能带动小磁针偏转呢?法拉第做了无数类似的实验,都失败了。
1831年8月,法拉第设计了一个新的实验:
原理图很简单,实际图也不复杂。将一个铁环两边绕上了线圈,一边接电源,另外一边接一个检测电流的小磁针。当开关合上或者断开时,磁针发生偏转,震荡后又回到原来的位置。
法拉第兴奋异常,他认为这必是“感应电流”。感应电流极其短暂,以至于很多人对此无法观测到。与发现电生磁不同,奥斯特是为数不多的坚持电与磁有关联的人,而奥斯特之后,很多科学家一拥而上地寻找磁生电。实际上早在1825年,瑞士科学家科拉顿就做过类似的实验,只是他为了完全摒弃电源那部分线圈对小磁针的影响,将小磁针线圈放置到另外一个屋子里,然而当他从另外一个屋子跑过来时,小磁针早已恢复如初了。科拉顿遗憾地与物理学中这一重大发现失之交臂。
可以说法拉第的发现带有运气成分,但是他后面的理论绝对是天才之作。首先他将产生感应电流的情况拢共分成5类:变化的电流、变化的磁场、运动中恒定的电流、运动的磁和在磁场中运动的导体。
1931年10月,他将电磁现象正式定名为:电磁感应。那又该如何解释电磁感应呢?这才是关键。法拉第为此提出了两个概念“电紧张态”和“磁力线”。
电紧张类似于惯性,为什么磁通过线圈时线圈产生感应电流呢?因为线圈具有某种“惯性”,它像保持原来的样子,就必须产生相反的电流阻止内部的磁发生变化;同样道理,当线圈中的磁减少时,它也会产生与增加时反向的电流,借以告诉别人:我不想改变。
磁力线是在法拉第根据日常生活中的一个小现象得到的启发:将一些铁屑放到白纸板上,下面放一块磁铁,铁屑有规则的分布开来(如下图左图部分)。他将其等效“磁力线”(如下图右图部分):
日期:2017-08-15 08:29:25
电紧张概念似乎比较模糊,至少不如磁力线清晰,所以后来法拉第申明应该放弃电紧张态这一说法。
越明年,法拉第通过实验证实了感应电流和导体的导电能力成正比(即符合欧姆定律),也就证明了感应电流和伏特电堆里产生的电流是一种性质。既然电流是同一种性质,那么产生电流的电动势也是存在的,法拉第提出“感应电动势”的概念,并得出重要结论:感应电流是感应的电动势产生的。与电动势与电流关系一样,有没有感应电流不要紧,感应电动势依然存在,就好水从山上流下来,但是有水没水,山势依然存在。
法拉第研究和大量实验的基础之上,1833年,当时被沙皇俄国统治的爱沙尼亚人楞次(Lenz,1804—1865)总结出楞次定律,确定了磁场中感应电动势的方向;后来在德国人威廉韦伯(Weber,1804-1891)提出了磁通量的概念,可以简单理解为:通过单位面积内磁力线的强度,这个强度是指只磁力线的条数和密度。
至此可以总结一下感应电流产生的条件:
1.闭合回路;
2.穿过闭合回路的磁通量发生变化
再来解释一下安培的实验,由于铜环中的磁通量发生了变化,所以会产生感应电流;而当法拉第将其改为铜盘时,也有感应电流产生,只是铜盘惯性太大,故而不为所见。阿拉果的实验中的铜盘属于在磁场中运动的导体,进而产生了感应电流,感应电流又产生了磁,磁与磁针相互作用,所以小磁针会滞后性地跟着扭动起来。
在百忙之余,法拉第又做了一个载入史册的发明:
摇动手柄、铜盘转动,从铜盘边缘到铜盘圆心相当于一个导体,导体在磁场中运动便能产生感应电流,也就是说可以“发电”了,从此人类拥有了第一部发电机,时间还是1831年,那一年的圣诞节,法拉第在朋友们面前表演新发明,有一位贵族夫人讥笑问道:“这玩意能有啥用?”
“那么,夫人!”法拉第绅士地回答道:“新生的婴儿又有什么用呢?”
新生儿,新生儿,新生的老虎不如猫。在历史不乏有很多发明,都曾饱受了世人的冷嘲热讽过,比如火车跑不过马匹,但是发明永远都不是奢侈。
法拉第在物理学上取了了一系列的成就,但是请不要忘记了他可是当时一等一的化学家戴维的学生。那时候化学和物理学还有很明显的界限,1834年他在用电研究老本行时,总结出“法拉第电解定律”,从而让物理和化学建立起一座桥梁。
法拉第还有一些很重要的实验,比如1843年的“冰桶实验”证明了电荷守恒定律;1845年,法拉第证明了磁光效应:
光通过磁场后,会发生偏转。那个年代光已经被认为是一种波,而且人类已经比较精准地测量到光速。法拉第通过实验证明电、磁、光之间有着千丝万缕的联系。
经过20年的推敲,磁力线的理论终见成型,1852年,他发表《关于磁力的物理线》的论文,首先他就认为磁力线是一种物理性的存在,理由很简单,光、电、磁三者有着说不清道不明的联系。既然有“光线”,那么“磁力线”为什么就不能存在呢?可是磁力线该如何存在?为此法拉第还提出了“场”的概念,磁周围有磁场、电周围有电场。
他还将磁力线推广到物理力线上,他认为力线的概念适用于整个物理事物。只是有个问题,光有速度,而且人类已经知道光线从太阳到地球大约需要8分钟,那么磁力线或者力线的作用应该也是有时间性的,超距作用就是错误的了,也就是说当年库仑和安培将宇宙继续拉入牛顿力学支配之下是有待商榷的。
牛顿力学的统治地位受了严峻的挑战!
日期:2017-08-15 08:29:48
法拉第的一生是光辉的,从少年失学到自学成才,再到站在科学巅峰,一切都如奇迹一般。如果把法拉第的成就换算成金钱,有传记作者认为他当时就值15万英镑,也有人曾说超过全球的股票价值(我不知道这句话的根据,也不知道是哪年的股票,可能连法拉第听别人说才知道原来他那么有钱)。金钱最大的好处是能将一个人的成功量化给他人看,但成功不能和金钱化等号,否则会让人盲从与挣钱,而一味想着挣钱,那就和钱包没什么分别了。法拉第一生从未为金钱折服,他的日子过得清苦,却始终甘之若饴,即便在自己条件很困难的时候。有一年新上任的首相,大约是觉得科学家的工资低的实在不像话了,打算给科学家们发点“国务院津贴”。钱发下之后,首相大人要召见科学家代表,显摆显摆一下,毕竟西方国家一直以支持科学为荣的。
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