法拉第：平民科学家和他的电磁奇迹

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法拉第：平民科学家和他的电磁奇迹

原创 关注全球科研的 科学方程式 2024 年 09 月 23 日 13:39 北京

1831 年的这场实验过后，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）如释重负。

和他猜测的一样，感应环生效了，无论是连接还是断开电池，都会引发连接线圈的磁通量变化，从而影响另一根线圈产生瞬态电流。

相关研究实验，他断断续续做了十年，不断去挖掘电和磁之间的奇妙联系。


1831 年法拉第铁环实验示意图：他将两根绝缘线圈缠绕在一个铁环上，一根连通电池，另一根插入电流计。

在那个电还是奢侈品、电灯泡都还没有被发明的年代，法拉第的实验不仅促成了发电机的问世——人类生产生活终于用上了电，还长远地影响着我们今天的生活。从家用电器电磁炉、电视机，到通讯、电力、工业设备，甚至是手机的无线充电装置，都是应用了电磁感应原理。

毫无疑问，法拉第是十九世纪最伟大的实验物理学家。除了发现电磁感应现象，他的重要成就还包括抗磁性、法拉第电解定律，以及作为化学家发现了苯。

1791 年 9 月 22 日，也就是 233 年前的今天，法拉第出生于平民家庭。但他凭借着永不满足的好奇心和强烈的成功意志，突破了阶级出身，成为影响世界的顶尖科学家。

“现代物理学之父”爱因斯坦（Albert Einstein）将他的肖像与牛顿、麦克斯韦的肖像并列挂在书房。“核物理学之父”欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）评价他道：“当我们考虑到法拉第的发现的重要性和范围，以及这些发现对科学和工业进步的影响时，我们对法拉第的纪念是无上的荣誉，他是有史以来最伟大的科学发现者之一。”


迈克尔·法拉第（1791-1867），英国物理学家、化学家。他最重要的贡献为电磁感应、抗磁性、电解定律。

01  发现电磁感应，开启电力时代

十九世纪初是实验物理学的辉煌时期，但同时也是人们对电的本质感到困惑的时期。

1799 年，意大利化学家亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta）发明了第一块现代电池，人们才开始真正意义上的使用电、研究电。

到了 1820 年左右，丹麦科学家汉斯·奥斯特 (Hans Christian Orsted) 和法国物理学家安德烈-马里·安培 (André-Marie Ampère) 先后发现，通过某种形式可以将电转换为磁。

那么反过来，磁可以转换为电吗？

彼时，法拉第的老板——英国皇家学会会长、化学家汉弗里·戴维（Humphry Davy）对这个问题非常感兴趣。如果电和磁可以相互转换，就可以设计出一台电动机，将电能转化成机械能，大大提升工厂的生产效率。

可惜戴维没有成功。他将这项工作转而交给助理法拉第继续跟进，电与磁的关系也引起了法拉第的兴趣。


汉弗里·戴维（1778-1829），英国化学家，是发现化学元素最多的人，被誉为“无机化学之父”。1813 年，他在一次化学事故中视力受损，遂聘请法拉第作为他的助手。

在开篇的实验之后，法拉第想要进一步证明普通磁力也可以产生电。于是，动手能力极强的他又设计了一个实验，就是那个我们都熟悉的、在全世界的课堂上都演示过的实验：

如果他将磁铁快速推入或移出一个空心线圈，可以看到电流计的指针发生偏转。如果将线圈移到静止的磁铁上，同样也会产生电流。



在短短两个月内，法拉第通过一系列开创性的实验，证明了变化的磁场会产生电场。这一发现不仅为理解电的本质奠定了基础，也为电的实际应用奠定了基础。


基于电磁感应，法拉第发明了世界上第一台电磁发电机，又称法拉第圆盘。随着发电机的发展和普及，将在十九世纪末引发第二次科技革命。

法拉第也感受到了，一个全新的科技时代即将启幕。他迫不及待地将实验结果整理成论文《电的实验研究》，于 1832 年正式发表在皇家学会《哲学学报》。从此，法拉第的名字和电磁感应紧紧绑定在了一起。

电磁感应现象

只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应，产生的电流叫作感应电流。

法拉第电磁感应定律（简称法拉第定律）

由于法拉第只学过基础代数，不知道如何用数学公式解释他的理论，所以该定律是由苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于 1865 年正式提出的。该定律在电磁学中的地位，可以与牛顿力学第二定律在力学中的地位相媲美。

根据法拉第电磁感应定律，当磁通量发生变化（因为磁场发生变化，或者因为线圈移动或变形，或两者兼而有之），线圈将获得一个电动势，其定义为单位电荷绕线圈一周后可用的能量。

用数学方式陈述，可表达为：任何闭合电路中的感应电动势等于电路所包围的磁通量随时间变化的负值。



其中，ΦB 是磁通量。磁通量由表面积分定义：



对于磁场中的线圈，我们将表面写为 Σ(t) 。dA 是移动表面 Σ(t) 的面积矢量，B 是磁场，B·dA 是表示通过 dA 的磁通量元素的矢量点积。

用更直观的方式来说，通过线圈的磁通量与通过线圈的磁场线数量成正比。

02  探究电的本质，收获电解定律

伴随着磁产生电的发现，一个争论了多年的课题再次变得复杂。电的本质究竟是统一的，还是各有不同？

当时的主流观点认为，电分为不同形式。比如电鳗释放的电，和雷电不同，和静电不同，和伏打电池产生的电也不同。

1832 年，法拉第完成了一系列旨在探究电的基本性质的实验。结果证明：不管电的来源是什么，都会产生统一的化学、电磁以及其他的效应。

各种方式产生的电都是相同的，只是量与强度不同，或产生的机制与现象不同而已。

随着法拉第对这个问题的深入研究，他有了两个惊人的发现：

1. 在电解过程中，物质在电极生成的质量，与通过电极的电量成正比。

2. 在电解过程中，使用相同的电量，不同物质在电极生成的质量，与该物质的当量重量成正比。

这两条就是著名的法拉第电解第一定律和第二定律，适用于一切电极反应的氧化还原过程，是电化学反应中的基本定量定律。

法拉第笼（Faraday cage）

法拉第在研究电的本质过程中，还有一个附加成果——发明了“法拉第笼”。它是由导电材料制成的容器或防护罩，可以阻挡笼子外部的电磁辐射，保护里面的物体不受任何静态、非静态的电荷或辐射的影响。

虽然法拉第笼的原理和结构都很简单，但是它和电磁感应一样，使用场景非常广泛。从飞机、汽车，到微波炉、电视，甚至是医院里的核磁共振成像，都需要用到它。


该动画展示了法拉第笼的工作原理。当施加外部电场（箭头）时，金属中的电子 （小球）会移动到笼子的左侧，使其带负电荷，而原子核剩余的不平衡电荷会使右侧带正电荷。这些感应电荷会产生一个相反的电场，从而抵消整个盒子中的外部电场。

03  实现命运逆袭，用知识回馈社会

很难想象，从未接受过系统教育的法拉第，是如何从装订厂学徒步入学术巅峰的？

1791 年 9 月 22 日，法拉第出身于英国一个铁匠家庭。家里一穷二白，幼年的法拉第被送去伦敦的一家书店当装订学徒。

七年的学徒生涯虽然辛苦且挣不了多少钱，但法拉第还是觉得自己很幸运。他可以借工作的便利阅读大量书籍，渐渐的，开始对科学产生了兴趣。

一位熟客知道法拉第喜欢听讲座，送给了他皇家学会戴维爵士的讲座门票。虽然我们已经知道，法拉第将在日后成为戴维的助手。但是这份因缘，并不是单纯地等来的，而是法拉第写下 300 多页讲座笔记换来的认可。

戴维说过，他这一辈子最重要的发现就是法拉第。然而他俩的关系，却始终伴随着师徒竞争的压力与危机。直到 1829 年戴维去世，法拉第的实验成果才逐渐引起了科学界的关注。

1833 年，法拉第成为英国皇家研究院第一位富勒化学教授。这一职位是为法拉第专门设立的，不需要讲课，其赞助人和导师是有着“疯狂杰克”之称的慈善家约翰·富勒（John Fuller）。

成名后的法拉第除了继续从事电磁、化学研究，也开始自告奋勇向公众普及科学知识。在他的建议下，英国皇家学会设立了“周五讲座”。

年少的他体会过普通人对于学习机会的渴望，所以他将公开演讲列入定期工作之一。从 1826 年到 1862 年退休，一共进行了 100 多次演讲，以自身所长回馈社会。


1827 年至 1860 年，法拉第同时也在伦敦皇家研究院举办了 19 场圣诞讲座。

04  保持一生谦逊，做朴实的法拉第先生

1855 年以后，64 岁的法拉第开始快速衰老。虽然他仍不时地做实验，但是再没有任何结果产出了。

不过，他给麦克斯韦留下的钥匙，足以打开二十世纪物理学的大门。

同一年，麦克斯韦发表了研究论文《论法拉第的力线》。法拉第看到论文后找到了麦克斯韦，鼓励他在电磁学方面继续深入。1865 年，麦克斯韦基于法拉第的实验结论，完整描述了电磁现象的本质和规律，统一了电磁学。

遗憾的是，法拉第没能看到电磁学的兴盛发展。1867 年 8 月 25 日，法拉第在汉普顿宫的家中辞世，享年 75 岁。他的发明和发现，至今影响着我们生活的世界。

回顾他的一生，是平民小人物逆袭成杰出科学家的励志故事。年轻时，凭借个人天赋，自学成才；中年时，面对逆境，选择忍辱负重；取得成就之后，法拉第依然保持低调，淡泊名利。

他两度拒绝出任皇家学会学长，拒绝爵士头衔，拒绝荣誉学位，一生以谦逊的姿态做“朴实的法拉第先生”。他的墓碑上，也只有这个名字。



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