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连爱因斯坦都崇拜的物理学家,孩子一定要知道

少年得到 少年得到 2020-09-14


要说我们现代人的生活最离不开的东西可能有很多,但“电”绝对可以排的上第一梯队。没了电,手机不能用,工厂不能运转,甚至到了夜晚也只能点蜡烛了。


(图片来自网络)


但你知道吗?虽然现在我们人类的发电方式有很多,比如水力发电、火力发电、风能发电等等,但它们的原理都是一样的,全都遵从法拉第电磁感应定律。


今天正好是法拉第的诞辰,我们就来聊聊这位电学之父——迈克尔·法拉第。


法拉第

(图片来自网络)


贫困潦倒中诞生了第一台电动机


法拉第的前半生可以用两个字来形容——贫困。


1791年的9月22日,法拉第降生于伦敦一个贫困的铁匠家中。小时候的他念不起书,只有等13岁的哥哥工作赚钱了,才勉强凑齐上学的学费。


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可是到了他13岁那年,贫困的家庭再也无法支撑他的学业了,法拉第便成了万千报童中的一员。


但他跟其他同龄的报童完全不一样,别人送完报纸可能就跑去玩了,而法拉第除了送报订书外,他还格外喜欢读书。在这七年的报童生涯中,他每天晚上都是抱着书睡觉。


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在书中描写的各种神奇的电现象和化学的实验,让一颗关于电与化学的种子埋在他心底,悄悄地发芽。


而让法拉第出现人生中转折的是他意外中获得了汉弗莱·戴维的科学讲座门票,这个人也是改变了法拉第一生的人。


汉弗莱·戴维

(图片来自网络)


戴维可是当时首屈一指的科学家,每天晚上戴维都把电现象当表演一样向台下的达官贵人展示。


但法拉第却从不把这当表演来看,因为在他眼里这神奇的现象,正是科学。所以每次他去听讲座都捧着笔记本,一字不漏地记录下戴维的每一句话和每一个实验现象,并且把笔记装订成册。


演讲的戴维及地下配置的2000个化学电池

(图片来自网络)


终于有一天,年轻的法拉第带着他那厚厚一本笔记,敲响了戴维的大门。也许是命运使然,戴维正在招募一位临时助手。


从1813开始,法拉第也成了戴维身边不可或缺的助手。在戴维教导下,他学到了更多新鲜的科学知识。


当时的科学圈里正在研究一种神秘的现象——奥斯特的电生磁现象。


奥斯特

(图片来自网络)


如果导线中有电流通过,那它附近的磁针便会发生偏转。但是电只能产生一瞬的亮光和使磁针发生暂时的偏转。


那时大家的思路都是:电能够使磁铁暂时偏转,那么只要把这短暂的偏转变成持续的偏转,人类就可以利用这种持续的力工作了。但是谁也没有试验成功。


奥斯特的电生磁实验

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法拉第却想到另一个方法:把磁铁固定住,那么线圈就可能会动起来。所以在做戴维助手之余,他便开始花大量空余时间来设计自己的实验。


通过了无数个实验之后,终于在1821年,法拉第发明了一种简单的装置。他把条形磁铁竖直固定在圆形水银槽中,再将一根接有电源的金属杆插在水银里。


只要有电流通过金属杆,金属杆就会绕着中心的磁铁不断地旋转。


(图片来自网络)


这个简陋的装置,正是我们今天所有电动机的鼻祖。我们现在的商业、工业,乃至日常生活中的洗衣机、电冰箱、空调等等,都来源于法拉第这个具有重要意义的发明。


蛰伏多年后发电机横空出世


电动机的发明很快就传遍了当时的科学界,而法拉第也成为了伦敦最炙手可热的大红人。但是树大招风,而这阵风正是来自法拉第的恩师戴维。


法拉第在皇家学会演讲的盛况

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在29位皇家学会会员联名提议法拉第当选会员时,戴维私下命令他放弃资格,并投下了全场唯一的一张反对票。并且把法拉第派去研究一个和电、磁都无关的新项目:破解英国光学玻璃制法。


如日中天的法拉第就这样被戴维打入了冷宫。对玻璃一窍不通的法拉第,花了整整8年时间在学习炼玻璃。



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直到1829年戴维去世,才使法拉第从玻璃研究中解放出来,回到了属于自己的电磁研究中。1831年他就发现了磁生电的关键在于相对运动。


将一块磁铁穿过导体线圈,线圈中便产生了电流。这个实验就是电磁感应最著名的实验,也是我们现在的高中物理课上学到的切割磁感线实验。


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紧接着法拉第又根据电磁感应现象制成了世界上第一台发电机:法拉第圆盘发电机


圆心处固定一个摇柄,圆盘的边缘和圆心处各与一个黄铜电刷紧贴,用导线把电刷与电流表连接起来;紫铜圆盘放置在蹄形磁铁的磁场中。


(图片来自网络)


当法拉第转动摇柄,使紫铜圆盘旋转起来时,电流表的指针偏向一边,这说明电路中产生了持续的电流。


这其中的原理我们可以把圆盘看作是由无数根长度等于半径的紫铜辐条组成的,在转动圆盘时,每根辐条都做切割磁力线的运动。辐条和外电路中的电流表恰好构成闭合电路,电路中便有电流产生了。随着圆盘的不断旋转,总有某根辐条到达切割磁感线的位置,因此外电路中便有了持续不断的电流。


(图片来自网络)


这台发电机的诞生,使电磁感应第一次实现了连续电流的产出。


后来,人们在此基础上,将蹄形永久磁铁改为能产生强大磁场的电磁铁,用多股导线绕制的线框代替紫铜圆盘,电刷也进行了改进,就制成了功率较大的可供实用的发电机。


(图片来自网络)


晚年的法拉第提出了电磁理论


我们都知道苹果砸中了牛顿的脑袋,“砸”出来个万有引力定律,但是为什么会存在万有引力呢?


当时的牛顿也没能弄明白,太阳是怎么做到不用直接接触,就能使地转星移,苹果落地。


(图片来自网络)


这个问题在百年之后终于被法拉第解开。


当法拉第到了生命的尾声阶段,他再次提出了一个伟大的设想:磁场和磁力线。


在那时用磁铁和铁屑来绘制图案,在所有人眼里都不是什么稀奇事。而法拉第发现不但是在磁铁旁边,就连在通电导线旁都有这种规律的图案出现。


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因此他也认为这肯定不是铁屑在作用,而是磁铁在产生有效作用。所以法拉第意识到在磁体周围的空间里存在着一种肉眼不可见的力场,并称之为磁场。


他说任何物体周围都存在着磁场,只是有的弱有的强罢了。


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他还说宇宙中的所有星球都是一个巨大的磁铁,它们周围都有着无数的力线,只是人们看不见而已。


法拉第解开了困扰牛顿多年的谜题,这就是为什么太阳不用直接接触其他行星就能让其运行的原因。而太阳实际上并不是没有接触其到他行星,只是人类肉眼看不见其作用而已。


(图片来自网络)


但由于小时候没受过正统教育,法拉第不能给出该理论精确的数学方程。


直到另一位伟大的科学家麦克斯韦的出现,用完美的数学公式证明了他电磁理论的猜想。


麦克斯韦

(图片来自网络)


法拉第的一生对人类电磁学史上做出了无与伦比的贡献,就连爱因斯坦的学习墙上,也曾挂着一张法拉第的照片。


想进一步了解法拉第的伟大事迹,千万不要错过少年得到《卓克·巧学物理40讲》物理名师卓克老师将带孩子走进科学巨人的世界,以及物理的奇妙国度。


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你还知道哪些法拉第的故事吗?欢迎告诉我们~




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