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历史 / michael-faraday

迈克尔·法拉第

迈克尔·法拉第是英国实验科学家,其发现奠定了电磁学与电化学的基本原理。

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迈克尔·法拉第(1791年9月22日—1867年8月25日)是英国科学家,他的实验研究深刻改变了电磁学和电化学。他主要在伦敦的英国皇家研究院工作,发现了电磁感应,确立了电解的定量定律,分离出苯,并证明了磁与光之间的联系。他的研究为电动机和发电机提供了实验基础,也推动了以场来描述电磁现象的理论框架的形成。(rigb.org)

早年生活与科学训练

法拉第出生于纽因顿巴茨,当时该地属于萨里郡,如今已是伦敦的一部分。他的父亲詹姆斯是一名铁匠,家境并不宽裕。法拉第只接受过初等教育,没有上过大学。1805年,他开始跟随书籍装订师乔治·里博当学徒,直到1812年。通过阅读经手的书籍,他接触到了科学知识,尤其是化学和有关电的知识。他还通过听讲座和动手实验来补充书本上的学习。(rigb.org)

1812年,法拉第在英国皇家研究院聆听了汉弗里·戴维的讲座,随后向戴维呈上了精心整理的笔记。1813年,戴维聘用他担任实验室助手。1813至1815年间,法拉第随戴维游历欧洲,接触了各地的科学实验室和研究人员,之后返回研究院从事实验室工作。因此,他的科学训练既包括广泛的自主学习,也包括深入参与实验研究。(rigb.org)

法拉第于1824年当选英国皇家学会会士,1825年出任英国皇家研究院实验室主任,并于1833年成为该院首任富勒化学教授。这些任职为他此后的大量研究和公众讲座提供了机构支持。(rigb.org)

电磁旋转与电磁感应

1821年,法拉第演示了持续的电磁旋转:通电导线能够绕磁体运动。这套装置确立了电动机的一项基本原理,不过它只是实验演示装置,并非实用的工业机器。它表明,电的作用能够产生持续的机械运动。(aps.org)

1831年,他取得了决定性的发现——电磁感应。8月29日,他使用了一个绕有两组线圈的铁环,两组线圈在电路上彼此独立。将其中一组线圈接到电池上时,另一组线圈中会出现短暂的电流;切断第一组线圈的电流时,另一组线圈也会产生一次瞬态响应。第一组线圈中的稳定电流并不能使第二组线圈持续产生电流。这些观察结果区分了磁条件发生变化时的效应与恒定磁场的效应。(rigb.org)

进一步的实验表明,使磁体与线圈发生相对运动也能感应出电流。法拉第随后制成了一台旋转铜盘发电机,演示了机械能量向电能的转化。这些研究确立了发电机和变压器的工作原理,但实验装置本身还不是后来发展起来、用于商业用途的成熟机器。(aps.org)

化学研究与电解

法拉第的科学研究并不局限于物理学。1823年,他将氯气液化,为气体凝结方面的实验研究作出了贡献。1825年,他从制造压缩照明用煤气所产生的油状残留物中分离出了苯。他对这种物质进行了分离和分析,最初称其为“氢的二碳化物”。苯后来在有机化学中的重要地位,应与他最初分离该物质并确定其性质的成就区别看待。(mathshistory.st-andrews.ac.uk)

19世纪30年代初,他研究了电解,确立了通过体系的电荷量与所引起的化学变化之间的关系。他的第一定律指出,某种物质发生转化的质量与所涉及的电荷量成正比。第二定律指出,相同电荷量所引起的不同物质的转化质量,与各物质的化学当量成正比。这些定律后来被称为法拉第电解定律。(goldbook.iupac.org)

法拉第还推动确立了电极、阳极、阴极和离子等术语。这套术语使人们能够更系统地描述电化学过程,至今仍是这门学科的核心用语。(rigb.org)

磁、光与场

1845年,法拉第证明,磁场能够使穿过适当玻璃的光的偏振面发生旋转。这种磁光现象如今被称为法拉第效应,为光与磁之间的联系提供了实验证据。这项研究使用的玻璃源于他早先对光学材料的研究。(rigb.org)

同年,他还发现了抗磁性,将磁性行为的研究范围扩展到了铁等强磁性物质之外。他对电磁现象的整体解释强调力线,以及磁体和带电物体周围空间中的物理过程。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦随后以这些实验和概念基础为依托,建立了数学形式的电磁理论。法拉第的场观念与麦克斯韦的数学表述是相互关联的贡献,但并非同一项成就。(rigb.org)

公众讲座与晚年生活

1825年,法拉第参与创办了英国皇家研究院的“星期五晚间讲座”和“圣诞讲座”。他共主讲了十九套圣诞系列讲座,通过实验演示向青少年听众讲解科学过程。其中,关于蜡烛的化学史的讲座尤为著名,经威廉·克鲁克斯编辑后,于1861年结集出版。(rigb.org)

除研究之外,他还为英国海军部和圣三一灯塔管理局提供咨询,工作内容包括与灯塔有关的事务。1858年,他获赠汉普顿宫的一处住所。1867年8月25日,他在那里去世,随后葬于海格特公墓的桑德曼派墓区。他留存下来的仪器、实验室笔记和通信,既记录了他的实验方法,也展现了他广泛的科学交往。(rigb.org)