法拉第簡介

邁克爾·法拉第(MichaelFaraday，1791-1867)

【簡介】
　　
　　英國物理學家、化學家，也是著名的自學成才的科學家。1791年9月22日出生薩里郡紐因頓一個貧苦鐵匠家庭。因家庭貧困僅上過幾年小學，13歲時便在一家書店里當學徒。書店的工作使他有機會讀到許多科學書籍。在送報、裝訂等工作之余，自學化學和電學，并動手做簡單的實驗，驗證書上的內容。利用業余時間參加市哲學學會的學習活動，聽自然哲學講演，因而受到了自然科學的基礎教育。由于他愛好科學研究，專心致志，受到英國化學家戴維的賞識，1813年3月由戴維舉薦到皇家研究所任實驗室助手。這是法拉第一生的轉折點，從此他踏上了獻身科學研究的道路。同年10月戴維到歐洲大陸作科學考察，講學，法拉第作為他的秘書、助手隨同前往。歷時一年半，先后經過法國、瑞士、意大利、德國、比利時、荷蘭等國，結識了安培、蓋·呂薩克等著名學者。沿途法拉第協助戴維做了許多化學實驗，這大大豐富了他的科學知識，增長了實驗才干，為他后來開展獨立的科學研究奠定了基礎。1815年5月回到皇家研究所在戴維指導下進行化學研究。1824年1月當選皇家學會會員，1825年2月任皇家研究所實驗室主任，1833----1862任皇家研究所化學教授。1846年榮獲倫福德獎章和皇家勛章。1867年8月25日逝世。

【成就】

　　法拉第所研究的課題廣泛多樣，按編年順序排列,有如下各方面：鐵合金研究（1818－1824）；氯和碳的化合物（1820）；電磁轉動（1821）；氣體液化（1823，1845）；光學玻璃（1825－1831）；苯的發明（1825）；電磁感應現象（1831）；不同來源的電的同一性（1832）；電化學分解（1832年起）；靜電學，電介質（1835年起）；氣體放電（1835年）；光、電和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；“射線振動思想”（1846年起）；重力和電（1849年起）；時間和磁性（1857年起）。
　　
　　法拉第主要從事電學、磁學、磁光學、電化學方面的研究，并在這些領域取得了一系列重大發現。1820年奧斯特發現電流的磁效應之后，法拉第于1821年提出“由磁產生電”的大膽設想，并開始了艱苦的探索。1821年9月他發現通電的導線能繞磁鐵旋轉以及磁體繞載流導體的運動，第一次實現了電磁運動向機械運動的轉換，從而建立了電動機的實驗室模型。接著經過無數次實驗的失敗，終于在1831年發現了電磁感應定律。這一劃時代的偉大發現，使人類掌握了電磁運動相互轉變以及機械能和電能相互轉變的方法，成為現代發電機、電動機、變壓器技術的基礎。
　　
　　法拉第能夠這樣堅持10年矢志不渝地探索電磁感應現象，重要原因之一是同他關于各種自然力的統一和轉化的思想密切相關的，他始終堅信自然界各種不同現象之間有著無限多的聯系。也是在這一思想的指導下，他繼續研究當時已知的伏打電池的電、摩擦電、溫差電、伽伐尼電、電磁感應電等各種電的同一性，1832年他發表了<<不同來源的電的同一性>>論文，用大量實驗論證了“不管電的來源如何，它的本性都相同”的結論，從而掃除了人們在電的本性問題認識上的種種迷霧。
　　
　　為了說明電的本質，法拉第進行了電流通過酸、堿、鹽的溶液的一系列實驗，從而導致1833-1834年連續發現電解第一和第二定律，為現代電化學工業奠定了基礎，第二定律還指明了存在基本電荷，電荷具有最小單位，成為支持電的離散性質的重要結論，對于導致基本電荷e的發現以及建立物質電結構的理論具有重大意義。為了正確描述實驗事實，法拉第制定了遷移率、陰極、陽極、陰離子、陽離子、電解、電解質等許多概念、術語。
　　
　　在電與磁的統一性被證實之后，法拉第決心尋找光與電磁現象的聯系。1845年他發現了原來沒有旋光性的重玻璃在強磁場作用下產生旋光性，使偏振光的偏振面發生偏轉，此即磁致光效應，成為人類第一次認識到電磁現象與光現象間的關系。1846年他發表了《關于光振動的想法》一文，最早提出了光的電磁本質的思想。他曾設計并不畏艱苦地作過許多實驗，試圖發現重力和電的關系，尋找磁場對光源所發射光譜線的影響，尋找電對光的作用等等，由于當時實驗條件所限，雖未獲成功，但他的思想和觀點完全正確，均為后人的實驗所驗證。
　　
　　法拉第是電磁場理論的奠基人，他首先提出了磁力線、電力線的概念，在電磁感應、電化學、靜電感應的研究中進一步深化和發展了力線思想，并第一次提出場的思想，建立了電場、磁場的概念，否定了超距作用觀點。愛因斯坦曾指出，場的思想是法拉第最富有創造性的思想，是自牛頓以來最重要的發現。麥克斯韋正是繼承和發展了法拉第的場的思想，為之找到了完美的數學表示形式從而建立了電磁場理論。
　　
　　法拉第對科學堅韌不拔的探索精神，為人類文明進步純樸無私的獻身精神，連同他的杰出的科學貢獻，永遠為后人敬仰。

【法拉第常數】

　　法拉第常數（F）是近代科學研究中重要的物理常數，代表每摩爾電子所攜帶的電荷，單位C/mol，它是阿伏伽德羅數NA=6.02214·1023mol-1與元電荷e=1.602176·10-19 C的積。尤其在確定一個物質帶有多少離子或者電子時這個常數非常重要。法拉第常數以麥可·法拉第命名，法拉第的研究工作對這個常熟的確定有決定性的意義。

　　一般認為此值是96485.3383±0.0083C/mol，此值是由美國國家標準局所依據的電解實驗得到的，也被認為最具有權威性。

【科研】

青少年時代 　

　　1791年9月22日。法拉第出生在薩里郡紐因頓一個貧苦的鐵匠家庭里。5歲時隨父母到倫敦。在一所普通的日校讀書。13歲時法拉第在書店中當學徒，起初送報，后學裝訂，工余時間自學化學和電學，并動手做實驗，驗證書上的內容。他在裝訂不列顛百科全書時，偶然看到了《電學》這個條目，更加激發了他對科學的熱情。1810年2月至第二年9月，聽了J.塔特姆所作的十幾次自然哲學講演，并開始參加市哲學學會的學習活動,受到了自然科學的基礎教育。1812年2月至4月,又在皇家研究所聽了H.戴維的4次化學講座,每次他都細心筆錄，清理成稿，而且熱忱地抓住戴維的每個科學觀點，轉述給市哲學學會的同伴。這年10月法拉第學徒滿師，寫信給戴維，表示獻身科學事業的決心，并隨信附上自己記錄、裝訂的《H.戴維爵士講演錄》。1813年3月,經戴維介紹進皇家研究所任實驗室助手。同年10月，隨戴維去歐洲大陸作科學考察旅行。1815年 5月回皇家研究所，在戴維指導下從事化學研究。戴維的廣博和深邃的知識，給法拉第以最重要的影響。

早期科學工作 　

　　法拉第的第一篇科學論文曾發表于1816年。從1818年起他和J.斯托達特合作，研究合金鋼，首創了金相分析方法。1820年他用取代反應制得六氯乙烷和四氯乙烯。在1820年H.C.奧斯特發現電流能使其周圍的磁針偏轉以后，引起研究電和磁的關系的熱潮。法拉第研究了這方面的問題,并在1821年9月發現通電流的導線能繞磁鐵旋轉，這是他的第一個重要發現。1823年，他發現了氯氣和其他氣體的液化方法。1824年1月,法拉第當選為皇家學會會員,1825年2月任皇家研究所實驗室主任。同年，發現苯，為芳香族化合物的研究和應用開辟了道路；并開始研究光學玻璃的制造技術。

電磁感應的發現和場的概念的誕生
　
　　從1831年起，法拉第的科學工作進入一個新階段。早在1824年，他就論證過，既然電對磁有作用，那末磁也應當對電有反作用。經過多次實驗,他終于在1831年8月獲得成功。他在一個圓形軟鐵環兩邊繞上A、B兩組線圈,在A組線圈同伏打電池接通或切斷的瞬間,B組線圈中會感生出電流，法拉第把這叫做“伏打電感應”(見彩圖)。10月又發現，磁鐵和導線的閉合回路有相對運動時，回路中會產生感生電流，法拉第稱之為“磁電感應”。伏打電感應孕育了變壓器的誕生，磁電感應預告了發電機的出現。這兩類電磁感應現象的發現為電在未來的大規模應用奠定了基礎。這項工作獲得了皇家學會的科普利獎章。

　　受電磁感應啟示，法拉第直覺地揣測到磁鐵周圍是一個充滿力線的場，感生電流的產生是由于導體切割力線。1832年3月12日，他在文稿中寫道:“……使我相信，磁的作用是漸進的，是需要時間的，”“有理由假設，電（壓）的感應也是以類似的漸進方式進行的。”這是物理學史上第一次認真地向力的超距作用概念提出的挑戰。

法拉第電解定律和其他電學實驗研究 　

　　1833年法拉第任皇家研究所富勒化學講座教授。1832年他發表了《不同來源的電的同一性》一文，用實驗證明:“不管電的來源如何，它的本性都是相同的。”1833～1834年，他發現了兩條電解定律（后來稱為法拉第第一和第二電解定律）。這是電化學的開創性工作，第二定律并且指明了電荷具有最小單位。法拉第電解定律是基本電荷存在的有力證據。正如H.von亥姆霍茲所說:“法拉第定律的最令人驚異的結論也許是：如果我們接受元素物質由原子組成的假說，就不可避免地要做出結論：不論正電和負電，都可以分成單元，其行為如同電的原子。”法拉第還制訂了許多電化學術語,并測定了電解1克當量物質所需要的電量為96484庫侖,后來這被稱為法拉第常數。從1834年起，法拉第對伏打電池、靜電、電容和電介質的性質進行了大量實驗研究。1843年，用冰桶實驗證明電荷守恒原理，為了紀念他在靜電學方面的工作，電容的實用單位稱為法拉。

磁致旋光效應和抗磁性現象的發現 　

　　1845年8月,法拉第研究電和磁對偏振光的影響,9月用過去研制的重玻璃做實驗，發現原來沒有旋光性的重玻璃在強磁場的作用下產生旋光性，使偏振光的偏振面發生偏轉。這是人類第一次認識到電磁現象和光現象之間的關系。磁致旋光效應后來稱為法拉第效應。1845年11月，法拉第發現大多數物質具有抗磁性，而認為并不存在什么磁極。他提出電和磁的作用是以介質為中介來傳遞的，而介質便成為電場和磁場的載體。1846年5月，他發表了《關于光振動的想法》一文。他寫道：“……把輻射看作在力線中所作的一種高級振動……，我的觀點是排除以太，但并不排除振動。”19世紀后半葉，實驗觀測到電磁波的存在，證實了法拉第的大膽預言。當然，法拉第并沒有真正排除以太，他把電磁現象看作是一種連續媒質中的應力和應變的表現。這種假想的連續媒質后來被叫做電磁以太，和所謂的光以太是同一種東西。

晚年研究工作 　

　　法拉第工作過度勞累，中年開始健康受到損害，但仍一直堅持工作到晚年。他研究火焰和各種氣體的磁性，研究晶體在磁場中所受的力。借助力線的概念，他對電磁感應現象進行定量研究，歸納出著名的法拉第電磁感應定律。法拉第晚年的研究工作仍然是為了證實他的一個堅定信念──自然界的各種力相互有關。在1845年他寫道：“我早就相信力的統一性。”1849年和1859年進行多次試驗，試圖發現重力和電的關系。法拉第實驗日記中最后一個的編號是 16041。這個實驗是在1862年3月12日,為的是尋找磁場對光源發射光譜譜線的影響，沒有成功。

　　法拉第的自然哲學思想及其對物理學發展的影響 法拉第是實驗大師，人們常常稱他是19世紀最偉大的實驗物理學家，不過他自己更喜歡稱自己是自然哲學家。法拉第具有豐富的直覺想象能力。他的關于自然界的各種力相互有關并具有同一來源，空間有場，場中充滿力線，力的作用以場為中心以有限速度傳遞等觀點，與19世紀占統治地位的牛頓派的觀點針鋒相對，是有革命性的。法拉第的一些失敗了的實驗，在許多年后由別人做成功了，如電光效應在30年后由J.克爾發現，磁場對光源發射光譜譜線的影響在34年后由P.塞曼證實；而引力場和電磁場的統一至今仍是物理學中的重大問題。H.本斯－瓊斯評論他的場論思想說:“將物質非物質化為’力的中心'，又將物質有運動傾向的方向物質化為’物理上實有的力線'。”誠如麥克斯韋所說:“這些觀念是以一種更適合于一門正在形成中的科學的語言表述的。”場概念的提出為建立電磁現象的理論奠定了基礎。20世紀中發展起來的廣義相對論和量子場論，更進一步發展了法拉第的場的理論。 　　科學普及工作 　法拉第熱心科學普及工作。在任皇家研究所實驗室主任后不久，發起舉行星期五晚間討論會和圣誕節少年科學講座。他在 100多次星期五晚間討論會上作過講演，在圣誕節少年科學講座上講演達19年之久。他的科普講座深入淺出,配以豐富的演示實驗,深受歡迎。他在1860～1861年間的演講，被W.克魯克斯匯集成著名的科普讀物《蠟燭的故事》。法拉第還熱心公眾事業，長時期為英國的許多公私機構服務。

　　法拉第為人質樸，喜歡幫助親友，不善交際、不圖名利。為了專心從事科學研究，他放棄一切有豐厚報酬的商業性工作。英國政府擬封他為爵士，1857年皇家學會擬選他為會長，均被拒絕，因為他愿意永遠是普通的法拉第。他1865年退休。1867年8月25日,在維多利亞女王贈給他的寓所中逝世。

　　法拉第的主要著作有《電學實驗研究》、《化學和物理學實驗研究》、《日記》。

【名人軼事】

　　1、努力奮斗的法拉第

　　朋友，你一定知道法拉第這個光輝的名字吧！他在1831年發現的電磁感應現象，預告了發電機的誕生，開創了電氣化的新時代。他畢生致力研究的科學理論——場的理論，引起了物理學的革命。相傳法拉第的老師戴維，一個譽滿全球、世界公認的大化學家在瑞士日內瓦養病時，有人問他一生中最偉大的發現是什么，他絕口不提自己發現的鈉、鉀、氯、氟等元素，卻說：

　　“我最偉大的發現是一個人，是法拉第！”

　　是的，戴維回答得好，重要的是人！下面就是這個學徒出身的大科學家在踏進科學大門之前，在坎坷的生活道路上向往科學、努力奮斗以及在進入科學殿堂之后建立豐碑的故事。

　　為了裝備自己的小實驗室，法拉第到藥房里去揀別人扔掉的瓶子，花半個便士買一點最便宜的藥品。他抱著揀來的、買來的東西，回到書店里的閣樓上，心里樂開了花。從此，每天下工以后，法拉第埋頭在自己的小實驗室里點上一支蠟燭，進行實驗。

　　從13歲到21歲，法拉第在書店里當了8年學徒。這正是他長知識、長身體的時期。在將近3000個夜晚，法拉第把時間都用在讀書和實驗上了。

　　1791年9月22日，邁克爾.法拉第出生在一個鐵匠的家里。他父親體弱多病，鐵匠鋪開不下去了，最后只好盤給人家，自己去當幫工。為了維持生活，法拉第12歲當報童，13歲去里波先生的書店里當學徒，學裝訂手藝。從此，法拉第走上了生活的道路。

　　在里波先生的書店里，到處是書。這里是智慧的源泉，知識的海洋。法拉第象一塊巨大的海綿，在知識的海洋里貪婪地吸吮著。勞動了一天以后，他在微弱的燭光下拼命地讀書。書里講的那些電的現象和化學實驗，把法拉第迷住了。他渴望把書上講的那些實驗能做一遍，可是一個窮學徒哪來的錢買儀器和藥品呢！

　　里波先生的書店在倫敦是很有名氣的，加上法拉第手藝出眾，態度和氣，贏得了顧客的好感。因此，皇家學會很多會員，都樂意把自己的科技書籍送來裝訂。顧客中有位當斯先生很喜歡法拉第，有一次他送 給法拉第4張入場券，讓他去皇家學院聽大化學家戴維的講座。

　　1812年2月的一個晚上，法拉第生平第一次跨進皇家學院的大門，坐在階梯形的講演廳里。他的心情緊張而又焦急。戴維終于出現了，大廳里響起一陣陣熱烈的掌聲。戴維講的題目是發熱發光物質，講得那么輕松，卻又那么透徹。他精神抖擻，神采奕奕，天才的光華和熱力，似乎正從他的身上向外輻射。法拉第被深深地吸引住了，他飛快地記著，筆記本翻過一頁又一頁。

　　法拉第一連聽了戴維的4次講座，好像游歷了美麗、莊嚴、圣潔的科學殿堂，那里陽光燦爛，照得他心里 光明、溫暖。他把4次聽講的筆記仔細整理以后，用漂亮的皮封面裝訂成冊。他經常輕輕地翻閱，多么渴望 能從事科學研究工作啊！

　　遺憾的是，在那個時代，命運對窮人從來不露出笑臉。它總是一副威嚴、猙獰的面孔，迫使你對它膜拜和 屈服。然而，也有許多窮人并不屈從，他們頑強地和命運搏斗。法拉第就是其中最頑強的一個。這個鐵匠的兒子，從小愛看父親揮舞大錘，一下一下地鍛打燒紅的鐵塊。鐵塊變冷變硬以后，父親把它放在爐火里重新燒紅。經過千錘百煉，鐵坯終于按照人的意志變成各種工具。父親曾經自豪地對他說：鐵匠面前永遠沒有頑鐵。多少年來，父親的話一直激勵著他。

　　于是，他決定寫信給當時的英國皇家學會會長班克斯爵士，要求在皇家學院找個工作，哪怕在實驗室里洗瓶子也行。他心神不寧地等了整整一個星期，音信全無。他忍不住跑到皇家學院去打聽，得到的回音只是冷冰冰的一句話：“班克斯爵士說，你的信不必回復！”

　　受到這個屈辱的打擊，法拉第感到傷心。但他毫不氣餒。他想起自己學畫的經歷。法拉第從小就練得一手好字。至于繪畫，他是從一個名叫馬克里埃的法國畫家那里學來的。那位曾經給拿破侖皇帝畫過像，后來橫渡英吉利海峽，流亡到倫敦的畫家，恰好借住在里波先生鋪子的樓上，和法拉第成了鄰居。畫家看到法拉第學畫心切，答應教他。作為交換條件，法拉第要替畫家擦皮靴和收拾房間。畫家心眼不壞，教得也很 認真，可脾氣不好，經常責罵法拉第。法拉第逆來順受，堅持跟他學畫，終于學會了投影和透視，能夠逼真地、藝術地把眼前的東西畫下來。從這段經歷中，他體會到：只有忍辱負重，敢于向命運挑戰，才能把本來不屬于自己的東西追求到手。

　　法拉第又一次向命運挑戰了。他鼓起勇氣給戴維寫信，并且把裝訂成冊的戴維4次講座的筆記一起送去。法拉第巨大的熱情、超人的記憶和獻身科學的精神，感動了這位大化學家。法拉第到皇家學院化學實驗室當了戴維的助手。科學圣殿的大門向學陡出身的法拉弟打開了！　

　　2、實驗的價值 

　　發明了世界上第一架發電機的英國化學家和物理學家法拉第（1791—1867年），對知識有著執著的追求，為了一項科學研究，他常常百折不撓，這使得那些急功近利的人迷惑不解。

　　有一次，他的一個熟人、稅務官格拉道斯通，看到法拉第在做一個在他看來毫無實用價值的實驗，便問道：“花這么大的力氣，即使成功了，又有什么用呢？”

　　法拉第回答說：“好吧，不久你就可以收稅了。”

【人物名言】

　　1、希望你們年青的一代，也能象蠟燭為人照明那樣，有一分熱，發一分光，忠誠而踏實地為人類偉大的事業貢獻自己的力量。
　　2、像蠟燭為人照明那樣，有一分熱，發一分光，忠誠而踏實地為人類偉大事業貢獻自己的力量。
　　3、一旦科學插上幻想的翅膀，它就能贏得勝利。
　　4、我不能說我不珍視這些榮譽，并且我承認它很有價值，不過我卻從來不曾為追求這些榮譽而工作。
　　5、拼命去爭取成功，但不要期望一定會成功。
　　6、科學家不應是個人的崇拜者，而應當是事物的崇拜者。真理的探求應是他唯一的目標。

【法拉第圓筒實驗】

　　法拉第圓筒實驗是來驗證電荷只分布在導體的外表面上,導體內部沒有凈電荷這一物理現象的。

　　內容是：

　　取兩個驗電器A和B，在B上裝一個幾乎封閉的空心金屬圓筒C(叫做法拉第圓筒)。使B和C帶電，B的箔片張開。用有絕緣柄的金屬小球d先跟C的外部接觸，再把d移到A并跟A的金屬球接觸經過若干次以后，可以看到A的箔片張開，同時B的箔片張開的角度減小。這表明小球d把C的一部分電荷搬運給了A。可見法拉第圓筒的表面是帶有電荷的。如果小球d不接觸C的表面,而接觸C的內部，重做上述實驗，不論重復多少次，A的箔片都不張開，B的箔片張開的角度也不減小。這表明小球d并沒有把C的電荷搬運給A，可見法拉第圓筒的內部不帶電。

【法拉第效應】

　　法拉第效應于1845年由M.法拉第發現。當線偏振光（見光的偏振）在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比，即ψ＝VBl，比例系數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應或磁致旋光效應。該效應可用來分析碳氫化合物，因每種碳氫化合物有各自的磁致旋光特性；法拉第效應于1845年由M.法拉第發現。當線偏振光（見光的偏振）在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比，即ψ＝VBl，比例系數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應或磁致旋光效應。該效應可用來分析碳氫化合物，因每種碳氫化合物有各自的磁致旋光特性；在光譜研究中，可借以得到關于激發能級的有關知識；在激光技術中可用來隔離反射光，也可作為調制光波的手段。

【電磁感應定律】

　　表述：當穿過閉合回路所圍面積的磁通量發生變化時，不論這種變化是什么原因引起的，回路中都會建立起感應電動勢，且此感應電動勢正比于磁通量對時間變化率的負值。

　　數學表達式：當采用國際單位制時，比例系數為 1，數學表達式為：εi=-dΦ/dt

【楞次定律】

　　兩種表述:閉合回路中感應電流的方向，總是使得它所激發的磁場來阻止引起感應電流的磁通量的變化。

　　或者：感應電流的效果，總是反抗引起感應電流的原因。

　　應用:判斷感應電動勢的方向：

　　楞次定律實際上是能量守恒定律的一種表現。

　　用楞次定律判斷感應電流方向的步驟：

　　（1）判斷穿過閉合回路的磁通沿什么方向，發生什么變化（增加或減少）；
　　（2）根據楞次定律來確定感應電流所激發的磁場沿什么方向（與原來的磁場反向還是同向）；
　　（3）根據右手螺旋法則從感應電流產生的磁場方向確定感應電流的方向。