岱岳實驗中學(xué)物理科普專欄系列《科學(xué)家的故事》
第五期-揭開電和磁的奧秘（3）
法拉第是一位自學(xué)成才的科學(xué)家，半個多世紀以來，不求名利，在科學(xué)之路上辛勤耕耘。 他將自己所做的實驗匯編成《電的實驗研究》一書。 書中收錄了3000多個條目，詳細描述了他所做的實驗和結(jié)論。 這是一份珍貴的科學(xué)文獻。
法拉第的貢獻一：電動機的誕生
奧斯特發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流流過電路中的線圈時，靠近線圈的磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 法拉第受此啟發(fā)，成功發(fā)明了一種簡單的裝置。 在設(shè)備內(nèi)，只要有電流流過電線，電線就會繼續(xù)圍繞磁鐵旋轉(zhuǎn)。 事實上，法拉第的發(fā)明是第一個使用電流來移動物體的裝置。 盡管該裝置很簡單，但它是當(dāng)今世界上使用的所有電動機的祖先。
如今的電動機已廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。 例如，電風(fēng)扇等通電后會旋轉(zhuǎn)的機器就是電動機。 你能說出一些日常生活中使用的電動機嗎？ 您家里使用多少臺電動機？ 這就是法拉第的功勞。
貢獻二：電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)
法拉第一直在進行電磁變換實驗，但一次又一次失敗，沮喪和失望不斷向他襲來。 每次實驗之前想要成功的渴望，在無情的實驗結(jié)果面前都破滅了。
法拉第忍受著失敗的痛苦，繼續(xù)進行實驗，每次都仔細觀察，不斷總結(jié)失敗的教訓(xùn)及其原因。
1831年，法拉第41歲。 他覺得他的工作應(yīng)該有一些轉(zhuǎn)折。 當(dāng)我們到了轉(zhuǎn)折的時代，我們應(yīng)該抓緊時間，做一些真正偉大的哲學(xué)探索。
許多新的想法在法拉第的腦海中萌芽、涌動。 與這些偉大的新想法相比，他過去20年的工作算什么？
不幸的是，他過去的大部分時間都被繁瑣的商業(yè)技術(shù)工作所吞噬，他決定結(jié)束這類工作。 7月4日，他寫信給英國皇家學(xué)會秘書提出這一請求。
為了實現(xiàn)自己的夢想，法拉第開始在實驗室里日夜緊張地工作，他的電學(xué)實驗進入了最關(guān)鍵的階段。
法拉第用軟鐵制作了一個厚度小于0.025米、外徑0.152米的環(huán)。 他用一根長約7.243米的銅線，在箍的半邊，即A段，將其繞成三圈。 每個線圈有多層，每層之間用絕緣麻布隔開。
這樣，三個線圈可以連接起來組成一個大線圈，也可以相互分開作為三個小線圈使用。 然后法拉第電磁感應(yīng)定律，法拉第用兩根銅線將箍的另一半（B部分）繞成兩個線圈，總長度為18.108米。 A段線圈和B段線圈之間有一定的間隙，使其不相互接觸。 法拉第將10塊電池連接在一起作為電源。 然后將B段的兩個線圈連接成一個線圈，然后用一根銅線將兩個線圈的兩端連接起來。 銅線下面有一個磁針，它實際上是一個電流表。 如果電流流過銅線，磁針就會偏轉(zhuǎn)。 然后，他將A部分線圈的兩端連接到電池組上。
一切準(zhǔn)備就緒后，法拉第集中精力開始手術(shù)。 他小心翼翼地合上A區(qū)的開關(guān)，線圈中流過一股強大的電流，不一會兒電線就變熱了。 法拉第轉(zhuǎn)過身來，盯著B區(qū)銅線下的檢流計，磁針一動不動，沒有任何反應(yīng)。
隨后，法拉第更換了A段的線圈，重復(fù)了實驗。 結(jié)果保持不變。 隨后，他將A段的三個相互絕緣的線圈并聯(lián)起來，組成一個線圈進行實驗。 這可能會產(chǎn)生更顯著的效果。
法拉第焦急地合上開關(guān)，轉(zhuǎn)頭盯著檢流計。 指針?biāo)坪跏枪潭ǖ模粍硬粍印?span style="display:none">XuZ物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
我的心里升起一種失望的感覺。 有信念的科學(xué)家不會害怕失敗。 然而，事情就是這么無情。 經(jīng)過10年的努力，卻沒有任何結(jié)果。
這是什么原因呢？ 法拉第看著厚重的實驗桌上散落的線圈、電池組、磁針，就像作家看著自己無法發(fā)表的作品一樣，心疼又遺憾。
失望之余，法拉第仍懷著一絲信心，進行了最后的深思熟慮。 他仔細翻閱所有的實驗記錄，反思設(shè)計思路和實驗方法，對實驗設(shè)備一一檢查，不放過任何一個細節(jié)。
在檢查檢流計的位置時，法拉第無意中發(fā)現(xiàn)，每次實驗他都是先打開電源，然后轉(zhuǎn)頭觀察檢流計。
這可能是問題所在嗎？ 想到這里，他立即重新布置了實驗臺，決定徹底檢查一下。 這次法拉第特意將線圈鐵環(huán)和檢流計放置在電池開關(guān)旁邊，以便在操作過程中始終能看到指針。
法拉第目不轉(zhuǎn)睛地盯著檢流計，然后用手合上了電源開關(guān)。 線路一接通，檢流計的小磁針就跳動了！
這個時間很短，一不留神就會錯過。 法拉第在過去的許多實驗中都忽略了這個細節(jié)，但這一次他終于捕捉到了轉(zhuǎn)瞬即逝的“瞬間”。
“啊，電流！” 法拉第欣喜若狂，忍不住大喊起來。 為了驗證他的新發(fā)現(xiàn)，他連續(xù)進行了多次實驗，每次都得到了相同的結(jié)果。 因此法拉第相信勝利就在眼前。 他在實驗日記中寫下了這個難忘的日子：1831年8月29日。
法拉第有一種預(yù)感：他已經(jīng)到達了真理的邊緣，只要他再向前邁出一步，成功就是他的了。
為了得到最終的結(jié)果，法拉第繼續(xù)進行實驗。 他斷開B部分的電池，并在鐵環(huán)旁邊放置一塊磁鐵，希望在A部分感應(yīng)出電流，但磁鐵并沒有移動檢流計指針。
法拉第用其他金屬制成的環(huán)代替了鐵環(huán)，并想盡辦法改變了許多接線方法，但檢流計的指針仍然沒有絲毫動靜。 磁鐵不產(chǎn)生電流。
隨后，法拉第再次進行了8月29日的實驗。他發(fā)現(xiàn)，如果改變B段線圈和A段線圈的位置，或者改變B段線圈中的電流大小，電流指針會擺動，說明A段線圈中有感應(yīng)電流！
這時，法拉第突然意識到，一定是B段線圈中電流產(chǎn)生的磁變化，導(dǎo)致A段線圈感應(yīng)出電流。
為了證實自己的判斷，10月17日，法拉第用紙板制作了一個空心圓柱體，并用銅線在紙圓柱體上層層纏繞了8個線圈。 然后他把八個線圈并聯(lián)起來，形成一個線圈，線圈的兩個端點分別連接到檢流計的兩個極上。
當(dāng)法拉第將磁棒插入紙板管時，檢流計上的指針仍然沒有反應(yīng)。 他想知道，這是什么原因呢？ 也許是插得太慢了？
法拉第屏住呼吸，突然將磁棒插入紙管中。 果然，檢流計上的指針動了！ 法拉第心中一震。 這一運動表明了電流的產(chǎn)生。 最后，磁力轉(zhuǎn)化為電。 這不正是我近十年來一直夢想的時刻嗎？
短暫的一瞬間，指針又回到了原來的位置。 當(dāng)他突然將磁棒從圓筒中拔出時，指針向相反的方向跳動，然后又回到原來的位置。
法拉第又轉(zhuǎn)動磁棒，插進去，拔出來，再插進去，再拔出來……電流表的指針來回擺動，法拉第的心臟開始劇烈跳動。
隨后的許多實驗也顯示了相同的結(jié)果，將磁轉(zhuǎn)化為電的想法終于成為了現(xiàn)實。
但法拉第并沒有因此而停下來。 他在思考一個問題：為什么這些年來他重復(fù)實驗了上千次卻沒有成功？ 為什么他只有這么做才能成功呢？ 他想找一些有規(guī)律的東西。
經(jīng)過仔細回憶和思考，再加上實驗驗證，法拉第終于悟出了成功的關(guān)鍵。 只有運動才能產(chǎn)生電流。
這個謎團最終被法拉第揭開了。 事實證明，線圈中磁通量的變化引起了感應(yīng)電流。 換句話說，移動的磁力產(chǎn)生了電流。
在之前的實驗中，磁鐵相對于電線和線圈并沒有移動，所有實驗都是在靜止的前提下進行的。 通過目前的實驗發(fā)現(xiàn)，只有將磁鐵插入線圈或從線圈中抽出時，才能產(chǎn)生電流。
法拉第將這種電流稱為感應(yīng)電流，即感應(yīng)產(chǎn)生的電流，產(chǎn)生感應(yīng)電流的電動勢稱為感應(yīng)電動勢。
隨后法拉第發(fā)現(xiàn)，無論是在靜止的線圈中插入一塊磁鐵，還是在靜止的磁鐵上放置一個線圈，只要兩者之一以某種方式運動，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。 因此，他得出結(jié)論：“要將磁轉(zhuǎn)化為電，運動是必要條件”。
但為什么需要運動才能產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？ 感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的大小和方向與運動方式有關(guān)嗎？ 這是法拉第思考的又一個新問題。
科學(xué)界經(jīng)常出現(xiàn)這種情況。 實驗的成功、新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和新規(guī)律的總結(jié)往往會引發(fā)更多的問題，從而推動科學(xué)技術(shù)的進步。
作為一個小測試，要求學(xué)生確定A和B中哪種方法可以產(chǎn)生感應(yīng)電流？ （答案在底部）
電流終于可以連續(xù)產(chǎn)生了……1831年10月28日，法拉第發(fā)明了盤式發(fā)電機。 這是人類發(fā)明的第一臺發(fā)電機。 發(fā)電機終于誕生了！
法拉第首次發(fā)現(xiàn)了劃時代的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了電磁學(xué)的迅速發(fā)展。 隨后，科學(xué)家們開發(fā)出了產(chǎn)生交流電的方法。 今天我們家庭使用的電力是交流電。
電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重要的發(fā)現(xiàn)之一。 它展示了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對麥克斯韋電磁場理論的建立具有重要意義。
由于法拉第對電磁學(xué)的偉大貢獻，他被稱為“電之父”和“交流電之父”。 為了紀念他，人們將電容的單位定為法拉。 愛因斯坦在自己的書房墻上貼了一張法拉第的照片，并與牛頓、麥克斯韋放在一起，可見法拉第在電學(xué)方面的巨大貢獻。
法拉第一生做出了許多發(fā)明，如電磁感應(yīng)、電動機、發(fā)電機、交流電等。然而，他在探索的過程中遇到了各種困難。 他向《科學(xué)季刊》提交了電磁旋轉(zhuǎn)的研究成果，遭到批評。 有人嘲笑他抄襲，這只是運氣好。 有人對這一研究結(jié)果表示懷疑。 面對外界的各種批評、各種言語攻擊、導(dǎo)師大衛(wèi)的冷漠以及著名教授奧勒斯頓不愿澄清自己的恩怨，都讓法拉第心灰意冷，一度想放棄科學(xué)。 這是他一生中最黑暗的時期。
但法拉第的妻子、法拉第最忠實的崇拜者薩拉鼓勵法拉第不要因為別人的因素而放棄。 一天晚上，法拉第非常悲傷地說：“親愛的莎拉，我真的很尷尬。” 莎拉堅定地回答：“我寧愿你像個孩子一樣，因為你的純真而受到傷害，也不愿你像一個惡棍一樣，因為被傷害而受到傷害。” 他總是提防著別人。”法拉第驚訝于妻子的堅強，在她的鼓勵下他堅持了下來。兩個月后，法拉第發(fā)表了他著名的關(guān)于帶電導(dǎo)線在地磁影響下旋轉(zhuǎn)的實驗。場上，給他最大掌聲的人是奧勒斯頓教授！所以，只要堅持，就會有結(jié)果。當(dāng)你得到肯定的時候，誰還會在乎流言蜚語呢？
盡管在此后的四十六年里，兩人共同經(jīng)歷了貧困、不孕、失憶的危機，但這一切都讓他們的愛情更加深厚。 在法拉第晚年的最后一次演講中，他在會場大聲宣講：“她是我生命中的初戀，也是最后的戀人。她讓我年輕時最燦爛的夢想成真；她讓我意識到，我仍然有安慰。”我老了，我們相處的每一天都是淡淡的喜悅，每時每刻，她都還在我的腦海里，有了她，我的人生就沒有遺憾了，我唯一在意的是，我離開之后，還能怎樣？我親愛的一生照顧我的伴侶承受著折斷翅膀的痛苦嗎？我只能用純粹的信仰向永恒的神訴說：我沒有給她留下任何東西，但我不害怕。我知道你我會的一定會照顧她，你一定會照顧她的……”
1867年8月25日，法拉第在薩里的漢普頓宮平靜地去世。他對妻子說：“我的父親是鐵匠的助手，我的兄弟是工匠。從前，為了學(xué)習(xí)讀書，我成了一名“在書店當(dāng)學(xué)徒法拉第電磁感應(yīng)定律，我叫邁克爾·法拉第，以后我的墓碑上刻的也將是……就這個名字！”
一代科學(xué)巨星，在譜寫了他非凡的一生后，給人們留下了寶貴的科學(xué)財富。 法拉第第一個提出電場和電場線的概念。 總結(jié)了兩條以他的名字命名的電解定律，構(gòu)成了電化學(xué)的基礎(chǔ)。 他給化學(xué)中的許多重要術(shù)語起了通俗的名字，如陽極、陰極、電極、離子等。法拉第的貢獻造福了所有人，將人類文明提升到了前所未有的高度，將文明進程推進了數(shù)十、數(shù)百年。 這位自學(xué)成才的偉大科學(xué)家注定會永垂不朽。
讓我們通過一分鐘的視頻，重新認識法拉第的傳奇一生！
注：本題答案為D
供稿人：蘇嘉林
評論：辦公室