邁克爾·法拉第( ,公元1791-1867年),世界著名的自學成才的科學家、英國物理學家、化學家、發明家、發電機和電動機的發明者。
1791年9月22日出生于薩里郡紐因頓一個貧窮的鐵匠家庭。 他的父親是一名鐵匠,體弱多病,收入微薄,勉強維持生活。 但父親非常注重對孩子的教育,要求他們勤奮樸實,不貪圖金錢和地位,做正直的人。 這對法拉第的思想和性格產生了很大的影響。
由于貧困,法拉第的家庭無法送他上學,因此法拉第童年沒有接受正規教育,只上過兩年小學。 1803年,迫于生計,他走上街頭,成為一名報童。 第二年,他在一家書商兼裝訂商家里當學徒。 書店里堆滿了書。 懷著強烈的求知欲,法拉第如饑似渴地閱讀各類書籍,吸收了大量的自然科學知識,尤其是《大英百科全書》中關于電的文章,強烈地吸引了他。 他努力將書本知識付諸實踐,利用廢舊物品制作靜電發生器并進行簡單的化學和物理實驗。 他還和年輕朋友們成立了學習小組,經常討論問題、交流想法。 重視實踐特別是科學實驗的特點始終貫徹在法拉一生的科學活動中。
我們的時代是電力時代,雖然事實上我們有時稱其為太空時代,有時稱為原子時代,但無論其意義有多么深刻,太空旅行和原子武器在我們的日常生活中所扮演的角色相對較小。 然而我們一直在使用電器。 事實上,沒有任何技術特征能像電力的使用那樣完全滲透到當代世界。
許多人都為電力做出了貢獻,查爾斯·奧古斯丁·庫侖、亞歷山德羅·沃爾特伯爵、漢斯·克里斯蒂安·奧斯特、安德烈·瑪麗·安培等都位列其中。 但遙遙領先于其他人的是兩位偉大的英國科學家:邁克爾·法拉第和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。 兩人雖然在一定程度上互補,但并不是合作者。 這些貢獻中的每一項都足以讓我在這個名單上排名靠前。
1791年9月22日是一個光榮的日子。 一代科學大師邁克爾·法拉第出生于英國薩里郡紐因頓的一個貧困鐵匠家庭。 法拉第的一生是偉大的,但法拉第的童年卻很悲慘。
法拉第沒有放過任何一個學習的機會。 在哥哥的支持下,他有幸參加了學者塔圖姆領導的青年科學組織——倫敦金融城哲學會。 通過一些活動,他初步掌握了物理、化學、天文、地質、氣象等方面的基礎知識,為今后的研究工作打下了良好的基礎。 法拉第的求知欲感動了書店的一位常客。 在他的幫助下,法拉第有幸聆聽了著名化學家漢弗萊·戴維的演講。 他把所有的發言都記錄下來,整理得清清楚楚,然后回去和朋友們仔細討論、研究。 他還將整理好的演講記錄寄給了大衛,并附上了一封表示愿意投身科學的信。 結果,他如愿以償了。 20歲時,他成為大衛的實驗助手。 從此,法拉第開始了他的科學生涯。 盡管大衛對科學做出了許多偉大的貢獻英國物理學家,但他說我對科學最大的貢獻是法拉第的發現。
法拉第勤奮好學,深受大衛的器重。 1813年10月,他陪同大衛考察歐洲大陸國家。 他的公開身份是仆人,但他并不在意自己的地位,也不自卑。 他把這次考察視為一次學習的好機會。 他結識了許多著名科學家,參加了各種學術交流活動,還學習了法語和意大利語。 它極大地開闊了我的視野,增長了我的知識。
1815年5月,法拉第回到皇家研究所,在大衛的指導下進行獨立研究工作,取得多項化學研究成果。 1816年法拉第發表了他的第一篇科學論文。 1818年起,他與J.斯托達特合作研究合金鋼,首創金相分析方法。 1820年,他利用取代反應制得六氯乙烷和四氯乙烯。 1821年,他被任命為皇家科學院實驗室主任。 1823年,他發現了一種液化氯氣和其他氣體的方法。 1824年1月,他被選為英國皇家學會會員。 1825年2月,他接替大衛擔任皇家研究所實驗室主任。 同年發現苯。
1821年法拉第完成了他的第一項重大電氣發明。 兩年前,奧斯特發現,如果電流通過電路,普通指南針的磁針就會在電路附近移動。 法拉第受到此啟發,認為如果磁鐵固定,線圈可能會移動。 基于這個想法,他成功地發明了一種簡單的裝置。 在該設備內,只要有電流流過,電線就會圍繞磁鐵旋轉。 事實上,法拉第發明了第一臺電動機,這是第一臺使用電流移動物體的設備。 雖然是一個簡陋的裝置,但它是當今世界上使用的所有電動機的祖先。
眾所周知,固定磁鐵不會在附近的線路中感應出電流。 1831年,法拉第發現,當磁鐵經過閉合電路時,電路中會產生電流。 這種效應稱為電磁感應,產生的電流稱為感應電流。 法拉第電磁感應定律通常被認為是他最偉大的貢獻之一。
法拉第還發現,如果偏振光穿過磁場,其偏振態會發生變化。 這一發現具有特殊意義,因為它首次證明了光與磁之間的關系。
1820年,奧斯特發現了電流的磁效應,引起了科學界的關注。 1821年,英國《哲學年鑒》主編邀請大衛寫一篇文章,回顧自奧斯特發現以來電磁實驗的理論發展。 概述。 大衛把這項工作交給了法拉第。 在收集數據的過程中,法拉第對電磁現象產生了極大的熱情,開始轉向電磁學的研究。 他仔細分析了電流的磁效應等現象,認為既然電可以產生磁,那么磁也應該能夠產生電。 因此,他試圖通過固定磁力對電線或線圈的作用來產生電流,但他的努力失敗了。 經過近10年的不斷實驗,法拉第終于在1831年發現,雖然一個通電線圈的磁力不能在另一個線圈中引起電流,但當通電線圈的電流第一次接通或中斷時,另一個線圈中的電流。儀表指針有輕微偏轉。 法拉第眼??睛一亮,經過反復實驗,他證實,當磁力發生變化時,另一個線圈中就會產生電流。 他還設計了各種實驗。 例如,當兩個線圈相對移動時,磁力的變化也會產生電流。 就這樣,法拉第終于通過實驗揭開了電磁感應定律。 法拉第的發現掃清了探索電磁本質的障礙,并開辟了一種在電池之外產生大量電流的新方法。 基于這個實驗,法拉第于1831年10月28日發明了盤式發電機。這是法拉第的第二項重大電氣發明。 這種盤式發電機雖然結構簡單,但卻是人類創造的第一臺發電機。 現代世界發電的發電機就是從它開始的。
為了證實各種方法產生的電本質上是相同的,法拉第仔細研究了電解質中的化學現象,并于1834年總結出法拉第電解定律:電解釋放的物質總量與通過的電流總量與該物質的化學當量成正比。 這個定律成為物理學和化學之間的橋梁,也是通向電子發現的橋梁。
作為天才的電學大師,法拉第為電磁新領域的進步制定了路線圖。 1837年,他引入了電場和磁場的概念,并指出場圍繞著電和磁而存在,打破了牛頓力學中“遠距離作用”的傳統概念。 1838年,他提出了電力線的新概念來解釋電和磁現象,這是物理學理論的重大突破。 1843年,法拉第用著名的“冰桶實驗”證明了電荷守恒定律。
法拉第在電磁新領域播下了種子。 為了探索電磁與光的關系,他在光學玻璃上下了功夫。 1845年,經過無數次的失敗,他終于發現了“磁光效應”。 他通過實驗證實了光與磁的相互作用,為電、磁、光的統一理論奠定了基礎。
1848年,經阿爾伯特親王介紹,法拉第獲得位于薩里漢普頓宮的恩典之家,并免除一切費用和維護費。 這里曾經是泥瓦匠大師的住宅,后來被稱為法拉第之家,現在位于漢普頓宮路法院路37號。
1852年,他提出了磁力線的概念,從而為經典電磁理論的建立奠定了基礎。 后來,英國物理學家麥克斯韋利用數學工具研究了法拉第的磁力線理論,最終完成了經典電磁理論。
1858年,法拉第退休并定居在薩里漢普頓宮的格雷斯宮。
1867年8月25日,邁克爾·法拉第因治療無效去世,享年76歲。 法拉第和莎拉沒有孩子,所以他也沒有孩子來送行。
電氣科學成就榮譽
他對電力的貢獻最為顯著。
(1) 法拉第最早有記錄的實驗是用七枚半便士硬幣、七枚鋅片和六張浸泡在鹽水中的濕紙制作伏打電池。 他還用這種電池來分解硫酸鎂。
(2) 1821年,丹麥化學家漢·克里斯蒂安·奧斯特發現電磁現象后,大衛·海德·沃拉斯頓和威廉·海德·沃拉斯頓嘗試設計電動機,但失敗了。 在與他們討論這個問題后,法拉第繼續他的工作并建造了兩個裝置來產生他所謂的“電磁旋轉”:由線圈外部的圓形磁場引起的連續旋轉運動。 他將電線連接到化學電池上,使其導電,然后將電線放入內有磁鐵的水銀池中,電線就會繞著磁鐵旋轉。 該設備現在稱為單極電機。 這些實驗和發明成為現代電磁技術的基石。 但此時,法拉第做出了一個不明智的舉動,在沒有通知大衛和沃拉斯頓的情況下發表了研究成果。 這一舉動引起了很大爭議,并迫使他離開電磁研究數年。
(3)現階段,有一些證據表明戴維可能有意阻礙法拉第在科學界的發展。 例如,1825年,戴維指派法拉第進行光學玻璃實驗。 這個實驗持續了六年,但沒有取得重大進展。 直到1829年戴維去世,法拉第才停止了這項無意義的工作,開始了其他有意義的實驗。 1831年,他開始了一系列重大實驗并發現了電磁感應。 盡管弗朗西斯科·扎德基( Zadki)的早期工作可能已經預測了這一結果,但這一發現仍然可以被視為法拉第最偉大的貢獻之一。 一。 這個重要的發現來自于當他將兩根獨立的電線纏繞在一個大鐵環上,將其固定在椅子上,并讓電流通過其中一根電線時,另一根電線也產生了電流。 因此,他進行了另一項實驗,發現如果磁鐵穿過線圈,線圈中就會產生電流。 當運動線圈經過靜止磁鐵時,也會發生相同的現象。
(4)他的論證向世人確立了“磁場的變化產生電場”的概念。 這種關系通過法拉第電磁感應定律進行數學建模,并成為四個麥克斯韋方程之一。 然后將該方程組集成到場論中。 法拉第根據這個定理發明了早期的發電機,它是現代發電機的鼻祖。 1839年,他成功地進行了一系列實驗,使人類了解了電的本質。 法拉第利用“靜電”、電池和“生物發電”,產生了靜電吸引、電解、磁性等現象。 從這些實驗中,他得出了與當時主流思維相反的結論,即雖然來源不同,但產生的電力是相同的。 另外,如果改變尺寸和密度(電壓和電荷),也會產生不同的現象。
(5)在他的職業生涯后期,他提出電磁力不僅存在于導體中,而且延伸到導體附近的空間。 這個想法被他的同行拒絕,法拉第沒能活著看到它被世界接受。 法拉第還提出了電磁線的概念:這些流線從一個帶電體或磁體的一個磁極輻射到另一個帶電體或具有不同磁極的物體。 這一概念幫助世界將抽象電磁場形象化,并對 19 世紀電氣機械設備的發展產生了重大影響。 這些設備在 19 世紀余下的時間里主導了工程和工業。 1845年,他發現了一種被他命名為抗磁性(抗磁性)的現象,至今仍被稱為法拉第效應:當線偏振光穿過物體介質時,會施加一個磁場,并與光的方向對齊,然后磁場將在空間中轉動光繪制的平面。 他在筆記本中寫道:“我終于成功地‘解釋了磁曲線’——或‘力線’——和‘磁化光’。”
法拉第在靜電學研究中發現,帶電導體上的電荷僅附著在導體的表面上,并且這些表面上的電荷對導體的內部沒有影響。 其原因是導體表面的電荷受到彼此靜電力的影響而重新分布到穩定狀態,從而使內部各電荷所產生的靜電力相互抵消。 這種效應稱為陰影效應,適用于法拉第籠。 法拉第雖然是一位優秀的實驗家,但相比之下他的數學能力卻十分薄弱。 他只能計算簡單的代數,甚至在處理三角學時也遇到困難。 但法拉第知道如何用清晰簡單的語言表達他的科學思想。 他的實驗結果后來被詹姆斯·克拉克·麥克斯韋使用,并建立了當今電磁理論的基本方程。
法拉第將磁場線和電力線的重要概念引入物理學。 通過強調的不是磁鐵本身,而是它們之間的“場”,他為當代物理學的許多進步鋪平了道路,包括麥克斯韋方程組。 法拉第還發現,如果偏振光穿過磁場,其偏振態會發生變化。 這一發現具有特殊意義,因為它首次證明了光與磁之間的關系。
化學
(1) 法拉第最早的化學成果來自于他擔任戴維的助手期間。 他花了很多精力研究氯。 1833年,法拉第經過一系列實驗發現,當對氯化鈉水溶液施加電流時,可以得到氯氣2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑,并發現了兩種碳酸氯。
法拉第也是第一位對氣體擴散進行實驗(盡管粗略)觀察的學者,這種現象首先由約翰·道爾頓發表,托馬斯·格雷厄姆和約瑟夫·羅斯米特揭示了其重要性。 他成功地液化了許多氣體; 他研究了不同的鋼合金,并在光學實驗中創造了新型玻璃。 其中一個樣本后來在歷史上占有一席之地,因為當法拉第將玻璃放入磁場中時,他發現偏振光平面會被磁力偏轉和排斥。
(2)他還致力于創造一些化學的通用方法,以結果、研究目標和公開展示為分類英國物理學家,并從中獲得了一些成果。 他發明了一種加熱工具,本生燈的前身,廣泛應用于科學實驗室作為熱能來源。 法拉第在化學的許多領域取得了成就,發現了苯(他稱之為雙烴)等化學物質,發明了氧化數,并液化了氯等氣體。 他發現了水合氯的成分,這是戴維于 1810 年首次發現的物質。
(3)法拉第還發現了電解定律,并普及了許多專業術語,如陽極、陰極、電極、離子等,這些術語大多是威廉·懷爾發明的。 他還發現了苯。 由于這些成就,許多現代化學家將法拉第視為有史以來最杰出的實驗科學家之一。
(4)法拉第也在1825年首次發現苯。19世紀初,在英國,與其他歐洲國家一樣,天然氣被廣泛用于城市照明。 生產煤氣的原料制備煤氣后,會殘留一種長期被忽視的油狀液體。 法拉第是第一個對這種油狀液體感興趣的科學家。 他用蒸餾的方法將這種油狀液體分離出來,得到另一種液體,這實際上就是苯。 當時法拉第稱這種液體為“氫的重碳化合物”。