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发电机的鼻祖——法拉第
发布时间:2017-12-26


法拉第的实验室。


1856年,法拉第在英国皇家学会演讲。


迈克尔·法拉第



法拉第电磁感应实验原理


法拉第手稿,里面最多的是力线手绘图


法拉第的墓碑上只有他的名字与出生年月

迈克尔·法拉第,英国著名物理学家、化学家和发明家,是历史上最伟大的科学家之一。法拉第十年磨一剑,提出电磁感应学说,在实验室实现了磁生产电,这也为未来人类发明发电机、为人类开启电气化时代做出了不可磨灭的功绩。


磁产生电的伟大实验

人类能不能大规模生产电?几百年前,这还真是个难题。

迈克尔·法拉第(以下简称法拉第)提出的学说以及相关实验,正解决了这个难题。

法拉第相信,电、磁、光、热是相互联系的,1820年,丹麦物理学家奥斯特发现了电流对磁针的作用。法拉第敏锐地感受到了这个发现的重要性,他决心进一步探索其内在原理。

1821年,法拉第成功地进行了“电磁旋转实验”。他坚信,自然界中的各种力都存在密切关系,而且可以相互转化,因此,磁也一定能产生电。法拉第在认清方向后,决心用实验来证明它。经过漫长的10年后,1831年10月17日,这是人类发展史上应当记住的一天。法拉第终于在实验室实现了用磁产生电。他发明了一种电磁电流发生器,后来被人称之为圆盘发电机,这是最为原始的发电机,依靠该装置法拉第在实验室获得了直流电,“法拉第电磁感应定律”也由此诞生。

现代社会,不论是火力发电、水力发电还是核发电,都是以电磁感应定律为基础。这为电从实验室走向工厂、矿山、农村、走进每一个家庭打开了大门,这是一个划时代的伟大科学成就,是人类发展电力工业的基础。


美丽的力线图

物理学的魅力,存在于那些美丽的力线图等物理图示。法拉第实现磁生产电的关键是他提出的“力场”理论。

如果将铁屑洒在一块磁铁上,大家会发现铁屑会呈现出一种充满整个空间的蜘蛛网状,这就是法拉第的力线,它以图形的形式描绘出了电和磁的力场在空间的散布状态。举例来说,如果有人绘出整个地球的磁场,他会发现力线从N极地区伸出,然后在S极地区落回到地球上。同样的,如果有人画出雷阵雨中一枚避雷针的电场线,他会发现力线集中在避雷针的尖端。在法拉第看来,“空的空间”其实根本不是空的,而是充斥着能使遥远的物体移动的力线。

只上过2年学的法拉第,未能接受足够的数学教育,因此他的笔记本中密密麻麻的不是各种数学方程式,而是力线的手绘图表。他创造了如今任何物理课本中都可以看到的、美丽的力线图表。从科学上来说,物理图像通常比用来对其进行描述的数学语言更为重要。

法拉第的力场原理被用于生产给全世界城市提供能量的电力。现在大家所使用的每一度电,都建立在法拉第的力场理论之上。比如水力发电,水流通过大坝,在涡轮机中产生巨大的磁力进行转动,这个涡轮机随后再推动电线中的电子,形成一股电流,产生电力,最后通过高压电线输送到用户。这就是力场带来的作用效果。


“我是一个普通人”

法拉第一生拥有几十项伟大的发现与发明,但却是一个只上过2年学、依靠自学成才的科学家。

1791年9月22日,法拉第出生于英国一个贫寒家庭,在他9岁那年,父亲去世,迫于生计,仅上过2年学的法拉第不得不承担起生活的重担。

22岁,法拉第成为当时著名科学家戴维的实验助手,进入了皇家学会(全称为“伦敦皇家自然常识促进会”,在英国起着国家科学院的作用——编辑注)。从此,法拉第开始了他的科学研究生涯。随着他研究成果的不断问世,法拉第渐渐成为当时最为著名的科学家之一。

1857年,英国皇家学会学术委员会一致决议聘请他担任皇家学会会长,对这一荣誉职务,他再三拒绝:“我是一个普通人,如果我接受皇家学会希翼加在我身上的荣誉,那么我就不能保证自己的诚实和正直。”当英国王室准备授予他爵士称号时,他也多次婉拒,强调自己出身平民,不想成为贵族。

1867年8月25日,法拉第去世。在墓碑上,只有他的名字和出生年月。


小常识:

电磁感应定律

因磁通量变化产生感应电动势的现象,被称之为电磁感应定律。它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化,电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。


发电机

法拉第的电磁感应定律,最伟大的应用就是发电机。法拉第电磁感应定律是电磁学的一条基本定律,任何封闭电路中感应电动势的大小,等于穿过这一电路磁通量的变化率。根据该定律,电路及磁场的相对运动所造成的电动势,是发电机的根本现象。当永久性磁铁相对于一导电体运动时(反之亦然),就会产生电动势。如果电线这时连着负载的话,电流就会流动,并因此产生电能,把机械运动的能量转变成电能。


变压器

1831年8月29日,法拉第利用一个直径6寸的铁环,外面绕着5圈的铜线圈,其中一个线圈的一段连接到伏特电池,另一个线圈则连接到电流计。当电池一有了电流,电流计上也马上出现短暂反方向的电流。这个著名的感应电池就是历史上第一个电变压器。而现在的变压器,也都是以相应的原理所建造的。


新应用

法拉第的力场曾经被视为毫无用处,是无所事事的随意涂鸦,但它是真实的、物质的力量,可以移动物体并产生能源。

如今,大家的衣食住行无不依靠于这种神奇的力量。大家乘坐由电力转化成动能的地铁或者公交,手机通信产品、各种电子数码设备,以及电脑等,只要你能想到的电子设备,都是依靠电能转化成其他能量,使你手中的设备得以运行。

一块转动的磁铁会制造力场,推动一根电线中的电子,使它们以电流的形式移动,其后,这股电线中的电力可以点亮一盏灯泡。与此同样的原理被用于生产给全世界城市提供能量的电力。水流过一个大坝,在一个涡轮机中产生巨大的磁力进行转动,这个涡轮机随后再推动电线中的电子,形成一股电流,通过高压电线输送到用户。这些看似平常的事情,背后都是对力场的应用。

换言之,法拉第的力场是驱动现代文明的动力,从电动推土机到如今的计算机、互联网还有数码产品,都源于力场的发现。

来源:《亮报》2013年2月27日专题版

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