发明时代 发明发电机

发明时代 发明发电机 发明发电机 在伦敦博物馆里珍藏的法拉第的科学日记表明，从1820 年到1862 年， 法拉第从未间断过记日记，英国皇家学会在1932 年出版的法拉第日记有七大 厚本。当你翻开这厚厚的一摞日记本的时候，会在1821 年到1831 年这部分 的每一页上，都看到一个醒目的“NO”字。“NO”，在英语里代表否定，为 什么法拉第在每一页上都否定自己呢, 原来，这里记录了法拉第10 年以来探索磁生电的艰苦历程。 1821 年法拉第在自己的日记里写下了一个闪光的设想:“从磁产生电,” 他确信电和磁好比是一枚硬币的图案和字样，是同一事物的两面，这虽然只 是法拉第的一种直觉，但反映了他对自然规律的一种信念。 当时，世界上探索这件事的科学家不只法拉第一个人。德高望重的电学 家安培，也在思考这个问。安培想到，静电感应现象，当用一根带正电的 玻璃棒，靠近一个和地面绝缘的导体时，在导体上靠近玻璃棒的地方会聚集 着负电荷，而远端则聚集着正电荷。这就是静电感应。静电感应可以使少量 的电荷源源不断的感应出大量电荷，现在中学里使用的静电起电机就是用这 个原理制成的。安培在想，能不能用电流感应出电流来，如果人们可以感应 出源源不断的电流，就可以完全抛开伏打电池了。 安培为了这个伟大的理想不断地工作着，开始他用一根不通电的导线去 靠近一根通电的导线，希望在那根电线里感应出电流来，但是没有成功，后 来，又改用磁铁，等待他的又是失败。安培总结经验后，认为自己使用的磁 铁太小，就到瑞士去订购了一个大的，因为法国还不会造那么大的磁铁。在 归来的途中马车翻了，安培被摔伤，更重要的是磁铁也摔坏了。 这个不大的打击，对于安培来说却有些承受不了。回到法国，伤好之后， 安培便终止了自己这项实验而转向电的理论研究。戴维从朋友的来信中知道 了安培的遭遇，并把信交给法拉第。安培的失败没有使法拉第动摇，反而觉 得自己的责任更加重大。于是写信向安培请教。他对安培的智慧一直怀有敬 意，也相信安培的思想中蕴藏着有价值的东西，还没有完全挖掘出来。 安培毫无保留地把自己的研究成果转告给法拉第，并鼓励他继续干下 去。这使法拉第深受感动。科学家之间的友谊比金子还要珍贵，实际上，当 某一个定律前面冠上一位科学家的名字时，这位科学家只是那些忠于科学， 奋斗不息的科学家群的一个代表。一个科学家如果得不到别人的帮助，是绝 对不会有任何成就的，这正如牛顿在晚年说的话:“我只是站在了巨人的肩 上??” 1823 年，32 岁的法拉第，由于他在化学方面的成就，已经由一名助理实 验员成为皇家学会的会员了，这几乎是最高的荣誉和学术地位。不少公司和 厂家用重金聘请法拉第，他可以得到上千磅的酬金。这时皇家学院正处于经 济拮据的窘境，法拉第的妻子经常为衣食发愁。但是，法拉第毅然放弃发财 的路而选择了在荆棘之路上的探索，他为了集中精力进行电磁研究，还辞去 了学院的大部分职务，妻子理解他，宁愿过清贫的生活。 法拉第的一位同事，科学家丁铎尔后来感慨地说:“这位铁匠的儿子， 订书商的学徒，把他的一生概括起来，一方面可以得到15 万英磅的财产，一 方面是完全没有报酬的学问，要在这两者之间作出选择。结果他选择了后者， 终生过着穷困的日子。然而这却使英国的科学声誉比各国都高，获得接近40 年的光荣。” 起初，法拉第的实验只是仿照安培的做法，安培的磁生电的实验完全是 对静电感应的模仿，因为静电感应时，只要把带电体靠近绝缘导体。在导体 的另一端，就能感应出电荷。法拉第把两根导线靠在一起，在一根导线里通 上电流，希望在另一根导线上感应出电流来，但是，实验结果是失败。后来， 他又用一个强大的磁铁靠近接有电流计的导线，但是，导线里也没有像法拉 第想象那样出现电流。这样的实验许多人都做过，结果都是失败，唯有法拉 第没有被失败吓倒。 法拉第认为，失败的主要原因是自己对电和磁的本质知道得太少，他听 说如果把铁屑撒在通电导线的周围，能形成环形图案。这些图案必定包含着 什么秘密。法拉第决定从这神秘的磁力图案开始研究。 法拉第拿来一张白纸，纸下面放一块条形磁铁，把细铁屑撒在白纸上， 轻轻地弹动这张纸，铁屑立即排列成从磁极出发的许多条美丽的曲线，这件 事600 多年前佩雷格里努斯就做过，但是理解它的只有法拉第。 法拉第给这些曲线起了一个名字叫磁力线，法拉第是一个使科学概念精 确化的大师，我们现在使用的许多科学名词都是由法拉第命名的。法拉第每 天都摆弄这些磁铁和铁屑，研究磁力线的性质，他画出了条形磁铁，马蹄形 磁铁，甚至形状像地球的球形磁铁的磁力线。他发现了磁力线的许多性质。 磁力线从磁铁的一个磁极出发终止到另一个磁极,磁力线之间有排斥的倾 向，在空间总有散开的趋势。当一个线圈通上电流时，磁力线便引发出去, 切断电流时，磁力线就收回消失,而电流接通后，磁力线就不再运动。法拉 第对这些关于磁力线的研究，实际上已经揭示了磁场的本质，但是不被当时 的科学界所接受。因为这里没有数学，在法拉第所在的19 世纪初期，数学已 经高度发展，大大超过现在非数学专业大学毕业生的数学水平。数学是研究 物理的重要工具，但是它永远不能代替物理。从纷繁复杂的物理现象中找出 实质，需要的是思想，有时并不需要有高深的数学知识。 著名的科学家汤姆逊在几十年后曾经评论说:“在法拉第的许多伟大贡 献当中，最伟大的一个就是磁力线概念了，电场磁场的许多性质，依靠它就 可以简明而形象地表示出来。” 法拉第发现，磁力线像一些链条一样把电流和电流，磁铁和电流之间联 系在一起。如果能从这些拉拉扯扯的线团里理出一些头绪来，磁生电的愿望 就会实现了。 法拉第发现，磁力线在通过通电螺旋管时，非常顺从，就像梳理好的一 束秀发。于是法拉第把两个螺旋管绕在一个铁环上，此时他想，如果给其中 的一个线圈通电，磁力线一定会穿过一个螺旋管后，再穿过另一个螺旋管， 从而把两个线圈联系在一起。 法拉第把其中一个线圈和有10 个电池的电池组相接，另一个线圈和电流 计连接，当他合上电键时，他看到电流计的指针振动了一下，又回到零的位 臵，当切断电源时，电流指针又受到扰动。 法拉第非常高兴，但没有立即领会到这种现象的全部意义，他在1831 年9 月23 日的一封信中写道:“我现在又忙于电磁的研究，并且认为抓到了 一点好东西，但是还不能说明白。它可能是杂草而不是鱼，竭尽全力，我终 究可以把它拉起来。” 法拉第利用磁力线进行分析，他断定，当其中一个线圈通电的时候，一 束磁力线立即从它发出穿过另一个线圈,而切断电源时，磁力线便缩回到第 一个线圈中消失掉。恰是在磁力线伸缩时，产生瞬时电流。 法拉第开始领悟到安培实验失败的原因了。原来是静电感应现象的类比 使自己走入歧途。在静电感应中，一切都是不动的，而这里运动则是关键。 法拉第把这种运动形象地叫做线圈切割磁力线，只有此时才会有瞬时电流产 生。 这些思考大约花去了法拉第三个月的时间，法拉第当时也担任着皇家学 院的讲座工作。 据说和奥斯特类似法拉第也是在课堂上做出了电生磁的重大发现。说起 法拉第演讲还有一个故事。皇家学院的科学讲座一直没有停止，因为，这样 可以解决学院的部分财政问题。年轻的法拉第一开始是没有资格来举行讲座 的，有一次法拉第为电学家惠斯顿准备好了实验仪器，等待他来演讲，但是 惠斯顿突然有事情不能来。大厅里已经坐满了前来听讲的听众。此时只好由 法拉第代为演讲。毫无准备的法拉第进行了即兴演讲，做了许多有趣的实验， 博得了听众的好评，从此以后，法拉第成为主要的演讲人，代替他的老师戴 维。 在一次演讲中，法拉第向人们讲述了什么是磁力线，他把一个条形磁铁 插入与电流计相连的线圈之中，就在这个时候，法拉第看到电流计指针的摆 动，当把磁铁从线圈里抽出来的时侯，指针向相反方向摆动。法拉第让磁铁 不动，把线圈突然套在磁铁上，电流计的指针也在摆动，把线圈从磁铁上抽 出来，指针又向相反方向摆动。如果磁铁和线圈全不动，则不管磁铁是不是 在线圈里，均不产生电流。 法拉第在演示磁力线的瞬间，自己切实地看到了，只有当线圈切割磁铁 周围的磁力线时，才能有感应电流产生。这正是他十年所追求的结果，只要 线圈不断地切割磁力线，感应电流就会不断地产生出来。 这是他经过十年奋斗得到的结果,磁生电的理想终于实现了,这不仅是 对法拉第，对整个人类来说也是一个莫大的喜讯, 讲座结束以后，法拉第回到家里，立即做了一个更精确的实验，实验过 10 月17 日的日记上。 程都记录在1831 年 也许有人认为，法拉第的这项发现是出于偶然，法拉第偶然地把磁铁插 入线圈中，又偶然地瞥了一眼桌上的电流计。其实这种看法并不是完全正确 的，在十年前，安培和法拉第都曾观察到电流计出现的瞬时摆动，但是并不 理解它，因此，也就不知道如何进一步去挖掘它。十年的研究使法拉第对电 磁场有了深入的了解，尤其是他建立的磁力线学说，实际上几乎包含了电磁 理论的全部内容，这是导致他发现电磁感应定律的内在原因。 法拉第并没有就此停步，他对于把磁铁从线圈里不停地拉出来又放进去 这种产生电流的方法还不满意。他想，必须使磁铁在转动中就可以产生电流 才有意义，因为当时的水轮机、蒸汽机，都是以转动的方式输出动力的。 法拉第找来一块大的马蹄形磁铁，把一个中心有轴的圆形铜盘固定在支 架上，铜盘的一部分伸到马蹄形磁铁两极间。在铜盘的轴线处引出一根导线， 铜盘在边缘通过一个电刷和另一根导线连接，两根导线连在同一个电流计 上。当摇动这个铜盘时，电流计就指示出电流的读数。 在圣诞节举行的盛大演讲会上，法拉第非常兴奋地向听众展示了这个新 奇玩意儿。法拉第有卓越的演讲技巧，演讲中充满了热情，就连擅长讲演的 小说家狄更斯都很钦佩他，维多利亚女王的丈夫艾伯特亲王和儿子爱德华王 子也是他的听众。 他详细地介绍了磁生电的原理，并开始摇动那个铜盘，电流计指针偏离 了零点，随着摇动的加快，电流的读数越来越大。 听众中传来欢呼声，法拉第的额头也沁出汗珠，当他轻轻地拭去脸上的 汗水时，却听到一位贵妇人不以为然的问话:“请问，先生，您发明的这小 玩意有什么用呢,” 法拉第不失风度地向这位夫人微微一欠身从容地回答道:“夫人，新生 的婴儿又有什么用呢,” 多么恰当的比喻，法拉第的铜盘发电机确实只发出了微小的电流。然而， 它又是真正的实用的发电机的原始形态。历史已经表明，由此导致的发电机 的诞生，向人类揭开了电气时代的第一页，到现在，任何人也不会否认，婴 儿已成长为巨人。