落秋文学

磁电和光（第1页）

磁、电和光

1819年，整个欧洲都在用电流做实验，这时奥斯特（HansOersted，1777—1851）正在哥本哈根大学教授物理课。他也不例外，在一次课堂演示中，他拿起一根通电导线，让它靠近一枚磁针。长期以来，关于电和磁的关系一直存在种种猜测。奥斯特也许猜想到了电流和磁铁相互间会有某种效应。果然他是对的。

这是一种突然瞬时的反作用，磁针晃动了，不过不是沿着电流的方向，而是与电流方向垂直。奥斯特改换电流的方向，磁针再次晃动。不过这次方向相反，但仍然与电流方向垂直。

奥斯特第一次在学生面前演示电与磁之间存在的联系，从而打开了一项新研究领地的大门：电磁学。后来证明，这是19世纪最有成效的领域之一。

一个古老的奥秘

电与磁的研究都可追溯到16世纪柯彻斯特的吉尔伯特的工作。吉尔伯特最先引入电力、电吸引和磁极这些名词。在1600年出版的《论磁》中，他论述了自己的研究，因此，人们普遍认为他是电学研究的奠基人。

17世纪，盖里克设计了一个可以产生静电的机器，1745年，马森布洛克（PietervanMussbroek，1692—1761）和克莱斯特（Ewaldwo，1700—1748）独立发现了莱顿瓶原理。不仅在科学上，而且在日常生活中，对电的兴趣普遍高涨，富兰克林对电的极性、电与磁的关系、电对熔融金属的能力等方面作了广泛的研究。

然而，在伏打发明伏打电池以前，还没有办法产生连续稳定的电流，所有的电源都是静态的。在伏打之前，电可以储存，但一瞬间就放电完毕（常常表现为强大的电击形式）。

但是，19世纪却迎来了电学上的伟大突破。一旦用上了电力，不仅会改变人们的生活方式，而且通过对电、磁以及它们关系的新认识，将会产生新的强大理论，从而改变人们对宇宙的看法。沿着这一方向，一位名叫法拉第的年轻人首先迈出了巨大的步伐。

伟大的实验家法拉第

法拉第是科学史中最让人崇拜和尊敬的人物之一，不同于他的同事们，他既没有受过什么教育，也没有闲暇时间。作为英国一位铁匠十个孩子中的一个，除了去学校学会读书写字，法拉第从来就没敢奢望进大学。12岁时，他就开始自己谋生，学校生涯就此结束。但是有些人往往有强烈的好奇心，他们不可遏止地要探寻这样一些问题，诸如：世界是什么组成的，或者为什么人们以这种方式行事，或者是什么使事物运转。法拉第就是这样一位具有不倦好奇心的人物。他还交了一点好运：找到一份在装订厂里当学徒的工作，就在他为书籍装订封面的同时，还贪婪地阅读书中的文字。他读了《大英百科全书》（Eannica）中关于电的文章和拉瓦锡的《化学基础论》。他还读了（并装订了）简·马舍特（Ja，1769—1858）的《化学谈话》（versatiory），这本书在19世纪初是一本广泛流传的通俗读物。

法拉第

随后另一个好运降临法拉第生活。一位顾客送给法拉第几张票，是皇家研究所戴维的四次演讲票。法拉第极为高兴，对那四次讲座的全部内容都作了详细记录，他把这些记录装订好后送给戴维，并附上一封希望在研究所当助手的申请书。几个月后，戴维果然给法拉第提供了这份工作。戴维的一个同事说，“让他洗瓶子吧，如果他确实不错，他会接受这份工作；如果他拒绝，那他什么事情也干不成。”这一工作的薪金比法拉第订书的工资要少，但这个机会他正求之不得呢。

不久，戴维在1813年访问欧洲，随身带上法拉第作为秘书和科学助手。尽管戴维的夫人把法拉第当做仆人，但这位年轻人从无怨言，而是利用这个机会见到了科学界的关键人物，其中包括伏打、安培（André-MarieAmpère，1775—1836）、盖吕萨克（JosepLouisGayLussac，1778—185o，1786—1853）、洪堡（AlexandervonHumbokit，1769—1859）和居维叶。他们在欧洲各地旅行，从一个实验室到另一个实验室，完成各种实验，参加各种演讲，在这个过程中，法拉第接受了他从未有过的教育。

1815年，他们返回英国，法拉第正式成为实验室助理，负责皇家研究所的矿物收藏和仪器主管。他成了戴维在实验室里的得力助手，因为他灵巧、内行并且投入，经常从早上9点一直工作到晚上11点。几个月后，他的工资增加为年薪100英镑，这一年薪一直保持到1853年。

当法拉第读到奥斯特1820年做的实验后，他和科学界其他人一样，感到非常兴奋。奥斯特的磁针显示，电流不是像大家想的那样，沿着直线从导线的一端流向另一端，而是围绕着导线。巴黎的安培证实了这一思想，他证明，如果两根载流导线平行放置，其中一根处于可随意运动的状态，当两根导线电流方向一致时，它们互相吸引；如果电流方向相反，则互相排斥。

法拉第自己动手做了一个简单的实验。1821年9月，他演示了“电磁旋转”，让载流导线围绕着一块固定的磁铁旋转，同时又让磁铁围绕一根固定的载流导线旋转。这是第一个原始的电动机。

遗憾的是，戴维因此而对法拉第生气了，他声称法拉第窃听了戴维与沃拉斯顿（WilliamHydeWoUaston，1766—1828）的谈话，因为谈话中涉及类似的实验。法拉第承认他也许受到谈话的启示，但是他的装置有实质上的不同，沃拉斯顿和历史也都承认这一点。

无论如何，这也许是法拉第最不足道的发现，他正在酝酿更大的发现。1822年，法拉第在他的笔记本中写道：“把磁转变为电。”奥斯特用电产生磁（磁针反映了磁力），为什么逆过程不可能发生呢?

法拉第从安培和另一位物理学家斯图根（WilliamSturgeon，1783—1850）提出的设想开始着手。他先是准备一个铁环，铁环的一部分用线圈缠绕，合上电键即可引入电流。铁环的另一部分也缠绕线圈，然后连接到电流计。他想第一个线圈的电流也许会在第二个线圈中引起电流。电流计可以测量第二个电流并显示结果。

这一想法真的成功了——这正是第一个变压器——但是结果让人有点吃惊。尽管在铁环中有稳定的磁力，但在第二个线圈中却没有稳定的电流通过。取而代之的是，仅当法拉第闭合线路时，第二个线圈才会出现瞬时电流——电流计跳了一下。然后当他再次切断线路时，又产生了瞬时电流，标志是电流计又跳了一下。

由于法拉第不懂数学，他只能形象地解释这一现象，并且提出磁力线这一概念。他注意到，如果在纸片上撒有铁屑，上面放一块强磁铁，轻轻敲击，铁屑就会沿着他所谓的磁力线呈现出某种模式。他想象电流形成某种磁场，从源头向所有方向辐射。当他在实验中合上线路时，力线辐射出去，而第二个线圈则切割了这些力线。这时，第二个线圈里就有感应电流。当他断开线路时，力线“收缩”，第二个线圈又切割了力线，从而再次生成感应电流。他还研究了条形磁铁的力线、像地球一样的球形磁铁的力线和载流导线的力线。这是自从伽利略和牛顿提出机械论宇宙以来，第一次以一种更富创造力的新眼光来看待宇宙，这就是场理论的出现。

1831年，法拉第在皇家研究所的一次大型普及讲座中，用另一种方法演示了力线。他拿起一个线圈，把磁铁插入线圈中。与线圈相连的电流计指针开始晃动，当磁铁的运动停止时，晃动也停止。当他把磁铁取出时，电流计又有显示。磁铁在线圈里面运动，也有显示。如果把线圈移过磁铁，电流计也会显示。但是如果磁铁在线圈中静止不动，电流计就没有电流。法拉第发现了电磁感应原理。也就是说，他发现通过机械运动与磁的结合可以产生电流。这就是发电机的基本原理。［另一位物理学家，美国的亨利（JosephHenry，1797—1878）也精彩地演示了这一相同的思想，但是他没有及时发表。于是，一心专注于工作的法拉第获得了发现权的荣誉，对此亨利欣然接受］