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200 年前法拉第发明电动机

科学
wanwan (42055)发表于 2021年09月06日 15时15分 星期一
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1820 年,丹麦物理学家汉斯·克海斯提安·奥斯特(Hans Christian Ørsted)的发现让电磁理论陷入了恐慌。当时的自然哲学家一直认为电和磁是两种截然不同的现象,但奥斯特却认为电流通过电线时即会在周围产生磁场。法国物理学家安德烈·马里·安培看到了奥斯特的演示实验,其中电流确实令磁针发生了偏转,于是他发展初一套数学理论来解释这种关系。英国科学家迈克尔·法拉第很快加入战团,当时《哲学年鉴》的编辑 Richard Phillips 要求他撰写一篇关于电磁学的综述。这时候的电磁学才刚诞生约两年,仍处于不断发展变化的时期。

法拉第被选中完成这项工作,也是段颇为有趣的奇闻。他出生于 1791 年,只在家乡萨里纽因顿村(现属伦敦南部的一部分)的教堂学校里接受过准系统教育。14 岁时,他在一家装订商处当学徒,并借此机会阅读了大量亲手装订的书籍。1812年,勤奋好学的法拉第结束了自己的学徒生涯,而他的一位装订客户则送给他一张参加汉弗莱·戴维在英国皇家学院举办的系列告别讲座的门票。

戴维只比法拉第大 13 岁,但当时已经是一位知名的化学家。他发现了钠、钾和多种化合物,并发明了矿工安全灯。此外,他还是一位颇具魅力的演讲者。法拉第详细记录了讲座内容,之后把副本寄给戴维并希望在他那里找份工作。当时皇家学会的化学助理职位正好空缺,于是戴维决定向法拉第伸出橄榄枝。

戴维指导法拉第并向他传授化学原理。怀着永不满足的好奇心,法拉第在皇家学会的名气也越来越大。但当 Phillips 邀请他为《哲学年鉴》撰写综述时,他当时才刚刚涉足电磁学、对于安培的数学理论甚至抱有一点恐惧心理。

本质上,法拉第是个实验主义者。为了写出完整的综述,他重建了奥斯特的实验并希望验证安培的推理。他在《年鉴》上匿名发表的《电磁学历史概要》描述了电磁学领域的状况、当前正在研究的问题与实验装置、理论发展成果以及各主要参与者。

在重建奥斯特实验时,法拉第并不完全相信电会像流体那样如同水穿过管道那些穿过电线。相反,他猜测电流其实是由导电材料之间的张力引起的振动。这样的初步假设引得他不断做出尝试。

法拉第观察到电线会被磁极周期性吸引及排斥,进而形成圆周旋转状态。他在笔记本上写道,“非常令人满意。”

1821 年 9 月 3 日,法拉第观察到导线在被磁极吸引和排斥时会发生圆周旋转。他在笔记本上勾勒出磁体绕南极顺时针旋转、绕北极逆时针旋转的现象。他在当天的实验笔记中写道,“非常令人满意,但还需要制造出更合理的设备。”

第二天,他就完成了这个小目标。他选择一个很深的玻璃容器,用蜡把一块磁铁竖着固定在里面,之后在容器中装满了水银,直到磁极刚好处于汞面上方。他在水银中设置了一根坚硬的漂浮电线,并将设备连接到电池上。当电流通过电路时,它就会在电线周围产生圆形磁场。 而当电线中的电流与固定在容器底部的永磁体相互作用时,电线就会顺时针旋转。在设备的另一侧, 电线则是固定的以确保磁铁能够自由移动,实验证明磁铁会绕着电线做圆周运动。