改变世界的科学家科学生涯在线免费阅读

法拉第曾在聆听化学家戴维[28]的演讲时做了认真的记录并毛遂自荐。戴维非常欣赏这个聪慧且用功的年轻人，引荐他进入英国皇家研究院工作。

在法拉第22岁那年，戴维带他到欧洲大陆考察，法拉第借此开阔了眼界，结识了欧洲大陆的很多科学家，并与他们交流。24岁时，法拉第搬到了皇家研究院顶楼的一个房间里，大师的科学生涯在这里开启。

电与磁

人类很早就发现了一些特殊的石头会指示南北方向，也发现了物体摩擦后会产生吸引与排斥的力量，人们逐渐地总结出一些电现象和磁现象的规律。但是，最初人们只是分别地研究它们，并未考虑它们之间的联系。

1820年，丹麦科学家奥斯特在一次授课结束后，偶然发现通电的电线旁边的小磁针发生了偏转，他立刻敏锐地意识到这件事情不简单。他花费3个月的时间做了各种各样的实验，证实了电流会产生磁场。他在论文中详细阐述了这一科学规律。这是学术界第一次发现了电和磁之间的关系。

电生磁这一现象被人们发现，那么，磁能否影响电呢？法国科学家阿拉果和德国物理学家冯·洪堡在测量地磁场时发现，小磁针在被碰到的时候，会小幅度震颤，然后逐渐停下，但是拥有一个铜制底座的小磁针，比没有底座的小磁针摆动的时候停下得要快。阿拉果敏锐地联想到可能存在逆效应，他很快就做了进一步实验：将磁针悬吊在铜盘上方，二者均可自由旋转，但不相互接触。旋转磁针，铜盘会在短暂的迟滞后跟随一起旋转；旋转铜盘，磁针也会在短暂的迟滞后跟随一起旋转。这便是著名的“阿拉果铜盘实验”。

彼时的法国科学院俨然是电学研究的中心，不但有阿拉果的实验成果，还有毕奥、萨伐尔、安培等多位物理学家进行电学方面的实验与理论研究工作。

英法两国隔着英吉利海峡相望，那时候的英国皇家研究院与法国科学院的交流非常频繁，身处英国皇家研究院的法拉第显然是处在学术交流前沿的。在得知阿拉果铜盘实验后，他又设计了数个更为复杂的实验，并在理论上解释了阿拉果铜盘实验：磁场和金属的相对运动在金属中产生了电流，电流产生磁场，与磁针产生了力的作用。

在研究阿拉果铜盘的过程中，法拉第在铜盘上方放置了一个磁铁，用导线将铜盘中心和铜盘边缘相连接，并在导线中间接了一个电流计，旋转铜盘时，电流计指示导线里出现了电流。这说明，在磁场与运动导体的作用下，电流可以产生。在奥斯特发现电可以产生磁之后，法拉第也发现了磁可以产生电。

其实，法拉第设计的这个装置，就是一个原始的直流[29]发电机。法拉第通过实验还发现，单纯的一个通电线圈产生的磁场并不能在另一个线圈中引发电流，但是如果将通电的线圈切断电源，或者突然接通，在切断和接通的那一刻，另一个线圈中会引发电流。这说明，稳定的磁场并未产生电流，但是变化的磁场可以！

1831年，法拉第在英国皇家学会公开了他发现电磁感应现象的四篇论文，题目分别为《论电流感应》《论从磁产生电》《论物质的一种新的电状态》和《论阿拉果的磁现象》。

法拉第在论文中对磁生电的过程进行了详细的理论总结，这种磁场产生电流的过程被称为电磁感应现象。从奥斯特发现电生磁到法拉第发现磁生电，电和磁两个领域实现了初步的统一[30]。法拉第还研究发现了磁—光效应，发现了磁场对光的影响，这为后来的光学与电磁学的统一打下了基础。

科学家们在研究科学理论的时候，一直都在追求用最少的语言与公式总结出最通用的理论，完成不同分支理论的统一。这是每一位理论物理学家梦寐以求的成就。

法拉第做研究非常有特点，他非常善于用巧妙且直观的物理模型来对抽象的规律进行解释。当物理学的研究深入到电磁学现象时，人们面对一个很现实的问题：与力学、光学等可以直观看到的问题不一样，电磁作用难以直接观察，而是需要借助其他指示方法（力的作用或者电学仪器等），无论是研究还是学习，都有不便之处。法拉第开创性地使用了电力线的模型，将电场和磁场想象为一根一根的线，我们称之为“力线”。“力线”的方向指示了电场或者磁场的方向，疏密指示了场的强度大小。至今，我们仍然在使用这种直观且简洁的表示方式。

与化学的不解之缘

近代化学的发展也始终离不开电学的进步。从伽伐尼在解剖青蛙时金属手术刀偶然碰到神经造成蛙腿抽动开始，人们就逐步意识到化学反应可能会和电有关。意大利科学家伏打造出了伏打电池，人们通过化学反应获得了稳定的电源。在伏打电池中，物质进行化学反应的化学能转化成了电能，那么，如果反过来会怎样呢？

组成物质的基本单元名叫分子，分子又由原子组成，也可以说，分子是原子的一种组合。所谓化学反应，就是不改变原子，只改变原子的组合的过程。

在化学反应过程中，分子改变的时候，会发生电子的转移[31]，对于那些可以自发进行的反应，如果把两种反应物用导线连接，电子的转移会通过导线进行，导线中移动的电子，就形成了电流，这就是电池——利用内部的化学反应产生电流。但这是有条件的，这要求这一化学反应是“可以自发进行的”。也就是产物蕴含的化学能低于反应原料，此时化学反应就可以像石头从山坡上滚落那样，不需要外部的力量，自己就能反应。

那么，我们反过来思考这个问题：如果想让石头从山脚往山顶滚，那么需要推这块石头，如果想要让不自发进行化学反应的物质产生化学反应，我们能否也“推它一把”？其实，刚好和电池反过来，如果向溶液中通电，那么溶液里原本不会反应的物质，就会在这个外部的“推动”下，发生化学反应，这个过程就是——电解。

法拉第的伯乐戴维——也就是我们前面讲过的举荐他进入皇家研究院的那位化学家，在19世纪初首先使用电解的方法获取了金属钠和钾。法拉第继续了戴维的研究，他定量地研究了电解过程，并总结出了其中的规律——反应物质与电流、通电时间之间的定量关系。

后人以法拉第名字命名的科学规律有两条：其一是法拉第电磁感应定律，前文我们讲过，它定量地描述了磁生电的过程及其中的数量关系；其二就是这里的法拉第电解定律。这两条伟大的规律分别为物理和化学开启了两个重要的研究方向，把人类文明带进了一个伟大的时代。