新編世界上下五千年,歐姆定律,電磁學的宗師

2021-01-15 百家號

大家好,我是席瑩,今天給大家帶來新編世界上下五千年

歐姆與歐姆定律

歐姆的父親是一名手藝高明的鎖匠,他對數學很有興趣,並且從小就對歐姆進行教育,指導歐姆學習數學,然而歐姆的科學道路並不平坦。

歐姆曾在中學教學,但是他的奮鬥目標是當大學教授。為了實現他的目標,他開始一步步地向科學頂峰邁進。他最初的實驗,是著重研究各種不同金屬絲導電性的強弱,他用各種不同的導體,來觀察磁針的偏移角。由於他當時很窮,連買實驗設備的錢都沒有。所以他就自己動手做,包括把金屬拉成絲。

他還試驗改變電路上的電動勢,結果在1822年發現了電學史上的一個十分重要的公式:「電流等於電阻去除電動勢。」這就是所說的歐姆定律,它是電學中的基本定律之一。這一定律可以表示為兩種形式:一是部分電路的歐姆定律,即通過部分電路的電流,等於該部分電路兩端的電壓,除此該部分電路的電阻,即I= U/R,二是全電路的歐姆定律,即通過閉合電路的電流,等於電路中電源的電動勢,除以電路中的總電阻,即I=E/R+r。

歐姆把關於電的研究和法國數學家、物理學家傅立葉關於熱傳導的研究加以類比。傅立葉假設流量與溫度的梯度成正比,然後用數學方法建立了熱傳導定律。歐姆用電流量對應熱流盤,用電位對應於溫度,並且通過實驗證明兩者有相似的關係。他發現,用伏特電池或塞貝克電池供電,電流I與電壓(或電動勢)U成正比,即I = U/R, R為電阻。

他還發現電阻和導體的長度成正比,而與某橫截面成反比,從而為物體的電導率的概念建立了基礎。而電導率則是表徵每一種物質對電和磁的總行為的三個常數之一。歐姆並研究了電池的並聯和串聯,在1826年發表了成功的實驗結果。

歐姆的這些對科學的貢獻是第一流的,理應能當上大學教授。可是他並未得到任命。他的研究成果激起了普遍的反對和不滿,這顯然是因為歐姆力圖把其成果建立在理論基礎上,而某些人卻不了解這裡還包含著完善周密的實驗研究。總之,歐姆遭到了極大的非難,使他被迫連中學教師的職位也辭掉了。

他在貧困和憤世不公的失望中度過了整整6年,而他的研究成果卻在其他國家慢慢地被人了解和賞識。1841年,英國皇家學會授給他科普利獎章,並於1842年吸收他為會員。最後,歐姆在巴伐利亞公國國君的幫助下,在自己的祖國也終於受到了尊敬,並在1849年被任命為慕尼黑大學教授。所以,他一生的最後5年是在壯志已酬的無憂無慮中度過的。在他逝世後,人們為了紀念他,在慕尼黑樹起他的塑像,並以他的名字命名了一條街。

電磁學的宗師--法拉第

法拉第出生於一個鐵匠家庭,家境非常貧困,他們兄弟姐妹總共有10人。當他讀到小學二年級的時候,就因生活貧困而被迫停學了。12歲的法拉第,為了生活所迫上街賣報;13歲時,又到一家印書作坊當了訂書童工。

這家印書作坊為法拉第提供了一個很好的學習場所。他的學習熱情非常高。白天,他拼死拼活抓緊時間幹完大大超過他勞動能力的裝訂任務;夜晚他躺在簡陋的童工屋裡,拼命讀書。他當了7年的裝訂工,學到了豐富的文化科學知識。他特別喜歡讀《大英百科全書》中的電學文章。就這樣法拉第靠自己的力量邁人了科學的大門。

有一天,一位顧客來作坊辦事,聽說他酷愛科學技術,就把自己的一張皇家研究所教授戴維舉辦的通俗化學講座人場券給了他。他聽後深受教益。他整理了筆記,又給筆記精心加進彩色插圖,接著用自己高超的裝訂技術裝訂成一本很漂亮的書。他忘掉了自己的地位和處境,忘掉了與戴維素味平生,他渴望得到戴維的指導。他寫了一份要求給戴維當助手的申請書,把書和信一併寄給了戴維。這一舉動不僅使戴維感動,而且還使截維驚訝。於是戴維滿腔熱忱地寫了回信。一個月以後戴維又同意讓他做了自己的助手。有人向戴維建議說:「讓他刷洗瓶子好了,如果他是個好樣兒的,就會幹這份工作,假如他拒絕,那就是個無用之人。」戴維採納了這一建議。

於是,22歲的法拉第接受了刷洗瓶子的差事。這個工作的工資比當裝訂工時還低。實際上是當一名「雜工」。

戴維是博學多識的科學家,在當時已經很有名氣。在戴維的一生中,更被人們稱道的是他發現和培養法拉第的「伯樂」精神。

法拉第在工作中任勞任怨,幹好戴維交給他的一切工作,並且虛心地向戴維學習科學知識。戴維為了進行科學調查,與夫人一同去歐洲旅行。法拉第作為「僕人」隨同前往。法拉第通過這為期一年半的長途旅行,掌握了科學研究方法,增長了見識,開闊了眼界。從此他真正開始了他的科學研究工作。

人類對磁的認識,已有很悠久的歷史,但一直沒有把它和電掛起鉤來。中國古代,人很早就發現了磁石吸鐵現象,所以把它叫做「慈石」,意思是它像慈母一樣,能把周圍的鐵吸到自己身邊。戰國末期,中國人又利用磁石的指南特性,製成了指南針,為人類文明做出了貢獻。但是那時人們對磁現象迷惑不解。直到1820年,丹麥物理學家奧斯特研究了電流在導線中的流動情況,發現了電與磁的關係,從而啟發了人們開始對電磁關係的研究。奧斯特發現,通電的導線能夠擾亂羅盤中的磁針。法國物理學家阿拉果發現電能生磁。

這時的法拉第對電磁產生了更加深厚的興趣。他想:既然電能生磁,那麼磁也一定能生電。於是他在他的筆記本中豪邁地寫下了「用磁生電」的誓言。

經過10年不懈的探索,法拉第終於發現了電磁感應原理,

在這10年中他做了各式各樣的實驗。

他在一張紙上撒上一層極細的鐵屑,在紙下面放一塊磁鐵,然後輕輕地敲這張紙。這時,受到震動的鐵屑沿著一條條磁線從磁體的北極到南極整齊地排列了起來。法拉第斷定這是人眼看不見的「磁力線」。

通過實驗法拉第發現了磁生電的瞬間電流。他要尋求的是更大的目標。接著他又做了一項非常著名的實驗。他用一個永磁體相對於線圈做一出一進的連續運動,這時雖然沒有任何電源,但只要有永磁體相對線圈的運動,這也就是說只要有磁力線切割過線圈,電流計上就標示出了線圈中電流的發生。這一實驗導致了1831年歷史上獨一無二的最偉大的電學發明,第一臺發電機問世。發電機的發明奠定了電磁學的實驗基礎,給人類帶來了光明的電力時代,再次引進了工業革命。

很遺憾的是,由於法拉第幾乎沒有上過學,非常缺乏數學知識。他可以算是歷史上最偉大的不懂數學的科學家。因此,他不能說明這些發現的本質。然而,他所完成的關於磁力線的研究具有充分的數學內容。他不得不運用自己的直觀能力,以圖示來彌補這一不足。法拉第的這一能力也許又是科學史上無人可及的。他寫了三大卷千萬餘言的《電學的實驗研究》一書,記錄了他一生從事電磁學研究的實驗結果,作為素材提供給讀者。麥克斯韋認識到這一點,在法拉第奠定的巨大基礎上建立起完整的理論。這就是被稱為法拉第—麥克斯韋電磁理論的理論體系。

法拉第所取得的成就舉不勝舉。他還發現了電解定律,把物理和化學聯在了一起。發展了戴維在電化學方面的研究成果。戴維曾在熔融的金屬化合物中用通電的方法分解出一些新的金屬。法拉第給這個過程起名叫「電解」。他把能傳輸電流的化合物或溶液稱為電解質或電解液,稱插人到電解液中的金屬棒為「電極」,正電極為「陽極」,負電極為「陰極」。

為了紀念法拉第,人們把析出某元素的1個克當量的用電量稱為I個法拉第,I個法拉第等於腸,刃個庫侖。另外電容的單位叫做法拉。

除了科學實驗之外,法拉第的講演技巧也非常出眾。對於這方面的才能,就連頗搜講演的小說家狄更斯都欽佩他。法拉第常為年青人專門安排聖誕節演講會,其中一次題為「蠟燭的化學歷史」的報告成為傳世的不朽的傑作。法拉第一生中做的最後一件事是1862年6月20日星期五在皇家研究所講課。

由於長達50年的研究和有毒化學藥品的毒害,加速了法拉第的衰老。他於1867年8月25日去世,享年75歲零11個月。他生前要求將他葬在「最普通的墓碑」之下,只需幾位親戚朋友參加葬禮,這些要求人們都照辦了。

有人提議停電三天向法拉第致哀。但這是不可能的。這說明法拉第的發現在這個世界中是多麼的重要。今天的世界已發展成為電氣化的世界.這無疑成為了紀念法拉第的真正紀念碑。

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