法拉第

第二節 不斷創造科學輝煌

　　發現電磁感應定律後，法拉第又對電現象進行了大量廣泛而深入的研究。他有一個堅定的信念，大自然是統一的、和諧的。

　　大自然中萬物紛呈，變化無窮。電，能生光、生熱、生磁，引起各種化學反應；反過來化學作用也能產生電，磁也能產生電。

　　法拉第以為，所謂的電、光、熱、磁，以及化學親和力、萬有吸引力，這些無所不在、千變萬化的力，實質上是源於大自然的同一的力。它們隻不過是名稱不同、表現形式各異罷了。

　　根據這個認識，法拉第開始研究電的統一性。到那時候為止，除了雷電之外，已經發現的有五種不同來源的電，摩擦電、伏打電、熱電、動物電和磁感應電。

　　這五種電有相同的地方，也有不相同的地方。有人認為它們是同一種東西，有人則認為不是。眾說紛紜，莫衷一是。

　　法拉第對這五種電進行了全麵的考察，他將電的效應歸納為靜電的與電流的兩大類，電流的效應又分為發熱、磁、化學分解、生理效應、電火花五種。

　　法拉第根據自己的實驗結果，證明了前三種電有靜電與電流的全部效應，動物電顯示了生理、磁、化學等三種效應，熱電隻顯示生理效應和磁效應。

　　法拉第把這幾種電間的差別歸因於“電量”和“強度”的不同，而不是本質的不同。

　　於是，法拉第得出了結論：“不論電的來源如何，它們的本性都是相同的。”法拉第用電的同一性，為他的信念“自然是統一的”提供了有力的論據。

　　電的同一性研究直接導致法拉第發現了電解定律。19世紀初，人類對電的研究還很粗淺，對於物質結構與電的關係，更是茫然無知。

　　電是什麽？物質是什麽？電、物質結構與化學變化之間又有何關係？對於這些問題，各國科學家爭論不休。

　　有人認為，電就是一種微粒，構成了物質；有人認為，電是物質微粒的一種振動，就像熱那樣；有人則提出：電是流體。

　　德國科學家格羅圖斯提出一種假說，認為產生伏打電的伏打電池實際上是塊電磁鐵。

　　戴維則主張，電是與分子不可分離的一部分。安培提出有分子電流存在，並用分子電流來解釋磁鐵的磁性，但認為分子電流的電量是“組成分子的原子分解以後的產物”。

　　德拉裏弗卻又主張：電和物質是兩種不同的東西，是可以各自獨立存在的。

　　電、分子、化學變化的內部機製，這些都是微觀現象，是無法直接觀察到的，要從人們能夠觀察的宏觀現象去推斷微觀的結構，是相當困難的事，難免會出現種種混亂與錯誤。

　　1832年，法拉第開始從事電化學研究的時候，麵臨的正是這樣的各種理論糾纏在一起、難以分辨真理與謬誤的局麵。

　　針對這種情況，法拉第首先了解各種意見，進行鑒別比較。對每家的理論學說，分別實驗，檢驗其正確與否和實用價值。

　　對於自己的種種設想，法拉第也是用實驗來驗證。

　　在走過了許多的彎路、碰了一次又一次的釘子後，法拉第最後終於找到了研究電化學規律的辦法，就是稱量出電極上析出的物質重量，把它與流過電極的電量進行比較。

　　於是，法拉第試圖發明一種能夠測量“電”量的大小的儀器，以確定各種電之間量的關係。但用什麽方法來製造這樣一種儀器呢？

　　才思敏捷的法拉第想到了電解方法。電解現象早已發現了，並已被科學家們用來獲取或提煉某些化學元素。

　　法拉第想，電解時分離出來的物質的量一定是與通電量的多少有關，比如水電解時產生了氫和氧兩種氣體，那麽能否根據電解時從電極上逸出的氣體量的多少，來計算出通過水的電量呢？

　　想到這些，法拉第又進行了大量的實驗。經過大量實驗證實了他的想法：電解時分離出來的物質數量與通電量兩者之間存在著嚴格的量的關係。

　　於是，電量計創製出來了。同時，一個遠比電量計更為重要的規律也隨之問世了，這就是著名的“法拉第電解定律”。

　　電解定律是法拉第在研究與發明電量計過程中的意外收獲，也可以說是電量計的副產品，但其重要性卻是電量計的千百倍。

　　這如同一個進行潛水鍛煉的愛好者，在進行鍛煉，達到了強健體魄目的的同時，在水中發現了古代裝滿貴重物品的沉船。

　　生物進化論奠基者達爾文說過：“科學就是整理事實，以便從中得出普遍的規律或結論。”法拉第電解定律的創立過程，非常清楚地印證了達爾文的這句名言。

　　電解定律完全是從大量的實驗與浩如煙海的實驗數據中發現的，是通過實驗數據的匯集、分析、整理和總結得出的規律。

　　法拉第之所以能夠發現這個規律，除了他的堅韌毅力與極為細致、負責的工作態度外，還緣於他的敏銳觀察能力和他對電學與化學兩門學科兼通的本領。

　　而法拉第在青少年時期，在利博的訂書店，通過刻苦自學所打下的堅實的實驗能力與電學、化學知識的基礎，無疑也是一個重要的成功因素。

　　電解定律找出了電解的時候物理現象和化學現象定量的聯係，成為化學的基本定律。電化學的開創人是戴維，法拉第卻把它向前推進了一大步，將老師的學說發揚光大了。

　　法拉第在電化學學科中取得了如此大的成績，被公認為電化學的先驅。兩條電解定律是電化學的基礎，直到今天仍在電解與電鍍工業上廣泛應用。

　　另外，法拉第電解定律還有更深一層的意義：它的光芒照亮了半世紀後電子論的發展道路，為發現原子的內部結構奠定了初步的理論基礎。

　　此外，法拉第對電介質和導體進行了深入的研究。通過大量細致的實驗，他認為當時電學中所使用的舊名稱十分混亂，不但詞不達意，而且常有謬誤。

　　法拉第認為隨著新的電學理論的出現，對舊的名稱來一次更換清理十分有必要。

　　於是，法拉第斷然地廢除了一些過時的舊名稱，更換了新名。如電極、陽極、陰極、電解質、電解、離子等，就是他首創的，直到今天，人們仍在使用。

　　法拉第不知疲倦地探索著。1836年，他又發現了靜電屏蔽現象。他把一個金屬同籠子放在絕緣板上，在籠子的裏麵和外麵各放一個金箔驗電器，同時，用金屬鏈分別把驗電器的金屬球和籠子連接起來。

　　當金屬同籠子帶電的時候，籠外驗電器的金箔便會張大，籠裏驗電器的金箔依舊下垂，絲毫沒有帶電的現象。

　　它表明電荷隻分布在導體的表麵，金屬同籠子能夠對內部物體起到電的屏蔽作用，這便是靜電屏蔽現象。

　　由此法拉第確信，如果有金屬網的屏蔽作用，即使人站在閃電中，也不會被擊傷。

　　此時法拉第想起了富蘭克林的風箏實驗。富蘭克林冒著生命危險，從空中攫取了閃電。勇氣固然可嘉，但卻十分冒險。他決定做一個同樣驚心動魄的實驗，然而卻十分安全。

　　1836年1月，法拉第表演了一次令觀眾們大驚失色的實驗。他建造了一個巨大的金屬框架，長、寬、高各為3.622米，之後他用一層銅網把金屬框架罩住，同時把一部巨大的起電機同銅網相接。

　　這部起電機能產生很高的電壓，足以把人擊斃。他安然地走進框架，站於金屬網的中央，然後吩咐助手準備實驗。

　　起電機開動了，隻見伴著“劈劈啪啪”的巨響，電火花在銅網上飛濺。法拉第泰然自若地站在網中央，麵帶平靜的微笑。

　　由於“閃電”隻是發生在銅網的外麵，法拉第安然無恙，連一根毫毛都沒受到損傷。他用自己的身體，富有戲劇性地證明了靜電屏蔽的真理。

　　同時，法拉第還發現了儲存電荷的方法。他發現，如果正負電荷之間隔一層絕緣體，比如玻璃或者空氣，一個導體上的電荷就不會跳到另一個導體上去。

　　除非連接兩個導體，讓電荷釋放出來，否則電荷將儲存在兩個導體上，它們之間不會發生什麽關係。

　　依據這個原理，法拉第製成了儲存電荷的電容器。人們為了紀念法拉第的發現，後世用他的名字來命名電容的單位，簡稱“法拉”。

　　經過幾年的潛心研究與實驗，可以說法拉第的研究已碩果累累。

　　直到今天，法拉第的理論仍然在中學物理課本的電學內容中占據著重要位置。法拉第的名字已是人人皆知，家喻戶曉。