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电磁学之发展与世界之电化电子学论文

2016-06-21 14:27:09 来源:

见的事。电报是紧急时才用的,而电话也只有少数有钱人才装得起。

要等发电机成功之后,用电量大的器材,才能发展。而电器之普及,也才能实现。


五、法拉第定律与发电机:

公认的实验天才法拉第 (Michael Faraday, 1791-1867)是伦敦一位铁匠之子。少年时在一家书店做学徒。当时,皇家研究所(Royal Institute)的所长达维(Sir Humphrey Davy, 1778-1829) 为了教育大众(也为了争取经费),举办了一系列的通俗演讲。法拉第去认真听讲,并做了完整的笔记,装订成册。以后他便以这一套笔记,受到达维赏识,被聘为皇家研究所的助理(1812)。不久,他在实验方面的才能,便显露出来,成为达维的得力助手。达维退休以后,他被任命为所长(1821)。

达维是电解专家(1807年发现了钠与钾)。法拉第早年是达维的助手,他对电解有很周密的研究。他发现了通电量与分解量有一定的关系,并且与被分解的元素之原子量有一定的关系。由此,可以大致导致两个结论:(1) 每个原子中有一定的电含量(以今日而言,是一定的电子数)。(2)原子在化合时,这些电量起了作用,而通电可使化合物分解。因此,牛顿寻求的分子中的化合之「力」,必与电有关。(此想法在1807年由达维提出,法拉第进一步加以验证,至今尚是正确的。)

法拉第少年失学,缺少科学方面的正式训练,这是他的缺点,但也可能是他的优点。他不长于数学,但有极强的「直感」。他在电与磁的直感的基础是「场」与「力线」概念  。

牛顿的万有引力定律提出之初,受到很多质疑。其中之一是:很多人认为,两个相距遥远的物体,无所媒介,而相互牵引,是不可置信的(连牛顿本人对此也有所犹疑)。但是由于万有引力之大获成功,这种「超距力」的概念,不久便被普遍接受了。电磁学中的「库伦」、「安培」等力之观念,起始时亦是这种「超距力」。

在牛顿前一百年的英国人吉伯特(William Gilbert, 1540-1603)是伊利莎白一世的御医。他的一本「论磁」(De Magnete,1600) 是有系统地研究电磁现象的第一本书(大部份说磁,因其在当时比较有用),其重要性是扬弃了磁性之神秘色彩,以一种客观的自然现象来描述之。吉伯特之「论磁」中曾提出「力线」之观念。这就是说:磁性物质发出一种「力线」,其它磁性物质遇到了这「力线」便受到力之作用。这样就避过了「超距力」的「反直觉」。

(a)力线不断、不裂、不交叉打结,但可以有起头与终止。例如:电场之力线由正电荷发出,由负电荷接受。力线的数量与电荷之大小成正比。(磁场以「磁北极」为正,「磁南极」为负。)

(b)力线像有弹性的线,在空中互相排斥又尽量紧绷。其密度与施力之大小成正比。

(c)力线有方向性,电力线之方向是对正电荷之施力方向(负电受力方向相反),在磁力线是对「磁北极」之施力方向(「磁南极」受力方向相)。

法拉第则更进一步,提出了「场」的概念:空中任意一点,虽然空无一物,但有电场或磁场之存在,这种「场」可使带电或带磁之物质受力。而「力线」则是表现「场」的一种方式。但是,法拉第的「场」观念,当时也受到强烈的质疑与反对。最重要的理由是这观念不及「超距力」之精确。把「场」观念精确化,数学化的是后来的麦克斯威。

他对电磁学最重要的贡献是「电感」之发现。──有磁性的磁铁,可以使附近的无磁性的铁棒磁化。根据安培的发现,通了电流的筒状线圈的磁性与磁铁棒相同,实验上它也可以使其附近的无磁性的铁棒磁化。法拉第就想:是否也可以用通了电流的筒状线圈来引起其附近另一个筒状线圈中的电流?

他1824年开始做实验,起初找不到什么结果。直到1831年,他用了四百多英尺的电线做了两个互相套合

的线圈,才在无意中发现:在第一线圈中的电流关掉的瞬间,第二线圈中有瞬间的电流产生,甚至冒火花。他继续研究,发现第一线圈中的电流有变化时,第二线圈中才有电流。而第一线圈中的电流变化越快,第二线圈中的电流越大。法拉第接着又发现,一个移动的磁铁或通了电流的筒状线圈,也可以使附近的线圈中,产生感应电流。──这就是电磁学中第三个最重要的「法拉第定律」。

这个定律与库伦、安培都不同;它是动态的。第一线圈中的电流变化越快,第二线圈中的电流越大。(这是变压器原理)。或磁铁、有电流的筒状线圈,移动得越快,第二线圈中的电流也越大。这就是「发电机」(把动能化成电能)的原理。

法拉第也知道他这发现的重要。发现之后,皇家研究所举办成果展览。英国财政大臣也来参观。看到助手们表演火花放电以娱伦敦民众,不太高兴,便问法拉第:你花了政府这么多钱,就为了表演?法拉第冷冷地回答了四个字:You will tax it!(你会有一天抽它的税)。

法拉第做了一辈子研究,退休时(1855)两袖清风,不知何去何从(当时没有退休金制度)。英维多利亚女皇则早准备了房子、终身俸及封爵,给他一个惊喜。法拉第接受了房子及终身俸,坚辞封爵。

但是,实用的发电机却不是那么简单,法拉第定律之后五十年才在美国做出来。

美国人爱迪生(Thomas A. Edison, 1847-1931)号称「发明大王」,拥有(或共享)的专利,有1093项,至今无人打破纪录。其中包括电灯、录音、电影等等,对「电化世界」有决定性影响。1879发明的白炽电灯(以碳化纤维为灯丝),造成轰动,是第一个人人都感到非要不可的电器。但他在发电机的竞争上,却输给了对手。可能的原因是他太执着于直流电(他甚至宣扬交流电危害人类)。──以法拉第定律而言,交流发电机的制作比较顺理成章,而且,交流电才能使用变压器,利于长途输电。

他的竞争对手是西屋(George Westinghouse, 1846 -1914) 与特斯拉(Nicola Tesla, 1856 -1943, 也有700项专利,包括变压器、日光灯,交流电马达)。特斯拉年轻时从匈牙利移民美国,先在爱迪生手下做事,但  他热心做交流电,与爱迪生不合,辞职后去挖沟。后来辗转被西屋雇用。1882年,特斯拉制成第一部交流发电机。他们对交流电机之发展,使「西屋公司」成为电机工业之百年重镇。

1896尼加拉瀑布水力发电开始。世界的电化,从此展开。但电磁学的故事,还没有完。

六、麦克斯威与无线电

与法拉第之实验天才对比,麦克斯威(James Clerk Maxwell, 1831-1879)则是长于数学的理论物理学家的典型。他生于苏格兰的一个小康之家。自幼便充份显示了数学之才能。他先在阿伯丁(Aberdeen)大学任教,以后转往剑桥。在物理中,今日麦克斯威之重要性,几可与牛顿、爱因斯坦等量齐观。但生前,麦克斯威并不受其故乡苏格兰之欢迎(爱丁堡大学不要他,死时亦未有公开之表扬)。他在剑桥大学则受到重用,出任Cavendish Laboratory的首任所长。

他在1855年,发表了「法拉第之力线」一文,受到将退休的法拉第的鼓励。1862年,他由理论推导出:电场变化时,也会感应出磁场。这与法拉第的电感定律相对而相成,合称「电磁交感」。此后他出版了「电磁场的动态理论」(A Dynamic Theory of Electromagnetic Field, 1867),「电磁论」(Treatise on Electricity and Magnetism, 1873),其重要性可以与牛顿的「自然哲学的数学原理」相提并论。

通过了数学(主要是「向量分析」),麦克斯威写下了著名的「麦克斯威方程式」,不但完整而精确地描述了所有的已知电磁场之现象,而且有新的「预言」。其中最重要的是「电磁波」:

(1)由于「电磁交感」,故电磁场可以在真空中以「波」的形式传递。

(2)计算之结果,这波之速度与光速一致,故光是一种「可见的」电磁波。

(3)这种波亦携带能量、动量等,并且遵从守恒律。(1884波亭定理,英John Henry Poynting ,1852-1814是麦克斯威的学生,他推导出电磁场中的能量的流动关系式。)

「光是一种电磁波!」这句话现在是常识,在当年则骇人听闻。麦克斯威只靠纸上谈兵(

数学运算),就做大胆宣言,也难怪当年根本不信有电磁波的人居多。但他自己却信心满满。有人告诉他有关的实验结果,不完全成功,他毫不在意。他有信心他的理论一定是对的。──以后的理论物理学家很多人就学了他这种态度。有一个物理学者(Dirac)的一个理论被实验证明是错的。他就抱怨:这么美的理论,上帝为什么不用?

德国人赫兹(Heinrich R. Hertz ,1857-1894, Karlsruhe Polytechnic)是第一个在实验室中证明电磁波存在的人。他先把麦克斯威的电磁学改写成今天常见的形式(1884)。然后在1886-88年,做了一系列的实验,不但证明电磁波存在,而且与光有相同波速,并有反射、折射等现象,也对电磁波性质(波长、频率)定量测定。当然,也同时发展出发射、接收电磁波的方法。──这是所有「无线通讯」的始祖。──此时麦克斯威墓木已拱。

一般人都说无线电的发明人是意大利的马可尼(Guglielmo Mar