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電磁學奇才:麥可·法拉第 (Michael Faraday)

文/陳鍾誠(國立金門大學資工系助理教授)

圖、麥可·法拉第的肖象素描由約翰·瓦特金所畫,現存於大英圖書館

圖、麥可·法拉第的肖象素描
由約翰·瓦特金所畫,現存於大英圖書館

麥可·法拉第(英語:Michael Faraday,1791年9月22日-1867年8月25日),英國物理學家在電磁學及電化學領域做出很多重要貢獻。

西方科學與工業之間,總是存在某種相互促進的關係,在科學的發展過程當中,總是呈現「理論 – 實驗 – 理論 – 實驗 ….」 這樣的發展循環,而法拉第所代表的,極度的偏向「實驗」這一端,他一生當中做過了無數的實驗,這些實驗遍佈了 整個電磁學領域,讓後來的「馬克斯威」可以透過解讀他的實驗結果,運用深厚的數學內功提出了電磁學的完整理論架構, 並創造出了「馬克斯威方程式」,如果沒有法拉第,或許就沒有「馬克斯威」的電磁學理論了。

出身

法拉第出生於英國紐因頓,接近現在的倫敦大象堡。法拉第家的經濟狀況並不好,他的父親詹姆士是個鐵匠以及基督教桑地馬尼安教派的一員,於1780年代從英格蘭的西北部來到倫敦。由於家境貧窮,因此他只好靠自學求取知識。14歲時,他成為書本裝訂商及銷售人喬治·雷伯的門生。7年學徒生涯中,他讀過大量書籍,包括以撒·華茲的「悟性的提升」,書中對於學習的原則與建議,法拉第一直遵行不輟。另外,他也從由珍·瑪西女士 所寫的「化學閒聊」中得到很多啟發。在這些大量的閱讀之中,法拉第漸漸樹立起對科學的興趣,這其中, 又以電學為甚。

1812年,時齡二十歲,隨著門生生涯走入尾聲,法拉第開始旁聽由赫赫有名的皇家研究機構的一員以及英國皇家學會會長:漢弗里·戴維爵士以及市立哲學協會的創始者:約翰·塔特姆所開的演講。 參加這些演講的門票大多是由威廉·譚斯(皇家愛樂協會的創辦人之一)給予法拉第。之後有一次,法拉第將自己在演講中細心抄錄,並旁徵博引,內容達三百頁的筆記拿給戴維過目,戴維立刻給予他相當友善且正面的答覆。 也因此,戴維在一次三氯化氮實驗中發生意外,視力受損之後,便僱用了法拉第作為他的秘書。當皇家研究院中一位助手約翰·培恩離開後,他們便請求戴維尋找替代人選。戴維在1813年3月1日推薦法拉第成為化學助理。 由於法拉第在印書店的新僱主亨利·德拉羅許脾氣暴躁,他毫不猶豫的離開了這份舊工作。

行事作風在當時的階級分明的英國社會中,出身卑微的法拉第並不被認同為一個紳士。

在1813年五月,戴維展開一次長期的歐洲巡迴。由於他的侍從並不想跟隨,法拉第原本是以助手的身份跟去, 卻被要求同時作戴維的僕人,直到在巴黎找到人代替為止。戴維最後沒有找到代替者, 法拉第也因此被強迫在整個旅行中同時兼任僕人與助手。戴維的妻子珍·亞普莉絲不願意平等 對待法拉第,旅行時要他坐在馬車外,與傭人一起吃飯,法拉第的處境越來越悽慘,甚至開始 考慮獨自回到英國放棄科學研究。不過這次旅行,也讓他接觸了歐洲許多的科學菁英, 刺激出他許多想法。逆境最終沒有阻擋住法拉第在科學上的貢獻。在旅行過後不久, 法拉第的成就便超越了戴維。

法拉第的主要贊助者兼顧問為約翰·『瘋狂傑克』·富勒,他在皇家研究院裡創立了富勒里安化學教授這個職位。

在1824年,法拉第被選為皇家學會院士,並於1825年被指派為實驗室主任。1833年他被選為皇家研究院終身職,任職而不需講課。

法拉第是一名高度虔誠的教徒,他是桑地馬尼安教派(蘇格蘭國教會的一分支)的信徒,曾在其中任兩任長老。 此教派是由蘇格蘭長老會牧師格拉斯於1730年創立,此教要求完全的信奉和承諾。傳記學家曾經認為"一種神與自然融為一體的感覺貫穿了法拉第的生活與工作。法拉第在1821年娶沙拉·巴娜德為妻,不過膝下無子。 他們由於參加桑地馬尼安教會而認識。

雖然法拉第只受過很少的正式教育,這使得他的高等數學知識(例如微積分)相對有限,但不可否認, 法拉第仍是歷史上最有影響力的科學家之一。某些科學史學家認為他是科學史上最優秀的 「實驗主義者」。其科學知識可能主要是在擔任另一科學家戴維的助手時所學習而來,因而雖然法拉第不曾受過高等教育,但仍可把漢弗里·戴維視為法拉第的指導教授。

由於道德原因,法拉第拒絕參與為「克里米亞戰爭」製造化學武器。在倫敦薩弗伊廣場,電工程師協會外,聳立著一個法拉第的雕像, 而在布魯內爾大學新建的一個接待廳以法拉第為名。

電磁學研究

1821 年,在丹麥化學家「漢斯·奧斯特」發現電磁現象後,「戴維」和「威廉·海德·渥拉斯」頓嘗試設計一部電動機,但沒有成功。 法拉第在與他們討論過這個問題後,繼續工作並建造了兩個裝置以產生他稱為「電磁轉動」的現象:由線圈外環狀磁場造成的連續旋轉運動。 他把導線接上化學電池,使其導電,再將導線放入內有磁鐵的汞池之中,則導線將繞著磁鐵旋轉。這個裝置現稱為單極電動機。 這些實驗與發明成為了現代電磁科技的基石。

但此時法拉第卻做了一件不智之舉,在沒有通知戴維跟渥拉斯頓情況下,擅自發表了此項研究成果。此舉招來諸多爭議, 也迫使他離開電磁學研究數年之久。

在這個階段,有些證據指出戴維可能有意阻礙法拉第在科學界的發展。如在1825年,戴維指派法拉第進行光學玻璃實驗, 此實驗歷時六年,但沒有顯著的進展。直到1829年,戴維去世,法拉第停止了這個無意義的工作並開始其他有意義的實驗。 在1831年,他開始一連串重大的實驗,並發現了電磁感應,雖然在福朗席斯科·札德啟稍早的工作可能便預見了此結果, 此發現仍可稱為法拉第最大的貢獻之一。

這個重要的發現來自於,當他將兩條獨立的電線環繞在一個大鐵環,固定在椅子上,並在其中一條導線通以電流時, 另外一條導線竟也產生電流。他因此進行了另外一項實驗,並發現若移動一塊磁鐵通過導線線圈,則線圈中將有電流產生。 同樣的現象也發生在移動線圈通過靜止的磁鐵上方時。

他的展示向世人建立起「磁場的改變產生電場」的觀念。此關係由法拉第電磁感應定律建立起數學模型, 並成為四條馬克士威方程組之一。這個方程組之後則歸納入場論之中。

1839年他成功了一連串的實驗帶領人類了解電的本質。法拉第使用「靜電」、電池以及「生物生電」已產生靜電相吸、 電解、磁力等現象。他由這些實驗,做出與當時主流想法相悖的結論,即雖然來源不同,產生出的電都是一樣的, 另外若改變大小及密度(電壓及電荷),則可產生不同的現象。

在他生涯的晚年,他提出電磁力不僅存在於導體中,更延伸入導體附近的空間裡。這個想法被他的同儕排斥, 法拉第也終究沒有活著看到這個想法被世人所接受。法拉第也提出電磁線的概念:這些流線由帶電體或者是磁鐵 的其中一極中放射出,射向另一電性的帶電體或是磁性異極的物體。這個概念幫助世人能夠將抽象的電磁場具象化, 對於電力機械裝置在十九世紀的發展有重大的影響。而這些裝置在之後的十九世紀中主宰了整個工程與工業界。

1845年他發現了被他命名為抗磁性 (diamagnetism) 的現像 (現在則稱為法拉第效應):一個線性極化的光線在經過一物體介質時,外加一磁場並與光線的前進方向對齊,則此磁場將使光線在空間中劃出的平面轉向。 他在筆記本中寫下:『我終於在「闡釋一條磁力曲線」—或者說「力線」—及「磁化光線」中取得成功。』 ("I have at last succeeded in illuminating a magnetic curve or line of force and in magnetising a ray of light“)。這個實驗證明了光和磁力有所聯繫。

筆者註:這個實驗暗示了光很可能是一種電磁波,於是後來馬克士威推論出電磁波速度等於光速時,幾乎就立刻體悟了這個結論。

在對於靜電的研究中,法拉第發現在帶電導體上的電荷僅依附於導體表面,且這些表面上的電荷對於導體內部沒有任何影響。 造成這樣的原因在於在導體表面的電荷彼此受到對方的靜電力作用而重新分佈至一穩定狀態,使得每個電荷對內部造成的 靜電力互相抵銷。這個效應稱為遮蔽效應,並被應用於「法拉第籠」這個隔絕電磁波的裝置上。

化學研究

法拉第最早的化學成果來自於擔任戴維助手的時期。他花了很多心血研究氯氣,並發現了兩種碳化氯。 他也研究過氣體擴散現象,並成功的液化了多種氣體;然後研究過不同的鋼合金,並進行過光學的實驗,更製造出多種新型的玻璃。 其中一塊玻璃樣品後來在歷史上佔有一席之地,因為在一次當法拉第將此玻璃放入磁場中時,他發現了極化光平面受磁力造成偏轉及被磁力排斥。

法拉第在戴維去旅行時曾代理職務,並接受分析委託,其中最著名的三項委託是:

  1. 分析源自托斯卡尼的天然生石灰
  2. 原住土著的標槍頭研究 (分析出「矽鋼」)
  3. 大馬士革騎兵彎刀

其中第三項的彎刀研究,發現古敘利亞可能有鉑礦場,並加入鉑礦使之輕巧但卻鋒利無比,連西方騎兵重軍刀都能被削斷。

後來英國人經過不斷的嘗試之後,終於發明了「碳鋼」,這使大英帝國的騎兵在中東戰場能夠擊破大馬士革的彎刀。

他也盡心於創造出於一些化學的常用方法,用結果、研究目標以及大眾展示做為分類,並從中獲得一些成果。 他發明了一種加熱工具,是本生燈的前身,在科學實驗室廣為採用,作為熱能的來源。

法拉第在多個化學領域中都有所成果,發現了諸如苯等化學物質(他稱此物質為雙碳化氫(bicarburet of hydrogen)),發明氧化數,將如氯等氣體液化。他找出一種氯水合物的組成,這個物質最早在1810年由戴維發現。

法拉第也發現了電解定律,以及推廣許多專業用語,如陽極、陰極、電極及離子等,這些詞語大多由威廉·休艾爾 發明。由於這些成就,很多現代的化學家視法拉第為有史以來最出色的實驗科學家之一。

法拉第電磁感應定律

法拉第電磁感應定律是電磁學中的一條基本定律,跟變壓器、電感元件及多種發電機的運作有密切關係。定律指出: 任何封閉電路中感應電動勢的大小,等於穿過這一電路磁通量的變化率。

這個定律與安培定律,基本上就是馬克斯威方程式的兩大核心定律。

這兩大定律,讓「電生磁、磁生電」的循環建立起來了,於是、「電磁學的世界」有了一個堅實的理論基礎。

然後、這個世界裏更多的科學家與工程師連手,打造出了「發電機、馬達、天線、電磁爐、有線與無線的電子電機設備」等等, 像是「馬達」與「發電機」就完全是依靠「法拉第與安培」定律所打造出來的設備,如下圖所示。

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圖、馬達與發電機的構造與原理

法拉第電解定律

法拉第在電化學上也貢獻良多,例如他發現在物質電解過程中,參與電極反應的質量與通過電極的電量成正比。 換句話說,不同物質電解的質量則正比於該物質的化學當量,這個發現可以寫成以下定律。

其中 n 為 1 莫耳物質電解時參與電極反應的電子的摩爾數(即化合價),(M/n)又稱化學當量(Eq); F 為法拉第常數,即電解1電化學當量物質所需電量。

法拉第電解定律適用於一切電極反應的氧化還原過程,是電化學反應中的基本定量定律。

晚年

1848年,受到艾伯特王夫引見,法拉第受賜在薩里漢普頓宮的恩典之屋,並免繳所有開銷與維修費。這曾是石匠師傅之屋, 後稱為法拉第之屋,現位於漢普頓宮道37號(No.37 Hampton Court Road)。在1858年,法拉第退休並在此定居。

在他有生之年中,他推辭了封爵並且兩次拒絕成為皇家學會會長。他在 1867 年 8 月 25 日死於位於漢普頓宮的家中。 在西敏寺,艾薩克·牛頓的墓旁座落著他的紀念碑。但是他拒絕在西敏寺下葬,而入土於桑地馬尼安教派的海格特墓園中。

結語

在閱讀了法拉第的故事之後,感覺到科學界似乎有兩類不同的典型,像是「法拉第、愛迪生、瓦特、萊特兄弟」等人, 是屬於做實驗與應用的「劍宗高手」,這類科學家往往可以創造出很多偉大的發明與實驗結果。

而另一類科學家,像是「馬克斯威、牛頓、愛因斯坦」等人,則是數學很強的「氣宗高手」,他們雖然實驗與應用能力 不見得很好,但是透過深厚的數學內功,往往可以把前人的實驗結果解讀後,創建出一個完整的理論體系,而這個理論體系, 最後會成為下一波「劍宗高手」的「武學秘笈」,指引他們「邁向下一個偉大的航道」啊!

最令我感動的是,法拉第的謙虛,以及對馬克士威的友好態度,並且與他結成忘年之交,兩人共同構築了電磁學理論的科學體系。 (雖然當初戴維與她太太瞧不起法拉第,但是法拉第成名後並沒有向他們一樣變成高傲的人,相反的卻很樂意提攜後進)。

這種透過「理論與實驗結合」,以及「學術與產業的結合」,讓整個世界的科學,不斷的突破進展的精神,是我一直認為台灣所缺乏的, 我想,整個國家需要的不是「個人利益的算計」,而是一種「無私奉獻精神的良性循環」,只有透過這種良性循環,才能讓國家或全人類都能真正獲得 進步的動力啊!

如果、這個世界只有「氣宗」或者只有「劍宗」的話,應該不會如此多采多姿吧!

參考文獻

【本文由陳鍾誠取材並修改自 維基百科 與 OpenStax College 的 College Physics 一書,採用創作共用的 姓名標示、相同方式分享 授權】

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