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第15章 经典人物——物理学家(2)

《自然哲学的数学原理》阐述了其后两百年间都被视作真理的三大运动定律,并定义了万有引力定律。在这本书中,他还基于波义耳定律提出了首个分析测定空气中音速的方法。

牛顿在1690年代写了很多处理圣经的文字解释的宗教小册子。他还把大量时间投入了炼金术。

牛顿在1689~1690年和1701年时是英格兰议会的成员,但是他唯一有记录的议案是抱怨议会厅的寒冷气流并要求关闭窗户。

牛顿在1696年迁移到了伦敦去作皇家铸币厂的监管,由于他在铸币厂的工作表现,1705年安妮女王授予牛顿爵士身份。

牛顿在1727年3月31日死于伦敦,被安葬于威斯敏斯特教堂。在他死后,在牛顿身体内发现了大量水银,可能是他研究炼金术所导致的。汞中毒可能是解释牛顿晚年的一些怪异行径的原因。

热衷于磁电的科学狂人——富兰克林

敢于“抓”雷电的科学狂人

凡是一提到电呢,我们不由自主的会联想到一位能“抓住”雷电、捕捉“天火”的科学家——本杰明·富兰克林。

本杰明·富兰克林(1706~1790)出生在北美洲,8岁入学读书,虽然学习成绩优异,但由于他家中孩子太多,父亲的收入无法负担他读书的费用。所以,很早就不得已离开了学校,回家帮父亲做蜡烛生意。

富兰克林一生只在学校读了这两年书。同时,利用工作之便,他结识了几家书店的学徒,将书店的书在晚间偷偷地借来,通宵达旦地阅读,第二天清晨便归还。他阅读的范围很广,技术、天文地理、人文科技、奇闻轶事等方面的通俗读物到著名科学家的论文以及作品都是他阅读的范围。

为了对电进行深入、透彻的研究,他的闻名世界的“费城风筝实验”真正揭开了这一谜题。

富兰克林对静电的贡献是不可磨灭的,最先提出了避雷针的设想,打破了数千年人类对自然界的恐惧和迷信。

对雷电的深入研究

1746年,一位英国学者在波士顿利用莱顿瓶和玻璃管表演了电学实验。富兰克林怀着极大的兴趣观看了他的表演,并被电学这一刚刚萌芽的科学强烈地吸引住了。

从此,富兰克林夜以继日、焚膏继晷的在家里做了大量实验,研究了两种电荷的性能,说明了电的来源和在物质中存在的现象。

在18世纪以前,人们还不能正确地认识雷电。很多学者、教授甚至科学家会认为雷电是“气体爆炸”的观点。

在一次试验中,富兰克林的妻子丽德不小心碰碎了莱顿瓶,一团电火闪过,丽德被击中倒地,面色惨白,表情呆滞,很长一段时间才恢复过来。

这虽然是试验中的一起意外事件,但思维敏捷的富兰克林却由此而想到了空中的雷电。

他经过反复思考,断定雷电也是一种放电现象,它和在实验室产生的电在本质上是一样的。

于是,他写了一篇名叫《论天空闪电和我们的电气相同》的论文,并送给皇家委员会。但富兰克林的伟大设想竟遭到了许多人的冷嘲热讽,有人甚至嗤笑他是“想把上帝和雷电分家的狂人”。

疯狂的风筝雷电实验

终于,1752年7月的一天,阴云密布,狂风骤起,电闪雷鸣,富兰克林预料到一场暴风雨就要来临了。

富兰克林和儿子带着上面装有一个金属杆的风筝来到一个空旷、高耸的地带,等到富兰克林将风筝顺利展翅高飞的时候,刹那间,雷电交加,大雨倾盆。父子俩焦急的期待着,此时,刚好一道闪电从风筝上掠过,富兰克林用手靠近风筝上的铁丝,立即掠过一种非常恐怖的麻木感,这种力量恐惧的不可限量。

他万分激动,随后,他又将风筝线上的电引入莱顿瓶中。回到家里以后,富兰克林用雷电进行了各种电学实验,证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。

他获得了成功

风筝实验的成功使富兰克林在全世界科学界的名声大振。英国皇家学会给他送来了金质奖章,聘请他担任皇家学会的会员,他的科学著作也被译成了多种语言。他的电学研究取得了初步的胜利。富兰克林是第一个科学的用正、负电概念表示电荷性质的科学家,他热衷于对磁和电的研究实验,并且为人类的文明进步奠定了坚实的基础。

电学中的牛顿——安培

安培生平

安德烈-马里·安培(1775~1836),法国物理学家,在电磁作用方面的研究成就卓著,对物理学及数学有重要贡献。电流的国际单位安培即以其姓氏命名。

安培是首位发现电磁感应的科学家。安培于1775年出生在法国里昂一个商人家庭,安培家境富裕,生活条件优越,图书资源丰富,从小就受到了良好的教育。

据说安培很小的时候就被发现才智出众。安培的父亲一开始曾教他学习拉丁文,但很快就发现安培的数学才能尤其出众,于是转教其数学。但安培为了学习欧拉与伯努利的著作,还是坚持完成了拉丁文的学习。据安培自己后来回忆说,他的所有数学知识在18岁的时候就已经基本上完成了。

安培的兴趣很广泛,对历史、旅行、诗歌、哲学及自然科学等多方面都有所涉猎。

安培在1796年结识了他的妻子并在1799年结婚。1801年他被聘为布尔让-布雷斯中央学校学院物理学与化学教授,为此不得不与年幼的儿子及生病的妻子分离。1804年,他的妻子去世,这对安培的打击很大。同年,他开始在巴黎科技工艺学校任教,并在1807年成为那里的数学教授。在这期间他发表了一些概率论及数学分析方面的论文。

1836年,安培以大学学监的身份外出巡视工作,不幸在途中染上急性肺炎,医治无效,于6月10日在马赛去世,终年61岁。

安培对磁的贡献

安培最主要的成就是1820~1827年对电磁作用的研究。

1820年7月,H.C.奥斯特发表关于电流磁效应的论文后,安培报告了他的实验结果:通电的线圈与磁铁相似。

9月25日,他报告了两根载流导线存在相互影响,相同方向的平行电流彼此相吸,相反方向的平行电流彼此相斥;对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。

通过一系列经典的和简单的实验,安培认识到磁是由运动的电产生的。他用这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。

他提出分子电流假说:电流从分子的一端流出,通过分子周围空间由另一端注入;非磁化的分子的电流呈均匀对称分布,对外不显示磁性;当受外界磁体或电流影响时,对称性受到破坏,显示出宏观磁性,这时分子就被磁化了。

在科学高度发展的今天,安培的分子电流假说有了实际的内容,已成为认识物质磁性的重要依据。

为了进一步说明电流之间的相互作用,1821~1825年,安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验,并根据这四个实验导出两个电流元之间的相互作用力公式。

1827年,安培将他的电磁现象的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中,这是电磁学史上一部重要的经典论著,对以后电磁学的发展起了深远的影响。

为了纪念安培在电学上的杰出贡献,电流的单位安培是以他的姓氏命名的。

安培右手定则

安培定则,也叫右手螺旋定则,是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。通电直导线中的安培定则(安培定则一):用右手握住通电直导线,让大拇指指向电流的方向,那么四指的指向就是磁感线的环绕方向;通电螺线管中的安培定则(安培定则二):用右手握住通电螺线管,使四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

电流磁效应的发现者——奥斯特

奥斯特生平

汉斯·奥斯特(1777~1851),丹麦物理学家、化学家,历史上第一个电流磁效应的发现者。1777年8月14日生于丹麦的兰格朗岛鲁德乔宾一个药剂师家庭。童年就对化学、药物学、天文、数学、物理产生了浓厚的兴趣。17岁以优异的成绩考取了哥本哈根大学的免费生,学习医学和自然科学。

1799年获得博士学位。1801~1803年,他旅行于德国、法国等地,于1804年回国。1806年被聘为哥本哈根大学物理、化学教授,研究电流和声等课题。1815年起任丹麦皇家学会常务秘书。1820年因电流磁效应这一杰出发现获英国皇家学会科普利奖章。1824年倡仪成立丹麦自然科学促进会,1829年出任哥本哈根理工学院院长,直到1851年3月9日在哥本哈根逝世。终年74岁。

奥斯特深受哲学思想的影响,认为地球上的任何自然力都来自同一根源,可以互相转化。

课堂上的惊人发现

在1820年的4月,丹麦哥本哈根大学里,教授汉斯·奥斯特说:“让我们把导线和磁针平行放置试试看。”他把导线和磁针都沿着磁子午线方向放好,当通上电源的时候,只见小磁针大幅度晃动。尽管学生们无动于衷,奥斯特却是激动万分、手舞足蹈,竟然激动的在讲台上摔了一跤。

因为历史性标志的电流磁效应终于面世了,电磁学新时代终于到来了,里程碑的帷幕终于揭开了!奥斯特发现的电流磁效应,是科学史上的重大发现,它立即引起了那些懂得它的重要性和价值的人们的注意。

在这一重大发现之后,一系列的新发现接连出现。大量的电与磁的新奇现象如雨后春笋般出现了,一系列的电磁规律找到了,应用广泛的电磁铁出现了。两个月后安培发现了电流间的相互作用,阿拉果制成了第一个电磁铁,施魏格发明电流计等。奥斯特的发现揭开了物理学史上的一个新纪元。

奥斯特的电磁效应实验

神奇的事情无所不在,电可以生磁,而与此同时,磁也可以生电,这深藏其中的奥秘又是什么呢?通过做实验,我们可以得出这样的结论:倘若一条直的金属导线通过电流,那么导线周围的空间会产生磁场,并且电流越大,磁场的效力就越明显。

下面我们就说一下历史最著名的奥斯特实验,也就是能证明通电导线周围存在着磁场的实验。在直导线附近放置一枚小磁针,那么,当导线通有电流的时候,磁针会发生偏转的现象。

这个实验是直导线,那么如果我们换成是螺旋管状的线管呢?结果附近还会产生磁场吗?结果是:通电以后,螺线管的每一匝都会产生磁场,因而互为邻居的两匝之间的方向相反,所以它们之间的磁场会相互抵消。

影响及成就

奥斯特是一位热情洋溢重视科研和实验的教师,还是卓越的讲演家和自然科学普及工作者,1824年倡议成立丹麦科学促进协会,创建了丹麦第一个物理实验室。

1908年丹麦自然科学促进协会建立“奥斯特奖章”,以表彰做出重大贡献的物理学家。奥斯特的功绩受到了学术界的公认,为了纪念他,国际上从1934年起命名磁场强度的单位为奥斯特,简称“奥”。1937年美国物理教师协会设立“奥斯特奖章”,奖励在物理教学上做出贡献的物理教师。

他的重要论文在1920年整理出版,书名是《奥斯特科学论文》。

电磁学奠基人——法拉第

法拉第的科学路

迈克尔·法拉第(1791~1867),出生在纽因顿的一个贫苦铁匠家庭。由于家境贫穷,因此他只好靠自学求取知识。14岁时,他成为书本装订商及销售人的学徒。7年学徒生涯中,他读过大量书籍,包括以撒·华兹的《悟性的提升》,书中对于学习的原则与建议,法拉第一直遵行不辍。另外,他也从由珍·玛西女士所写的《化学闲聊》中得到很多启发。在这些大量的阅读之中,法拉第渐渐树立起对科学的兴趣,这其中,又以电学为甚。

1812年,时年二十岁,随着学徒生涯走入尾声,法拉第开始旁听由赫赫有名的皇家研究机构的一员以及英国皇家学会会长:汉弗里·戴维爵士以及市立哲学协会的创始者:约翰·塔特姆所开的演讲。参加这些演讲的门票大多是由威廉·谭斯(皇家爱乐协会的创办人之一)给予法拉第。

之后有一次,法拉第将自己在演讲中细心抄录,并旁征博引,内容达三百页的笔记拿给戴维过目,戴维立刻给予他相当友善且正面的答复。也因此,戴维在一次三氯化氮实验中发生意外,视力受损之后,便雇用了法拉第作为他的秘书。

当皇家研究院中一位助手离开后,他们便请求戴维寻找替代人选。戴维在1813年3月1日推荐法拉第成为化学助理。

在当时的阶级分明的英国社会中,出身卑微的法拉第并不被认同为一个绅士。在1813年五月,戴维展开一次长期的欧洲巡回。由于他的侍从并不想跟从,法拉第原本是以助手的身份跟去,却被要求同时作戴维的仆人,直到在巴黎找到人代替为止。

戴维最后没有找到代替者,法拉第也因此被迫在整个旅行中同时兼任仆人与助手。戴维的妻子珍·亚普莉丝不愿意平等对待法拉第,旅行时要他坐在马车外,与佣人一起吃饭,法拉第的处境越来越凄惨,甚至开始考虑独自回到英国放弃科学研究。

不过这次旅行,也让他接触了欧洲许多的科学菁英,刺激出他许多想法。逆境最终没有阻挡住法拉第在科学上的贡献。在旅行过后不久,法拉第的成就便超越了戴维。

法拉第的科学成就

法拉第是一位最杰出的实验天才,他在自己实验室基础上设计了一套装置,将铜盘在巨大的永久磁场中不停的旋转,把盘子的轴心和边缘接上导线,就能引出电流,因而成功的制造了第一台发电机。

后来,法拉第经过不断完善的实验,又引出磁力线的概念。其中奥秘就是当闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时,在导体上所产生的电流的这种奇妙现象就叫做电磁感应现象,所产生的电流叫做感应电流。

而作为电磁场理论奠基者的法拉第又是如何发现并实验证明的呢?

在1821年,法拉第用实验首先发现通电导线能够绕着磁铁旋转,实现了人类历史上首次将电磁运动向机械运动的转换,同时也是今天电动机的雏形。

而后经历了数以万计的失败,终于,皇天不负有心人,在1831年的一天,法拉第把磁铁插入或者抽出闭合的导线回路时,奇迹般的出现电流,并且总结出举世闻名的法拉第电磁感应定律。

在经过无数次的实验总结之后,法拉第概括出了可以产生感应电流的五种类型:变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。这些实验孕育着以后的发电机、电动机、变压器,预示着人类即将步入电气时代。

这一发现进一步揭示了电与磁的内在联系,为建立完整的电磁理论奠定了坚实的基础,他的这些新颖思想为19世纪以后自然科学、物理天文的发展和进步燃起了弥足可贵的灯塔!

法拉第的电磁“笼子”

法拉第的一生在科学方面有许多卓越的成就,然而他对人类最大的贡献莫过于发现电磁感应及其规律。

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