發現磁生電，「電學之父」十年辛苦不尋常
話說科學家奧斯特發現「電能生磁」磁效應理論，在物理學界引發了一場革命。革命浪潮中，除了奠定電磁學理論基礎的安培外，還湧現出被譽為「電學之父」的電磁學大咖法拉第。靠著非同一般的勤奮，法拉第克服種種困難，花十年時間發現了「磁能生電」現象並總結出相應規律，把電磁學推向實踐運用階段。
不尋常的任務
「它猛然打開了一扇科學領域的大門，那裡過去是一片漆黑，如今充滿了光明。」公元1821年秋季的一天晚上，在英國皇家科學院的一處實驗室里，而立之年的法拉第仔細讀完奧斯特關於「電能生磁」的論文後，強壓內心的激動，在日記本里寫下這句話。
法拉第像。(網路圖)
其時，法拉第是英國著名科學家戴維的學徒兼實驗助手。他此刻的主要任務，是代老師寫一篇關於電磁學發展及展望的文章，發表在國內頗有名望的《哲學年鑒》雜誌上。
戴維之所以把這麼重要的任務交給法拉第，是因為他相信愛徒有這個能力。
法拉第出生於英國倫敦郊區的一個鐵匠家庭。由於家庭貧困，他只上過兩年小學，12歲就到一個書商兼訂書匠家裡當學徒。這使他有機會接觸許多書籍。
下班後，當同伴們離開工場回家時，法拉第卻捨不得離去，而是坐在窗前如饑似渴地讀書。他最喜愛的是自然科學書籍，那裡面講了許多他從來不知道的有趣知識。某日，法拉第裝訂《大英百科全書》時，對「電學」詞條產生了濃厚的興趣。儘管他對電學知識一竅不通，可他硬是用查詞典的方法來潛心自學。同時，他省吃儉用，用微薄的工錢購買器材來做電學實驗。
法拉第通過一封信成為戴維的實驗助手後，幫助戴維發明了礦井安全燈，發現了氯、氨等氣體和固體苯。
奧斯特發現電流磁效應的消息傳到英國，英國《哲學年鑒》雜誌向戴維約稿，評述電磁學一年的發展。忙於各種事務的戴維想都沒想就把它交給了在科壇嶄露頭角的法拉第。
奧斯特實驗示意圖。（網路圖）
在收集材料完成戴維所布置任務的過程中，一直對電磁學很感興趣的法拉第敏銳地意識到奧斯特磁效應理論的重要性。他與奧斯特一樣，受到謝林哲學的影響，深信電、磁、光、熱等相互聯繫。現在奧斯特證明了電能生磁，擺在眼前的攔路大山就是如何用實驗證明磁能生電。如果磁生電成為現實的話，那麼用此法發電，既可得到很大的發電量，又可以比電池生電的成本低很多。
「磁一定能轉化為電！」法拉第在日記本上鄭重寫下這句話，然後放下筆，口袋裡揣一塊馬蹄形磁鐵和一個線圈，慢慢向室外走去。他有個習慣，就是邊走路邊思考；思考過程中可以用隨身攜帶的器材做簡單的實驗。
不尋常的十年
開始，法拉第也像當時許多投身電磁學研究的科學家一樣，簡單地認為用強磁場靠近導線，導線中就會產生電流，或者在一根導線中通過強大的電流，靠近導線就會產生穩定的電流。於是，他或用磁鐵碰導線，或把導線繞在磁鐵上，或把磁鐵裝進線圈肚子里，但沒有電流產生。
窮人出身的法拉第具有非同一般的韌勁。對此，他想了很多實驗方法，但都以沒有結果而告終。據《法拉第日記》記載，公元1824年12月28日晚，「（我）指望流過一導線的電磁流在嚮導線靠近的強力磁極的影響下，會在導線的其他部分顯示出反作用的某種效應……電路做成長、短的，用中等的銅線、很純的銀線，指針放入電流計內。磁極放入一個螺線管內，等等，等等，儘管磁極強得使導線的彎處在它的作用下繞過它，但磁鐵對電流卻似乎毫無影響。」
屋漏偏遭連夜雨。由於法拉第的某些行為引來戴維的不滿和嫉妒，所以戴維派他進行一系列的光學玻璃實驗。法拉第對此工作不感興趣，又不能不做，所以他只有利用業餘時間進行電磁學研究。直到公元1829年，戴維去世後法拉第才得以暫停光學玻璃實驗。於是，他夜以繼日地進行電學實驗研究。
戴維與法拉第。（網路圖）
歷經十年時斷時續的失敗、試驗、再失敗、再實驗，公元1831年8月29日，法拉第終於取得突破性進展。他在一個圓形的鐵棒上繞了兩個線圈，一個線圈接電源，一個線圈的下方平行放了一個小磁針。當接通電源的瞬間，他發現小磁針擺動了一下又回到原來的位置。他以為自己看花了眼，便斷開電源，發現小磁針又輕輕擺動了一下，不過方向與剛才相反。
法拉第對這個瞬間出現的現象窮追不捨。小磁針的擺動說明另一個線圈也出現電流了。但它們為什麼只出現在電源接通或斷開的瞬間呢？經過長時間思考，法拉第終於明白了：電源接通或斷開瞬間，電流是變化的，它們產生的磁場也是變化的。也就是說，只有變化的磁場才能產生感應電流。
問題的關鍵在於變化！
他的心劇烈跳動起來，興奮、激動之情溢於言表。因為他已經看到了成功的曙光！此後他又設計了幾十個不同場景或不同材料的實驗，結果證明，只要穿過閉合迴路的磁力發生變化，如實驗中的插入或拔出磁棒，迴路中就會產生感應電流。這就是著名的電磁感應定律。
電磁感應演示實驗——插入或拔出磁棒。（網路圖）
公元1832年1月12日，法拉第在英國皇家學會會議上作了題為「電的實驗研究」的報告。報告詳細介紹了電磁感應定律，及此定律對物理學的深遠影響。從奧斯特發現「電生磁」以來，全世界的科學家都在尋找「磁生電」的方法，但都失敗了。法拉第的成就贏得了全世界的稱頌。皇家學會授予他科普萊獎，牛津大學授予他名譽博士學位，他已躋身於歐洲第一流科學家行列。
磁能生電！法拉第十年前的預言實現了。
打開電力時代大門
法拉第根據電磁感應定律製造出世界上第一台直流發電機。即在一個U形磁鐵的南北極之間，插入一個可能旋轉的圓形銅盤，導線的一端纏繞在銅盤的軸心上，另一端用電刷與銅盤邊緣相接觸。當鋼筋旋轉時，在銅盤與導線組成的迴路中就產生了電流。儘管這個發電機非常簡陋，產生的電量還不及現在的玩具發電機，但它第一次把機械能轉化成了電能，為人類打開了電氣化的大門。
發電機實驗模型。(網路圖)
發電機的問世，宣告電力時代的到來。30年後的公元1861年，德國人西門子發明了直流電動機，完成了實用電機雛形；公元1881年，美國人愛迪生改進了西門子發電機。公元1891年，俄國科學家德布羅里斯基指導學生完成了175公里的三相交流遠程輸電工程。這一年，距法拉第發現電磁感應現象已經整整60年。時至今日，當人們打開開關，享受電能所創造的文明碩果時，都應該感謝法拉第。公元1931年，為了紀念電磁感應現象發現100周年，政府在倫敦舉行了盛大的慶祝活動。鑒於法拉第在電學方面為人類所作的貢獻，科學界公認其為「電學之父」。
早期的西門子發電機（網路圖）
科學之路上，法拉第永不停歇。為了證實用各種不同方法產生的電在本質上都是一樣的，他仔細研究電解液中的化學現象，於公元1834年總結出法拉第電解定律；再後來，他專心研究磁與光的關係，總結出著名的磁光效應。與此同時，法拉第一直在深究一個問題，即電與磁之間到底靠什麼聯繫轉換的。缺乏系統數學教育的他無法用數學公式來表示，只好用文字描述了這種叫電磁場論的東西。欲知後事，請看法拉第系列的下集《多年潛心研究，只為創立電磁場論》。
【參考】
1、論文《創新思維：電磁感應定律的發現》，博客名「創新能力的培養」。
2、 書籍《名人傳記之法拉第》。
3、 百度「知乎」等平台。
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