法拉第的成才給現代教育的啟示

【摘要】本文介紹了法拉第的生平以及發現電磁感應的過程，并對他在電磁學上的其他一些重要貢獻及其學術成就對后人的影響進行深入的探討，以期人們從法拉第的成才過程中吸取對現代教育的改革元素。

【關鍵詞】電磁感應 現代教育 實驗物理

邁克爾法拉第是19世紀的物理學家和化學家，也是電磁領域中出色的實驗物理學家。他因發現電磁感應定律而載入史冊。他還是電動機和發電機的發明者，是場概念提出的先驅者，并在愛因斯坦前60年提出用力線取代和拋棄“以太”觀念，還發現了靜電感應現象并獨立地和亨利同時發現了自感現象，暗示了電磁波的存在。其他物理學家把他的研究成果歸納為四類：電磁感應的發現：電解定律；磁旋光效應；物質磁性的發現。

一、法拉第的成才

邁克爾·法拉第于1791年9月22日出生在英國倫敦南效薩里郡紐英鎮的一個鐵匠家庭。由于他家里相當窮，上不起學。他被家人送到書店里學習裝訂技術，法拉第在裝訂書籍的同時從書店老板那里習得識字。從書中學到很多新的知識。特別是當他接觸到有趣的書籍時就貪婪地讀起來，尤其是百科全書和有關電的書本，簡直使他著了迷。繁重的體力勞動、無知和貧窮，都沒有能阻擋法拉第向科學進軍。就這樣，法拉第走上了自學的道路。法拉第學徒期滿，在一家書鋪做裝訂工。1812年，法拉第聽完了當時著名的化學家戴維在皇家學院做的一系列化學講座，并作了詳細的筆記。這時法拉第已無法安心自己的工作，他是那樣地向往科學。他給皇家學會會長兼皇家學院院長寫了一封求職信，卻石沉大海。同年12月，法拉第又一次向命運挑戰了。他鼓起勇氣給戴維寫信，并且把裝訂成冊的戴維4次講座的筆記一起送去。法拉第巨大的熱情、超人的記憶和獻身科學的精神，感動了這位大化學家。法拉第到皇家學院化學實驗室當了戴維的助手。科學圣殿的大門向學陡出身的法拉弟打開了。

法拉第在戴維指導下開始了自己的研究工作。1815年，他參與了煤礦安全燈的研制工作。1816年，法拉第發表了他的第一篇論文“多斯加尼本工生石灰的分析”。到1819年他已經在化學、氣體液化、特種鋼研究等方面發表論文37篇，成了一位小有名氣的化學家。1821年10月，法拉第發表了一篇有關電磁學的論文“論某些新的電磁運動兼論磁學的理論”，開始在電磁學領域嶄露頭角。同年，他發明了電磁旋轉器，用實驗證實了電磁力是一種旋轉力。1824年，被選為皇家研究所的實驗室主任。1831年發現了電磁感應現象，這是法拉第在科學上的最高成就，這在物理學上起了重大的作用。1833年到1834年他研究電流通過溶液時產生的化學變化，提出了法拉第電解定律。1834年，他又重新研究了感應現象，這一次發現了靜電感應，

并獨立地和亨利同時發現了自感現象。1843年法拉第第一個證明了電荷守恒定律。1845年，發現了偏振光在磁場作用下通過重玻璃后偏振面旋轉，稱為“磁旋光效應”。他還提出了“場”和“力線”的概念，同年又發現了物質的抗磁性。法拉第的最后一個研究課題是探索光束在磁場中分裂效應，在這個課題上他沒能取得成功，但后來終于被塞羅發現。1855年法拉第完成了電磁學巨著——《電的實驗研究》。1858年，法拉第離開皇家學院，到倫敦度過晚年生活。1867年8月25日，法拉第逝世，終年76歲。從此，塵世上失去了一位偉人，天堂里又多了一位圣人。為了紀念他對電磁學作出的貢獻，1881年在巴黎召開的第一屆國際電學會議決定，用他的姓氏作為電容的單位。

二、法拉第在電磁領域中的貢獻

1 電磁旋轉現象

1821年9月3日，法拉第又重復了奧斯特的實驗，他將小磁針放在載流導線周圍不同地方，發現小磁針有沿著環繞以導線為軸的圓周旋轉的傾向。根據這一現象，法拉第設計制作了一種“電磁旋轉器”，讓載有電流的導線在一個馬蹄形磁鐵的磁場中轉動。法拉第的精彩實驗被刊登在《科學季刊》上。

這是科學史上永遠值得紀念的日子，那不僅是因為電磁旋轉現象是法拉第的一個偉大發現，而且因為這～簡單的發現實際上是科學史上最早的一臺電動機。

2 電磁感應定律

法拉第對安培的“分子電流”理論提出了不同看法。從1824年到1828年，法拉第多次進行電磁實驗。他仔細分析電流的磁效應，認為電流與磁的相互作用除了電流對磁、磁對磁、電流對電流，還應有磁對電流的作用。他想，既然電荷可以感應周圍導體使之帶電，磁鐵可以感應鐵質物質使之磁化，為什么電流不可以在周圍導體中感應出電流來呢?于是他做了一系列實驗，想尋找導體中的感應電流。盡管“磁轉化為電”的跡象還未找到，法拉第的信念始終沒有動搖，經歷了10年的失敗、實驗、再失敗、再實驗后，終于在1831年8月取得了突破行進展。

法拉第在1831年11月24日，向英國倫敦皇家學會報告了他的重大發現，歸納出產生感應電流的五種情況：變化著的電流；變化著的磁場；運動的穩恒電流；運動的磁鐵；在磁場中運動的導線。法拉第在報告中，把他所觀察的現象正式定名叫“電磁感應”。

3 電場和磁場及力線

法拉第的又一個重要成果，是提出了場的概念和力線的圖象。他反對電、磁之間超距作用的說法，設想帶電體、磁體或電流周圍空間存在一種從電或磁激發出來的物質，它們無所不在，是一種像以太那樣的連續介質，起到傳遞電力、磁力的媒介作用。他把這些物質稱作電場、磁場。法拉第還憑借著驚人的想象力，和流體力學中的流場類比，提出電場和磁場是由力的線和力的管子組成的，正是這些力線、力管，把不同的電荷、磁體或電流連接在一起。1852年，他用鐵粉顯示出磁棒周圍磁力線的形狀。1855年，法拉第在《論磁哲學的一些觀點》一文中，將磁感線的物質性推廣到其他力線，并給出了力線的四個基本性質：力線存在與物體無關；物質可以改變力線的分布；力線具有傳遞力的作用；力線在時間中運動。這就是法拉第場論形成的最后標志。法拉第的這～科學思想遭到了許多人的非議。后來經過邁克斯韋的工作和赫茲的實驗，這些光輝思想終于被證實。

4 預言電磁波的存在及旋轉光效應的發現

1832年，法拉第還用極深邃的物理洞察力對光和電的關系作出了研究。他給英國倫敦皇家學會寫了一封密封信，信上寫著：“現在應當收藏在皇家學會的檔案館里的一些新的觀點。”這封信在檔案館里躺了一百多年，直到1938年才為后人重新發現，啟了封。法拉第在信中預言了磁感應和電感應的傳播，暗示了電磁波存在的可能性，還預言了光可能是一種電磁振動的傳播。他還發現了光的偏振面在磁場中旋轉的旋光效應。磁旋光效應即法拉第效應表述為：在偏振光的傳輸方向上，對透明磁性材料施加磁場，可以使光的偏振面在這磁性材料中發生旋轉，偏振角旋轉的大小與外加磁場強度和材料磁性有關，偏振角旋轉的方向則只與外加磁場方向有關。

5 在抗磁體和順磁體上的研究

1845年，法拉第在研究磁旋光效應時，發現磁極對透明的物體具有排斥現象。當他將各種物質在磁場中的磁性作用排隊時發現玻璃和金屬鉍等有抗磁性，它們的抗磁性表現為：在磁場中先轉到磁極之間的橫向，然后被排斥出去，這種作用與磁極的性質無關。幾經實驗，結果證明抗磁體在磁極附近既不感生相同的磁極，也不感生磁性，而是磁感線幾乎不通過抗磁體，可是順磁體卻使磁感線完全通過去，因而提出兩者的本質區別在于是否能讓磁感線通過，也就是磁通量問題。從這些現象出發，他提出磁化率的概念。一般的物質在較強磁場作用下都顯示一定程度的磁性。它們可分為兩類；一類物質的磁化率是負的，稱為抗磁性物質，這些物質在磁場中獲得的磁矩方向與磁場方向相反，故在不均勻磁場中被推向磁場減弱的方向，即被磁場排斥；另一類物質的磁化率是正的，在不均勻磁場中被推向磁場增強的方向，即被磁場吸引，法拉第稱它們為順磁性物質。像鐵那樣強的磁性顯然是特殊的，應另屬一類，后來稱為鐵磁性。

法拉第用了六年的時間進行這項研究，導磁性原理由此誕生了。這個原理指出：不同的物質有不同的磁導率，順磁體能讓空間磁感線更多地通過，且易向磁感線密的地方運動；而抗磁體則會排斥空間的磁感線。

三、法拉第的學術成就對后人的影響

1 發電機原理及電動機原理對后人的影響

1858年，由法拉第親自督導，在英國沿海的兩座燈塔內安裝了發電機，由電弧探照燈的光束第一次照射到海面上。

自此以后，電力的生產和應用得到了大規模的發展。隨著電動機、變壓器、電燈等各種電工儀表的發明，電力的應用滲透到生產、科研和日常生活的各個領域。19世紀70～80年代，首先在城市中迅速發展了電力網，最初只是為了提供街道照明和工業用電，20世紀最后十年電力網又伸進了各個家庭，為家庭照明及民用電器設備提供電力。現代社會如果沒有電是不堪設想的。所以有人說19世紀后半葉工業的迅速發展在很大程度上應歸功于法拉第的各種電學發現。

2 電磁場論的發現對后人的影響

法拉第是場概念的提出者，并且為電磁場理論的形成提供幾乎所有的實驗依據和基本素材，而且還有磁場強度、分子極化等。

法拉第表達出了初步的電磁場理論，從理論上予以解釋、概括和表述電磁場理論的則是麥克斯韋，他將電磁場理論公里化成理論體系。赫茲在法拉第和麥克斯韋的理論基礎上，繼續做了一系列實驗，證實了法拉第對電磁波的存在和麥克斯韋的光是一種電磁波的預言。此后，實現了無線電遠距離傳播，并很快投入到實際應用。其他無線電技術也如雨后春筍般地涌現了出來，無線電報、無線電廣播、導航、短波通訊、傳真、微波通訊等。

3 順磁性和抗磁性機理的發現對后人的影響

順磁性雖是一種弱磁性，但也有其重要的應用，例如在順磁性和順磁共振基礎上發展起來的順磁微波量子放大器，不但是早期研制和應用的一種超低噪聲的微波放大器，而且也促進了激光器的研究和發明；在生命科學方面，如血紅蛋白和肌紅蛋白在未同氧結合時為順磁性，但在同氧結合后便轉變為抗磁性，這兩種弱磁性的相互轉變就反映了生物體內的氧化和還原過程，因而其磁性研究成為這種重要生命現象的一種研究方法；醫學上有著重要應用的核磁共振成像技術發展到電子順磁共振成像技術，可以預料利用這一技術便可顯示生物體內順磁物質的分布和變化，這會在生命科學和醫學上得到重要應用。

近年來，人們應用法拉第導磁性原理，利用氧的順磁性和氮的抗磁性原理，制造了以聚氧器和螺旋磁化器為核心的多項技術，如氣體磁性分離器等。它們被廣泛應用于各種污水處理和中水回用工程的充氧曝氣以及江、河、湖泊的充氧復氧工程和水產養殖等領域的充氧。

四、結束語

法拉第成名以后，世界各國贈給他的榮譽頭銜有94個，但是他說：“我承認這些榮譽很有價值，不過我從來沒有為追求這些榮譽而工作。”法拉第對這些獎章并不在意，只把它們丟在舊盒子里，但他對學位證書卻很珍惜，小心地保存起來，因為他受的教育是最初等的，以這樣低的文化水平能夠做出如此高水平的研究工作，法拉第是很自豪的。他以自己的努力向人們證明：科學的殿堂照樣歡迎他這樣沒有機會接受高等教育的窮孩子。這就鼓勵了大多數沒有富裕家庭的窮學生們：不要因為現在的貧窮和自卑，將來的我們可能會像法拉第一樣成為一朵獨冠群芳的天才之花。

法拉第一生為人質樸。他淡泊名利，無私奉獻。他多次拒絕了制造商的高價聘請，謝絕了大家提名他為皇家學會會長和維多利亞女皇準備授與他的爵位，終身在皇家學院實驗室工作，甘愿當個平民邁克爾·法拉第。這也反映出法拉第把追求科學真理和獻身科學事業作為畢生的追求。這種高尚的品德和潔身自愛的情操永遠是我們學習的楷模。