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