邁克爾·法拉第(Michael Faraday,1791年9月22日~1867年8月25日),英國物理學家、化學家,被譽為“電學之父”和“交流電之父”。
出身貧寒的法拉第并沒有接受過良好的教育,通過自學和做學徒的方式成為了分析化學家并發現了很多有機化合物。法拉第是英國著名化學家漢弗里·戴維的學生和助手,是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的先導。之后法拉第的研究重點轉向電磁學,他的發現奠定了電磁學的基礎。法拉第在1821年發明了第一個電動機。1831年10月28日,法拉第發明了圓盤發電機,創造出人類第一個發電機。他也證明了電和化學鍵的關系、發現了抗磁性,為麥克斯韋建立磁場理論提供了大量實驗和理論基礎。法拉第沒有獲得爵位,但接受了漢普頓宮一所房子的使用權,直至去世。1867年8月25日,法拉第因病醫治無效逝世,享年76歲,安葬在倫敦的海格特公墓。
生平
從學徒開始
法拉第的父親詹姆斯?法拉第(James Faraday)是一名居住在威斯特摩蘭郡(Westmorland)的鐵匠。隨著工業革命帶來的城鎮化進程,威斯特摩蘭郡的貿易下滑,而剛與瑪格麗特(Margaret)新婚的詹姆斯也需要錢維持家庭,法拉第一家離開奧特吉爾,來到倫敦橋以南一個叫紐因頓巴特斯(Newington Butts)的貧民區。1791年邁克爾?法拉第作為家里的第三個孩子出生。鐵匠生意蕭條加上詹姆斯的健康狀況下降,他們不得不接受別人的捐助維持生活,并最終搬家至曼徹斯特礦場附近。盡管生活貧苦,法拉第的父親卻十分重視對孩子們的教育,教導他們要勤勞樸實、不貪圖名利,做一個正直的人。這種家庭教育對法拉第后來的思想觀念和性格塑造產生了深遠的影響。
13歲的法拉第開始在書報店作為學徒為喬治?里博打工,受到里博的欣賞法拉第成為裝訂學徒,借此他獲得了閱讀的機會。書籍堆積如山的環境點燃了他強烈的求知欲望,他如饑似渴地閱讀各類書籍,尤其專注于自然科學方面的知識,《大英百科全書》中關于電學的文章特別吸引了他。之后法拉第加入了城市哲學學會(City Philosophical Society),認真學習學會每周舉行的演講,并開始自己做起了實驗。他還與青年朋友們建立了一個學習小組,常常在一起討論問題,交換思想。里博經常向顧客展示法拉第的筆記,一位英國皇家科學研究所的成員丹斯先生出于對法拉第筆記的深刻印象,送法拉第四張其支付不起又滿心渴望的化學家漢弗萊?戴維(Humphry Davy)的講座門票。對于戴維的講座,法拉第不僅詳細記錄、認真謄抄,還盡其所能的利用臨時設備還原實驗。學徒生涯結束后,法拉第給倫敦皇家自然知識促進學會會長寫信試圖獲得一個科學崗位,遭到了無視,只得又找到一份前景黯淡的裝訂工的工作。正在法拉第四處求助的時,丹斯先生將他介紹給了因實驗室爆炸暫時失明、需要助手的漢佛萊?戴維,借此一段助手工作法拉第讓戴維見識到了他的才華,獲得了戴維的認可,并最終得到了英國皇家協會中一個低等工作。1813年10月,法拉第未來作為戴維的助理兼男仆隨他前往法國巴黎。
到達巴黎后,法拉第開始學習法語、融入法國,雖然仆人的地位讓法拉第感到羞辱,但是與包括約瑟夫?路易斯?蓋-呂薩克(Joseph Louis Gay-Lussac)、安德烈?瑪麗?安培(Andrea Marie Ampere)等頂尖科學家的會議交流讓法拉第找到自我。戴維一行人通過碘發現的過程攪亂了巴黎學術界,之后開始了在歐洲范圍的游學旅行,先后前往里昂、蒙彼利埃、埃克斯、尼斯、都靈、圭亞那合作共和國、佛羅倫薩、米蘭、日內瓦等地區,行程中法拉第同戴維一樣給歐洲的許多科學家留下深刻印象。十八個月的游學旅行拓寬了法拉第的眼界,并在皇家科學研究所獲得了適度的加薪。法拉第逐漸成為戴維越來越依賴的助手,例如1815年法拉第就幫助戴維開發了礦工安全燈。戴維對法拉第的進步很高興,給他科研項目并讓他以自己的名義發表論文,自此法拉第加入了實驗科學家的行列。隨后的幾年,法拉第的部分工作是協助威廉?布蘭德進行實驗室工作和講座,并且開始練習演講技巧,同時通過熟練、可靠的化學家身份為商業公司和政府部門提供服務。到1820年時,法拉第已經進入中層英國科學家的行列。
1820年10月,漢斯?克里斯蒂安?奧斯特(Hans Christian Oersted)發現磁羅盤在載流電線附近的移動現象的消息傳到了英國皇家科學研究所,這使法拉第等人感到震驚和著迷。法拉第從中得到了啟發,認為假如磁鐵固定,線圈就可能會運動。戴維和法拉第立即重復了漢斯·奧斯特的實驗,但是由于當時法拉第沉浸在鋼鐵合金的艱苦實驗中,并在隨后與薩拉墜入愛河,法拉第并沒有對電磁現象立即開展研究。1821年,法拉第完成了第一項重大的電發明,他成功地發明了一種簡單的裝置,在裝置內,只要有電流通過線路,線路就會繞著一塊磁鐵不停地轉動。事實上法拉第發明的是第一臺電動機,是第一臺利用電流使物體運動的裝置。
法拉第從祖父開始就是桑德曼教會的信徒,通過教會法拉第結識了銀匠巴納德和他的家人,并與他的長子愛德華交往密切。接觸中法拉第與愛德華的妹妹薩拉?巴納德(Sarah Barnard)互生情愫,并于1821年6月12日舉行了婚禮。法拉第給薩拉的書信情書也因其獨特、真摯廣為流傳。
針對奧斯特的發現,戴維只好轉向威廉?海德?沃拉斯頓(William Hyde Wollaston)尋求幫助,他們共同推翻了戴維最初的猜想,沃拉斯頓也開始進行一些有前途的實驗。法拉第婚后回去工作時,受邀寫一篇電磁學的歷史概述。此時安德烈·安培已經在幾個月內創立了電磁學理論并幾乎贏得了廣泛認同,法拉第按照漢斯·奧斯特和安培的推理重復實驗。法拉第無法理解奧斯特的“電流沖突”模糊理論和波的觀點,也因為沒有學習過數學無法看懂安培數學理論,這反而成了法拉第的優勢——他可以完全從實驗觀察中得出結論。
法拉第通過磁鐵、蠟、汞及電池和電線制造出了第一個電動機裝置,隨后他匆忙的寫了題為“關于一些新的電磁運動和電磁學理論”的論文并發表在下一期的《科學季刊》。由于倉促,法拉第未來既沒有致謝戴維,也沒有提及沃拉斯頓的工作,于是法拉第遭到了包括戴維在內的其他人的剽竊指控。法拉第努力澄清自己并對剽竊指控反駁,雖然他仍不受英國科學界元老們的待見,但他的發現卻展現出旺盛的生命力,電磁學成了熱門話題。與此同時法拉第在《哲學年鑒》上化名為“M”發表的系列文章也使其聲名大噪。
皇家科學學會的分析化學家
雖然包括威廉?海德?沃拉斯頓在內的一批會員都支持法拉第競選倫敦皇家自然知識促進學會會員,戴維為領導的一個小團體卻對此表示反對,經過法拉第的努力呼吁,1824年1月法拉第在僅一票反對的情況下入選英國皇家科學學會會員。1825年,法拉第晉升為英國皇家科學研究所所長,面對岌岌可危的財務狀況,法拉第創了延續至今的英國皇家科學研究所星期五晚間演講及圣誕節特別講座(面向孩子的)。得益于法拉第的演講魅力,講座觀眾增多,皇家科學研究所擺脫了財務困境。
在19世紀20年代,英國的光學儀器用玻璃制造逐漸落后于法、德兩國。1825年倫敦皇家自然知識促進學會成立了光學玻璃質量改進委員會并要求法拉第加入。經過艱苦的實驗,1830年法拉第交付了使用硅硼酸鉛鹽的玻璃樣品,尺寸適中且在望遠鏡中有良好的使用效果。為了避免余生大部分時間都陷在玻璃改進委員會,1831年法拉第打包了6卷實驗筆記送給皇家學會,從玻璃質量改進委員會辭職。在玻璃項目中法拉第獲得了安德森這名好助手,安德森擔任法拉第助手直至1866年去世。
電磁學研究先驅
通過聲音和波的思考,法拉第開始認為電和磁也可能是由波來傳播的。于是,他企圖從靜止的磁力對導線或線圈的作用中產生電流,但是努力失敗了。經過近10年的不斷實驗,到1831年法拉第終于發現,一個通電線圈的磁力雖然不能在另一個線圈中引起電流,但是當通電線圈的電流剛接通或中斷的時候,另一個線圈中的電流計指針有微小偏轉。1831年10月17日,法拉第通過一系列巧妙的實驗首次發現了電磁感應,即當一塊磁鐵穿過一個閉合線路時,線路內就會有電流產生,這個效應叫電磁感應,產生的電流叫感應電流,并進而得到產生交流電的方法。1831年10月28日,通過改進阿拉戈的實驗,法拉第發明了圓盤發電機,這是法拉第第二項重大的電發明,也是人類創造出的第一個發電機。1831年11月法拉第向英國皇家學會報告了他的電磁感應發現,同時寄信到巴黎,J?N?P哈歇特在12月法國科學院的會議上宣讀了他的信。由于發表關于會議的文章的雜志的含糊,和隨后兩位意大利科學家重復實驗結果的文章日期錯誤(錯誤的早于法拉第論文發布),法拉第再次被卷入剽竊爭議,后來相關的人員都公開、私下道歉或公開認可法拉第先前的成果,但這成為了法拉第最后一次在發表論文前公開自己的研究成果。
法拉第確定6種不同類型的電效應,隨后通過一系列實驗證明了各種電的來源都是一樣的。雖然對法拉第而言電究竟是一種或兩種流體還是其他仍是不可知,原子、電子也未被證明存在,法拉第仔細研究了電解液中的化學現象,1834年總結出法拉第電解定律:電解釋放出來的物質總量和通過的電流總量成正比,和那種物質的化學當量成正比。同時,在撰寫電化學實驗報告過程中,法拉第追求使用精確的詞來描述新發現的物理過程,在他人的幫助下創造了幾乎全部的電解中使用的常用術語。到1838年,法拉第在電力方面的一系列實驗研究已經完成了14個系列,除了作為英國皇家科學研究所的所長以外,法拉第還在桑赫斯特皇家軍事學院開設講堂、在周末皇家科學研究所劇院表演,接受擔任三一學院科學顧問等分析和咨詢工作。持續的工作對法拉第的健康造成負面影響,記憶力也開始變差,法拉第甚至不得不開始持續遠離實驗室的休假。
1845年6月,法拉第參加英國科學促進會的年會時,結識了威廉?湯姆孫(開爾文勛爵)。之后,湯姆孫就通過偏振光探測電力線的實驗寫信詢問法拉第,這鼓舞了法拉第重新踏上探索之路。通過多次實驗并借助更大的磁鐵,法拉第證明了光合磁在某種程度上是相互關聯的,也證明了玻璃和其他各種當時被認為非磁性的透明介質也受到磁性的影響。為了證實是不是所有物質都具有某種磁性,法拉第制造了巨大的電磁鐵,經過一系列驗證,一部分物質與磁力線成垂直排列,另一部分則成平行排列。對此重大發現,法拉第使用了“磁場”一詞,并在他人幫助下將垂直磁力線和平行磁力線的材料分別用“抗磁性”和“順磁性”命名。在此實驗基礎下,法拉第開始考慮電、磁、引力的聯系。1846年4月3日例行的英國皇家科學研究所周五演講上,由于法拉第邀請的查爾斯?惠斯通因緊張離場,法拉第只得選擇自己登場并臨時發表了自己對物質、力量和光線的思考,他對光的電磁理論進行了有先見之明的概述,但是當時卻不能被人理解,為此法拉第發表了題為《關于光線振動的思考》的文章,但這并沒有被接受,甚至在早期法拉第的傳記作者都不能認同。對于抗磁性,包括漢斯?克里斯蒂安?奧斯特、愛德蒙?貝克勒爾、安德烈·安培、威廉·韋伯在內的眾多科學家都結合實驗做出了理論猜想。1847年,在米歇爾班卡拉里磁性影響火焰的實驗啟發下,法拉第實驗證明了氣體的磁性并發現不同氣體中的差別,隨后又對真空開展研究。缺少數學知識的法拉第無法用理論說明他的發現,但是他相信實驗結果,他的力線的觀點經受住了每一次考驗,并最終通過實驗總結出了法拉第電磁感應定律。
1855年法拉第完成了最后一卷《電學實驗研究》。1857年,法拉第收到了詹姆斯·克拉克·麥克斯韋撰寫的題為《法拉第的力線》的論文——麥克斯韋帶著他的數學知識表達出了與法拉第在電磁學方面的合作,并對法拉第關于萬有引力線的論文表達了認同。從此麥克斯韋成為法拉第電磁學的接班人。
晚年
法拉第未來最后的10年里的大部分工作靈感來源于公共責任感,例如在三一學院關于燈塔的工作,他不但發表了二十多篇報告,1858年還在南福蘭德安裝了一套完成的操作系統,甚至在各種天氣情況下出海測試。1858年,在法拉第放棄英國皇家科學研究所的各種職責后,他的公寓也被收回。在法拉第的崇拜者阿爾伯特親王請求下,維多利亞女王在漢普頓宮建了一所房子供法拉第使用并承諾支付維修費用,法拉第和薩拉搬進了這所房子。從1862年開始,法拉第的健康狀況逐漸惡化,1867年8月25日,邁克爾·法拉第因病醫治無效與世長辭,享年76歲。按照遺愿,墓碑上僅寫著姓名和生卒日期。
法拉第與薩拉的婚姻幸福、美滿,只是他們沒有子女。
成就影響和評價
成就影響
化學方面,法拉第的成就包括:發現和制備了一系列氯和氮的化合物;1825年,法拉第從石油中首次發現了苯,這一發現成為有機化學和染料化學工業的基礎;通過液化氯氣、二氧化硫、二氧化氮、硫化氫等一系列氣體為氣體液化開辟了道路;發現了點解定律,同摯友制定了一系列沿用至今的專用名詞,如電解、電解質、陰極、陽極、陰離子、陽離子等。
電磁學方面,法拉第發現了電磁感應現象、法拉第效應,也發現了物質的抗磁性、順磁性、磁晶介質、磁的偶極性等。同時法拉第的研究為電磁場理論鋪平了道路,在此基礎上完成了法拉第-詹姆斯·麥克斯韋電磁場理論。
評價
漢弗萊?戴維曾說:“我最偉大的發現是發現法拉第。”
法國作家亞歷山大·仲馬(Alexandre Dumas)評價法拉第:留下許多令人愜意的成就贈與后輩而不自滿,為人異常質樸,愛慕真理異常熱烈,具有勇往直前的美德。
阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)認為法拉第在電學中的地位相當于伽利略·伽利萊在力學中的地位,科學史家丹皮爾(W?C?Dampier)也指出,法拉第奠定了實用電學的三大部門(電化學、電磁感應和電磁波)的基礎。
著作
Chemical Manipulation, Being Instructions to Students in Chemistry (1827):法拉第出版的唯一著作(其他著作都是論文或演講的收集整理)。
《蠟燭的化學史》(Chemical History of a Candle,1861):皇家科學院每年為青少年聽眾舉辦一系列的圣誕科普講座,法拉第于1860年至1861年間進行了六次圣誕科學講座,包含大量的實驗和例證,后由他的朋友威廉·克魯克斯(William Crookes)編輯出版。
《電學實驗研究》(Experimental Researches in Electricity):從1839年至1855年,匯集了法拉第實驗報告出版了三卷《電學實驗研究》,詳盡的記錄了法拉第16041個成功或失敗的實驗,對之后的幾代物理學家都影響深遠。
榮譽
1832年/1838年,法拉第獲得科普利獎章(Copley Medal)。1846年,法拉第獲得拉姆福德獎章(Rumford Medal)和皇家勛章( Royal Medal)。
英國銀行將法拉第未來頭像印在流通于1991年至2001年的20元英鎊。
法拉第被用來命名每摩爾電子所攜帶的電荷為法拉第常數(阿莫迪歐·阿伏伽德羅常數乘以基本電荷,96485.3383±0.0083C/mol),以及電容的標準單位法拉,法拉(farad,符號為F)簡稱“法”,常用單位為微法(μF),皮法(pF)等。1F=1 C/V(庫侖/伏特)。
眾多發現以法拉第命名,例如:法拉第圓筒、法拉第籠、法拉第暗區、法拉第放電、法拉第旋轉、法拉第-廷德爾效應、法拉第-麥克斯韋電磁場理論等。
以法拉第命名了諸多獎項,包括:英國皇家化學學會設立的法拉第講師獎(Faraday Lectureship Prize)、英國物理學會為物理實驗方向設立的邁克爾?法拉第獎(Michael Faraday Medal and Prize)、英國皇家科學會為在通俗傳播科學思想方面設立的邁克爾?法拉第獎和演講(Michael Faraday Prize and Lecture)、國際束流測量會議設置的法拉第杯獎(The Faraday Cup Award)等。
參考資料 >
A Biography of Michael Faraday, Inventor of the Electric Motor.ThoughtCo.2024-12-28
Michael Faraday(1791-1867).英國皇家研究院(the Royal Institution).2023-04-10
大型法拉第籠.北京交通大學威海校區科普教育基地.2025-03-16
科學偉人|平民科學家:邁克爾·法拉第(Michael Faraday).微信公眾平臺.2025-04-30
苯的發現,Nature.x-mol.2025-03-16
Banknote character imformation.Banck of England.2023-04-13
七個電學計量單位是怎么來的?.今日頭條.2023-04-12
Faraday Open Prize :Faraday Lectureship Prize.英國皇家化學學會.2023-04-18
Michael Faraday Medal and Prize recipients.英國物理學會.2023-04-18
Michael Faraday Prize and Lecture.英國皇家科學會.2023-04-18
The Faraday Cup Award.法拉第杯獎.2023-04-18