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电磁英雄法拉第(中):光电磁的魔术师——《物理双月刊》

  • 文/高崇文

听说咱们台湾的基础研究的预算,今年又要狠狠地被砍一番,不禁想起法拉第这位一生游走在基础研究与应用科学的科学家。他可是惟一得过两次Copley 奖章的物理学家哦。(Copley 奖章是皇家学会不分领域所颁发的最高荣誉)且让我们来看看,法拉第这位光电磁的魔术师在玩什么戏法?

以磁生电,古往今来第一人!

厄斯特发现电流生磁后之后,科学家发现愈来愈多电磁相关的现象。像法国科学家François Arago就发现把电线卷成线圈,再把不带磁性的金属棒放进去,金属棒会被磁化。此外,若是将圆形磁铁和不带磁性的圆型金属板,彼此靠近排在一起,当磁铁转动时,金属板也会朝同样的方向转动。这个被称呼为「Arago圆盘」。英国科学家William Sturgeon在1823年也发现,若是将铁棒放入用铁丝缠绕而成的螺线管内的话,铁棒的磁场会变强。他还将铁棒弯成U字型,通电后成功吸起相当于磁铁12倍重量约4公斤重的秤锤!但是这些基本上都是以电生磁,那倒底能不能以磁生电呢?虽然大家普遍相信有可能,可是没有人做的出来,直到1831年,法拉第才终于成功地以磁生电!

François Arago发现把电线卷成线圈,再把不带磁性的金属棒放进去,金属棒会被磁化。图/By Hendrik Scheffer, Public Domain, wikimedia commons

法拉第把两条独立的电线环绕在一个大铁环,第一条导线连上电池,另外一条导线只连上电流计。他发现当第一条导线通电跟断电时,连上第二条导线的电流计都会动一下,法拉第接着把磁铁通过导线线圈,线圈中也有瞬间电流产生。移动线圈通过静止的磁铁上方时也一样,原来之前众人都期待「以磁生电」会产生稳定电流,只有法拉第注意到磁场变化生出来的电流都是瞬间电流!1831年11月下旬,法拉第在皇家科学院的聚会中做了口头发表,接着又以「与电相关实验之研究」为题投稿到自然科学会报。这是他在接下来将近25年间撰写的29篇论文中的第一篇。除了其中一篇论文之外,28篇论文都发表在皇家学会的旗舰刊物《自然科学会报》(The Philosophical Transactions of the Royal Society)。内容就是大家从国中就学过的电磁感应定律(不过感应电动势的方向是后来才由在圣比得堡的冷次Heinrich Lenz所决定的)隔年法拉第就获得他的第一面Copley奖章了。

大家国中都有玩过电磁感应吗?图/By Eviatar Bach, CC0, wikimedia commons

论文还没付印前,法拉第就写信告诉法国数学家Jean Nicolas Pierre Hachette 他的大发现,Hachette 将内容透露给Arago。Arago 则在12 月26 日一个会议中宣布。这个消息几天后出现在巴黎的报纸上。但报导却说在法拉第之前已经有法国科学家先做过这个实验。更离谱的是当时颇备欢迎的英国杂志Literary Gazette 的主编William Jerdan 居然写了篇文章说道「最早发现电磁感应现象的是Leopoldo Nobili 和Vincenzo Antinori 两位义大利科学家,法拉第是重做了他们的研究」。这是因为义大利的杂志将这两位义大利化学家的论文发表日期由1832 年1 月往前移了两个月成为1831 年11 月造成的误会。这两位义大利化学家在他们的论文中明明承认法拉第首先发现电磁感应。顺便一提这两位学者是在佛罗伦斯做的实验。

当然最后法拉第的功绩还是被世人肯定,不过话说回来,当时的社会大众会关心「从磁力做出电」这件事,表示科学的成就已经开始牵动一般民众的民族情感,这也显现出科学与社会的互动已是愈加紧密,至于这是好还是坏,就见仁见智啰。

看不见的电其实藏有定律

法拉第研究电磁感应后提出了一个非常重要的新概念。那就是「磁力线」。根据法拉第的看法,磁力线占据磁铁内部与其周围的空间。虽然肉眼不可见,但是只要将铁粉洒在磁铁上方的纸张上,马上就可以看到图形。磁力线在磁力最强的两极附近,分布得最稠密。离两极越远,随着磁力越弱磁力线的分布的密度越低。有了磁力线的概念,法拉第认为切断线路上的磁铁或其他电流发出的磁力线,是引起电磁感应的原因。法拉第的磁力线概念后来被马克士威发扬光大。不过法拉第的电磁感应模型也有踢到铁板的时候,著名的「法拉第吊诡」就是最好的例子。限于篇幅,阿文在此不能详述,日后当写专文一篇来讨论,还请各位看官耐心等候。

磁力线占据磁铁内部与其周围的空间。在磁力最强的两极附近,分布得最稠密。离两极越远,随着磁力越弱磁力线的分布的密度越低。图/By Newton Henry Black, Public Domain, wikimedia commons

法拉第下一个重要贡献是证明了电基本上是同一种东西;在19世纪初,不同来源的电因而有不同的名称。像是由伏打电堆(或一般化学电池)所得的电称为「伏打电」;经由摩擦而得的静电称为「摩擦电」;电磁感应产生的被称为「磁电」;温度不同的两个金属产生的叫「热电」;电魟和电鳗之类产生的则叫「动物电」等等。法拉第认为这些不同名称的「电」应该拥有相同的性质。那他要如何证明呢?

1833 年法拉第设计了一种测量电流的仪器,根据电解过程中释放的气体体积来衡量流过的电流量,也就是后来的伏特计(Voltmeter)。他用这种仪器量度了电解过程中每产生1 克氢气所通过的电量与在电解槽中所沉积出的各种物质量的关系,最后归纳出法拉第电解定律:

电解过程中,于电极所游离出之物质的质量与通过电解质之电量成正比
电解过程中,用相同之电量,其产生游离物质之质量与它们的化学当量成比例
无论电的由来为何,一定量的电会引起一定的效果,就这样法拉第证明了各种名称的电其实都是相同的。电解定律马上就被发现具有实用的价值。利用电解的镀金法,当时流行的方法是汞合金法就是将金与汞混合,金汞比例大致为(1 : 7),形成液体合金(金汞齐)。将它涂抹在器物的表面。无烟炭火温烘烤令汞蒸发,剩下金层。电镀比起来要安全得多而且更有效率。

搭乘飞机怕雷击?法拉第会说「免惊」
三年后法拉第又让社会大众大吃一惊。法拉第做了一个被细密的金网包覆的木框。笼子长达3.5 公尺相当庞巨大,无法放进法拉第的地下实验室,只好搬到讲堂。实验时因为有大量的电荷从发电机送到笼子表面的金网,所以甚至有火花从金网飞出来。但是法拉第进到笼子里,不但点燃蜡烛,还一副悠哉悠哉的模样。他还用电表确认了笼子里完全没有电荷。这就是法拉第笼。

被导体包围的法拉第笼内部的电位完全相同。所以一旦将电荷带进笼内部,电荷就会往法拉第笼移动并分布在笼子的表面。在日常生活中,飞机和汽车等金属制的交通工具就算被雷打中,里面的乘客也不会受到影响。阿文曾搭飞机时亲身经历飞机机身被雷击中,一时机舱内一片死寂,只有阵阵婴儿哭声,不多久传来德籍座舱长冷冷地说「我们开始供应餐点」,真是毕生难忘。当然啦,飞机一路顺利抵达目的地,只是当时魂飞魄散的模样依稀在眼前呢!

法拉第笼示意图。图/Di L'utente che ha caricato in origine il file è stato Nobelium di Wikipedia in tedesco, Public domain, wikimedia commons

当时大部份的科学家都认为库仑力与万有引力都是所谓的「超距力」,力是电荷或质量之间的作用,跟周遭的介质是无关的。法拉第独排众议,认为电力是透过介质而来传递,所以介质应该对电力有影响。为此1837年法拉第做了两个大小相同的电容。电容的内极板与外极板之间各有3公分的间隔,可在其中填入介质。他先让其中一个电容的内极板带电,接着让这个极板与另一个电容的内极板连接。结果电荷在两个电容平均分布。接着他将其中一个电容的空腔填满介质,再重复相同的实验,却发现填满介质的电容累积比较多的电荷(电荷多寡是由库伦的扭秤做测量)。由此可用数值来表现绝缘体的介质性质。法拉第把这个数值叫作比电容量,现在我们称之为介电常数。

1838 年法拉第与德国的「数学皇帝」高斯一起获得Copley 奖章,这是他第二次获奖。但是之后法拉第就病倒了(当时法拉第四十九岁,当年戴维是五十岁英年猝逝,后世有学者怀疑他们因为长期接触有毒物质所以才会健康出问题。谁说科学工作没风险?)在休养好一阵子之后法拉第才逐渐恢复,接下来他的兴趣由电磁现象转到了光与磁相关的问题,并且得到非常丰硕的成果。

划时代磁光效应,想得到却量不到
法拉第认为光跟电磁现象有密不可分的关系,一开始他尝试让光通过强电场,想要观察偏振光是否产生变化。但是徒劳无功。后来法拉第把电场换成磁场,在偏振光的附近放置磁极,并且让偏振光通过各式各样透明物质。虽然改变过磁铁的强度、位置、通过物质的种类,却一直无法得到预想的结果,1845 年9 月13 日他终于发现电磁铁让光的偏振面旋转的神奇现象!当偏振光与磁力线平行地通过重玻璃时会产生最大的旋转。这个实验首次证明了光和磁力有所联系,也开启后来马克斯威尔的工作!

讽刺的是,使偏振面产生旋转的物质正是令他苦恼许多年的「光学玻璃改良计画」中制造的高折射率重玻璃。他了解到这种玻璃的高折射率会放大磁力的作用。这个现象是由于线性偏振可以分解为两个圆偏振部份的叠加,而这两个圆偏振部份之间的振幅相同、一个左旋,一个右旋,当磁场加在磁性物质上时,左旋与右旋光在磁性材料中有不同的吸收及反射系数,造成左旋圆偏振光波与右旋圆偏振光波各自以不同的速度传播于介质,造出的相对的相移就会造成线性偏振取向的旋转。电场其实也有类似的现象,但是法拉第当时的仪器还量不到这个效应,要等到1878 年苏格兰科学家John Kerr 才成功。

虽然在1845年法拉第已经发现磁光效应,直到一百多年后,才应用起磁光效应观察、量测磁性材料的磁滞曲线;随着雷射光与电子学的发展,结合磁光效应,发展出新型的光讯息元件—— 磁光元件。如法拉第旋转器(Faraday rotator)可以用于光波的调幅,是光隔离器与光循环器(optical circulator)的基础组件,也是光通讯与其它雷射领域必备组件。在天文学里,法拉第效应也是一种很重要的磁场测量工具。举个例子,从银河系外射微波源(extragalactic radio sources)发射的无线电信号,穿过日冕而产生的法拉第效应,可以用来估算日冕内部的电子密度分布以及磁场的分布。

处处皆有磁?原来法拉第才是第一位「万磁王」
当时人类只知道磁石等特殊物质有磁性。但法拉第相信所有物质或多或少都有内含的磁性。虽然早在1778年,SJ Brugmans就发现了金属铋和金属锑在磁场中存在某些抗磁性现象,但是直到1845年9月,法拉第发现在外在施加磁场中,所有天然物质都拥有不同程度的抗磁性,抗磁性diamagnetism这个词才正式在文献中使用。其实这个词是William Whewell建议的(Whewell还创造scientist, physicist等词呢)这个现象要等到二十世纪量子力学出现之后才能完整地解释,不过这算是迈出磁性物理的重要的一步。

法拉第不仅相信光与电磁现象有关,他还相信重力与电磁现象也有关。1849年4月,法拉第开始做实验要来证明电与重力的关系。他尝试将铜之类非磁性物质所做成的球,从直立的金属制螺旋梯中落下,但没有任何特殊的发现。他逐渐提升降落的高度。还是没有看出任何效果。最后他甚至利用泰晤士河南岸的Lambeth的shot tower,还是无法观测到任何电荷变化(shot tower翻做散弹制造塔,将铅溶化后从很高的塔顶滴下去,塔底为水槽,坠落于水槽的铅滴即可制成铅弹)。法拉第不得不承认无法证明电和重力的关连,他非常失望,因为他连重力电这个专有名词都早就准备好了。法拉第将这个研究结果投稿到哲学学报(Philosophical Transactions),皇家学会的秘书斯托克斯认为实验没有成果而将它退稿。这是法拉第最后一篇的投稿论文。

泰晤士河南岸的Lambeth的shot tower(左)图/By David Wright, CC BY-SA 2.0, wikimedia commons

法拉第真正最后的实验又回到光与磁的关系。1862 年3 月12 日,他观察强磁场是否会改变钠的D 线(焰色反应中的黄色光)的频率与谱线线宽。结果是一场空。然而,法拉第的想法并没有错,问题出在他当时使用的仪器,尚不足以观察到这效应。等到1896年,荷兰的物理学家Zeeman 才利用分光能力更好的光栅分光器观察到了今日我们称之为Zeeman 效应的光谱线的分裂。顺带一提,Zeeman 和用理论解释此效应的劳仑兹一起获得1902 年的诺贝尔物理奖呢。

综观法拉第一生的研究,可以看得出来他所追求的是各种物理现象的合一。这跟他个人虔诚的宗教信仰有密不可分的关联。有趣的是法拉第工作一辈子的皇家研究院非常重视科学的应用的机构,与传统的学术单位大相径庭。但是法拉第的电磁学研究许多在他有生之年是看不出应用价值的。到头来,做科学最要紧的是有好的品味,做出好的科学才是王道吧。

各位看官,您说是不是呢?

 

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