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那些電磁學偉人不為人知的小故事
你知道發現電磁最早源於16世紀嗎?當時歷經一連串的發現、實驗與論辯,才有今日電磁學的定律。一起來看看吉爾伯特、馬森布洛客、富蘭克林、庫倫、伏打、伽伐尼、奧斯特、安培、法拉第、馬克斯威爾、赫茲等對電磁學極有貢獻的科學家故事吧!
 
 
回到電磁的源頭
 

我們來到十六世紀的年代,尋找第一位對電磁進行有系統研究的人,他叫做吉爾伯特(William Gilbert),是近代電磁學的先驅。有一天他在家裡閒著沒事,就把磁石磨成球狀,然後把一個小磁針放在磁球上,發現磁針會轉動。他還發現把不同的物質互相磨擦後竟會吸引其它較小的物質。最後他提出電與磁是不相關的看法,然而他的結論真是對的嗎?

在一七四五年,有一位荷蘭萊頓大學教授馬森布洛克(Petrus van Musschenbrock),他發明了「萊頓瓶」,實際上就是一個普通的電容器,也是人類第一個儲電裝置。為什麼要提到他呢?因為沒有他的發明就沒有現在的電容器,在電學的發展過程中,這項發明是一個相當重要的關鍵。

一七○六年美國波士頓城誕生了一位偉人富蘭克林(Benjamin Franklin),也是我們耳熟能詳的用風箏做實驗的奇人,他用萊頓瓶做的第一個重要實驗是發現了正電和負電。在一七五二年七月的某一天,費城下著傾盆大雨,富蘭克林與兒子做了舉世聞名的電風箏實驗,證明了天上的電與摩擦出來的電是一樣的。隨後他發明了避雷針,讓我們避免被雷電擊中。(據說此後有多位科學家為了重複他的實驗,都不幸被電死。)

看到這兒,也許你會覺得好像和電沒有很直接的關係,不要急,慢慢來,現在要介紹的這個人,不論是在數學、工程、物理等方面都有很好的成就,只要讀過國中的人一定聽過他的名字,他就是庫倫(Charles Augustus Coulomb)。一七八五年他用自己設計製造的靈敏扭秤,證實了同性電荷間的斥力與它們之間的距離具有平方反比關係,並把電荷間作用力的關係稱為「庫倫定律」。
 
兩個男人的戰爭

前面提到的這些研究成果都屬靜電領域,由於萊頓瓶不能穩定且長時間地供電,為了改善這種現象,「伏打電池」便應運而生,有趣的是,這一重大的科學發現,卻是在一個偶然的事件中所引發的,且讓我們來看看吧!

有一位義大利生理學家伽伐尼(Luigi Galvani)長期從事解剖學的研究,有一天在偶然中發現,放在起電機旁的一隻已解剖的青蛙,當用外科手術刀觸及蛙腳上外露的神經時,蛙腳就劇烈地抽搐,他對這一現象十分驚訝,經過十年的研究,他認為這是一種由動物本身生理現象所產生的電,稱為「動物電」。因此產生了一支新的科學──電生理學的研究,同時也開始帶動電流的研究,促使電池的發明。

伽伐尼的發現,引起了一陣研究旋風和討論,但有一位名叫伏打(Alessandro Volta)的物理學家卻不認同他的觀點,他在自己身上做了一個實驗,他用舌頭舔著一枚金幣和一枚銀幣,然後用導線把硬幣連接起來,就在連接的瞬間舌頭有發麻的感覺。這個實驗說明了,兩種不同的金屬接觸時會產生電,於是伏打把這種電稱為「接觸電」,從而引起了「動物電」和「接觸電」長達十年的爭論,被稱為「蛙腿論爭」,最後因為伏打做了一個只用金屬不用肌肉組織的實驗,照樣也能產生電流,使得「接觸電」的觀點占了上風。

後來伏打又製成了能產生持續電流的電源,並稱它是「人造發電器」。這就是最早的電池,史稱「伏打電堆」,也叫「伏打電池」。在伏打之前,人們只能應用摩擦發電機利用旋轉來發電,再將電存放在萊頓瓶中以供使用,這種方式相當麻煩,所得的電量也受限制。伏打電池的發明改進了這些缺點,使得電的取得變成非常方便,後人還真的要好好地感謝他。

還記得文章最前面提到吉爾伯特發表電磁不相關的論點吧?真的是這樣嗎?想知道的話,讓我們再把時間拉近些。
 


電與磁的親密關係

一七七七年,一位名叫奧斯特(H.C. Oersted)的人,出生於一個藥劑師家庭,後來到德國和法國遊學時,在上天造萬物必有其關係的哲學洗禮下,他堅信電現象和磁現象有著共同的根源。一八二○年,奧斯特主持一個電磁的講座,當天晚上他正在講課時突然靈感一來:「如果將通電導線與磁針平行排列,磁針會有怎樣的反應?」結果小磁針會擺動,當改變電流方向時,發現小磁針會向相反方向偏轉,此一現象說明了電流方向與磁針轉動之間有著某種關聯,於是在一八二○年七月二十一日向科學界宣布了電流的磁效應。他證明了電與磁之間是有關係的,也揭開了電磁學的序幕。後來人們為了紀念他,就把磁場強度的單位以「奧斯特」命名。

於是包括安培(Andre Marie Ampere)在內的法國科學家們如夢方醒,才知道他們錯誤地信奉了吉爾伯特關於電、磁之間沒有關係的教條。在聽到奧斯特的實驗結果之後,這些科學家開始重複奧斯特的實驗,並提出了磁針轉動方向和電流方向的關係遵從右手定則,這個定則後來被命名為「安培定則」。此後,安培又做了許多實驗,描述兩電流元之間的相互作用和兩電流元的大小、距離以及方向之間的關係。後來人們把這個定律稱為「安培定律」。目前所用的電流強度單位–安培就是以他的名字來命名的。奧斯特和安培的研究工作,揭示了長期以來被認為性質截然不同的電現象和磁現象,二者之間的關聯性,在很短的時間內,電磁學便進入了一個嶄新的發展時期。

從最早吉爾伯特提出電與磁不相關的理論,一直到奧斯特證明它們之間的息息相關;電既然可以生磁,那就有人想,磁是否也能生電呢?這個問題首先被一個人提出同時也證明了,他就是偉大的科學家法拉第(Michael Faraday)。接下來就讓我們來了解一下這個偉大的人物吧!

米契爾.法拉第,一七九一年出生在一個鐵匠的家中,由於家境貧窮,他幼年並沒有受到完整的初等教育,在因緣際會之下進入了皇家學院實驗室,法拉第的科學生涯也隨之展開。

奧斯特的電磁效應論文發表後,法拉第的心中一直存著一個疑問,既然電與磁有密切聯繫,電能產生磁,那麼它的逆效應「磁能產生電」嗎?一八三一年的某一天,他在公園散步時突然想到,是否反過來利用磁的運動也可以產生電流,於是他急忙回到實驗室進行試驗,結果試驗成功。把一塊磁鐵放入金屬線圈中時,會使電流流入線圈,拿出磁鐵時,電流則反方向流動。這一現象肯定了一個事實,電流不能無中生有,必須作功才能產生,於是他發現了電磁感應現象,這個現象的發現,奠定了日後電力工業發展的基礎。

後來法拉第提出一種全新的概念和物理圖像,「力線」及「場」,還提出了電磁波的臆測:電磁作用可以波的形式傳播,而光可能是一種電磁波,這些猜測後來被馬克斯威爾和赫茲所證實。後人對法拉第的評價極高,認為他是十九世紀最偉大的實驗科學家。可見電磁波的概念最早是由法拉第所提出,此一概念造就了日後通訊的蓬勃發展。從電生磁一直到磁生電的實驗都一個個得到了證明,但是這些看似獨立的電磁現象,需要有人做個有系統地整理和綜合,這個偉人就是馬克斯威爾(James Clerk Maxwell)。
 
電磁理論大廈的整合

馬克斯威爾是電磁學的集大成者,他總結法拉第等人的科學成果,建立了完整的電磁理論體系,在物理學的電磁領域上是一次偉大的整合。

馬克斯威爾是十九世紀著名的理論物理學家,一八三一年十一月十三日出生於英格蘭的愛丁堡,十九歲考進著名的劍橋大學三一學院。在這裡馬克斯威爾受到數學家霍普金斯和斯托克斯的悉心指導,打下了紮實的數學基礎。

馬克斯威爾在一八五四年自劍橋畢業後就開始了電磁學的研究,他詳細研究了法拉第的著作,對法拉第的實驗報告和筆記都十分熟悉。由於法拉第基本上是一位純粹的實驗物理學大師,不懂數學,無法用精確的數學語言表述他的物理思想,而數學恰好是馬克斯威爾的專長,於是馬克斯威爾選擇用數學當作翻譯的工具,來表達法拉第的物理思想。他細心研究了法拉第提出的「力線」概念,在一八五五年發表了第一篇論文〈法拉第的力線〉,這篇論文用嚴格的數學方式說明了法拉第的力線,受到當時即將退休的法拉第極大的鼓勵。

一八六二年馬克斯威爾又發表了第二篇電磁研究的論文〈物理力線〉,不但進一步論述了法拉第的思想,而且得出了新的結論:電場變化時,也會感應出磁場。這與法拉第的電感定律相輔相成,合稱「電磁交感」。他並且運用數學上的向量分析方法,寫下了著名的「馬克斯威爾方程式」,不但完整且精確地描述了所有已知的電磁場現象,而且還有一些新的「預言」,其中最為重要的就是「電磁波」。日後只要是有關電磁學或電磁波的領域,一定會提到「馬克斯威爾方程式」。足見他在這一方面的貢獻,可惜英年早逝,享年僅48歲。

「無線通訊」的誕生

一八八七年,馬克斯威爾逝世後八年,他所預言的電磁波被德國物理學家赫茲(Heinrich R. Hertz)證實。赫茲是一位基督徒,生於一八五七年二月二十二日,父親是猶太人。

他在一八八六~一八八八年間,做了一系列的實驗,不但證明電磁波的存在,發現它與光有相同的速度,同時有反射、折射等現象,而且對電磁波的波長、頻率做了定量的測定。此外,他也同時發展出電磁波發射、接收的方法,可以稱得上是無線通訊的始祖。

他一生對電磁波物理學的發展作出了不少重要的貢獻,在當今的生活中,我們絕對離不開廣播與電視,而廣播與電視只是無線電波應用在日常生活中的諸多實例之一而已,後人為了紀念這位偉大的科學家,把頻率單位命名為「赫茲」,這個名詞相信大家必然不會陌生。

說到這裡,相信大家對整個電磁學的發展及電磁波帶來無線通訊的便利,所扮演的重要角色,有一個基礎的概念了吧,每一個理論的發展歷程都是彼此緊密相扣不可分割的,這些理論或實驗的結果絕對不是憑空掉下來的,而是一群分布在世界各個角落默默努力付出的科學家,用其一生的精力與聰明才智,才能為世界帶來奇蹟和光明,更帶給全人類一分對未來的希望。我們除了珍惜身邊已擁有的一切,也更能深深體會「人因夢想而偉大」這句話的涵義!
 
生活點滴小故事

富蘭克林–一艘正在大西洋上顛簸前進的郵輪,旅客都進艙休息了,只有富蘭克林總是不知疲倦地在甲板上忙來忙去,一會兒遠眺、一會兒俯瞰、一會兒凝神思索、一會兒又在隨身攜帶的筆記本上記錄甚麼。

有個水手過來說:「富蘭克林先生,您在欣賞海景嗎?」「欣賞海景?噢,不!」富蘭克林隨後又補充地說:「也算欣賞海景吧。」「怎麼是『也算』呢?」水手好奇地問。「啊,我是在思索海灣暖流對陸地氣候的影響。」富蘭克林把手搭在水手的肩上說:「你能協助我測量一下海流的速度和溫度嗎?」「我願意效勞。」水手高興地答應了。

水手協助富蘭克林工作時,他不理解富蘭克林為甚麼在航行的空檔裡也要做些事情,富蘭克林說:「時間不可空過。」他轉頭望著水手說:「你熱愛生命嗎?」當他見水手點了頭,又繼續說:「那麼別浪費時間,因為時間是組成生命的材料啊。」水手突然明白的說:「所以您在航行的空檔裡也要做研究。」「哈、哈、哈」富蘭克林愉快地笑了。

法拉第–當法拉第已經是舉世聞名的科學家時,還沒有自己的房子,仍然住在英國皇家學院的頂樓小屋裡。退休當天,他和妻子,兩個老夫婦提著皮箱下樓,想到出了皇家學院大門,就要露宿街頭,心裡有些茫然。沒想到出了大門,眼前出現的是整齊的英國皇家儀隊和維多利亞女皇。

女皇對著這位貧窮但卻是當代最偉大的科學家說:「請搬到我所準備的皇家別墅吧!」法拉第拒絕了,因為他付不出房租,女皇說:「不用付租金。」法拉第說:「但是房子太大,我付不出維修費用。」女皇笑著說:「別擔心!我來付好了。」和其他科學家比較起來,法拉第最偉大的地方,就是他不曉得自己有多偉大。

馬克斯威爾–馬克斯威爾誕生於蘇格蘭古城愛丁堡,父親是一位學識淵博的律師,對馬克斯威爾的成長影響極深。他從小就有很強的求知慾和想像力,愛思考、好提問。據說在他兩歲時,看見一輛馬車停在路旁,就問爸爸:「那車為什麼不走?」父親說:「它在休息。」他又問:「它為什麼要休息呢?」父親隨口答了一句:「大概是累了吧!」「不!」馬克斯威爾很認真地說:「牠是肚子疼!」。

還有一次,姨媽給馬克斯威爾帶來一籃蘋果,他不是拿來就吃,卻是一個勁地問:「這蘋果為什麼是紅的?」姨媽不知道如何回答,便叫他去吹肥皂泡,哪知他在看到肥皂泡上五彩繽紛的顏色時,提出的問題就更多了……。所以啦!學習的重點不在於學會多少,而是問了多少好問題。

赫茲–赫茲能有今天這麼偉大的成就,他的母親功不可沒。赫茲在六歲時便能拿穩筆,母親就教他雕刻,培養他能夠長期工作的專心與耐心,奠下他日後能以熟練的雙手製造出精密光電儀器的基礎。

而他的愛情故事除了感性更具趣味性,有一回赫茲在溫雷克堡的長春藤下面,正非常興奮地對著可愛的女友伊利莎白講述他對電磁學研究的心得:「妳知道電磁波嗎?知道電磁波接收器嗎?知道由於電位差而產生的電弧嗎?……」伊利莎白小姐面帶微笑地傾聽著這位表情緊張的男士,滔滔不絕地述說著當時連物理系的高材生也不會懂的內容。

伊利莎白只是用微笑的眼神,鼓勵他繼續說下去,她知道那是赫茲一生的執著,不計名利的研究菁華。到落日餘暉染紅了小山麓上的冷杉樹,她整整地聽赫茲述說了四個小時。當赫茲講完電磁學的實驗,接著問伊利莎白說:「那妳願意……嫁給我嗎?……」孤獨的一條電波,在尋找一聲愛情的共振。「是的,我願意。」伊利莎白意志堅定地回答。伊利沙白沒有想到這麼一聲的肯定,竟燃起一個體弱男人的生命熱情,建立了日後全球的無線電波通訊網路。

迄今全世界每一個電臺,天天都會提到的一個名字–「赫茲」。你們知道他是誰嗎?我想你已經知道答案了,沒錯他就是德國物理學大師–「電磁波王子」赫茲。
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