# 1791-1867 法拉第 Faraday

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1818年起他和J·斯托达特合作研究合金钢，首创了金相分析方法。

1820年他用取代反应制得六氯乙烷和四氯乙烯。

1823年他发现了氯气和其他气体的液化方法。

1825年2月接替戴维任皇家研究所实验室主任。同年发现苯。

1831年法拉第终于发现，一个通电线圈的磁力虽然不能在另一个线圈中引起电流，但是当通电线圈的电流刚接通或中断的时候，另一个线圈中的电流计指针有微小偏转。法拉第心明眼亮，经过反复实验，都证实了当磁作用力发生变化时，另一个线圈中就有电流产生。他又设计了各种各样实验，比如两个线圈发生相对运动，磁作用力的变化同样也能产生电流。这样，法拉第终于用实验揭开了电磁感应定律。法拉第的这个发现扫清了探索电磁本质道路上的拦路虎，开通了在电池之外大量产生电流的新道路。

1831年10月28日法拉第发明了圆盘发电机，这是法拉第第二项重大的电发明。这个圆盘发电机，结构虽然简单，但它却是人类创造出的第一个发电机。现代世界上产生电力的发电机就是从它开始的。

1834年总结出法拉第电解定律：电解释放出来的物质总量和通过的电流总量成正比，和那种物质的化学当量成正比。这条定律成为联系物理学和化学的桥梁，也是通向发现电子道路的桥梁。（为了证实用各种不同办法产生的电在本质上都是一样的，法拉第仔细研究了电解液中的化学现象。）

1837年他引入了电场和磁场的概念，指出电和磁的周围都有场的存在，这打破了牛顿力学“超距作用”的传统观念。

1838年，他提出了电力线的新概念来解释电、磁现象，这是物理学理论上的一次重大突破。

1843年，法拉第用有名的“冰桶实验”，验证了电荷守恒定律。

1845年，也是在经历了无数次失败之后，他终于发现了“磁光效应”。他用实验证实了光和磁的相互作用，为电、磁和光的统一理论奠定了基础。

1852年，他又引进了磁力线的概念，从而为经典电磁学理论的建立奠定了基础。后来，英国物理学家麦克斯韦用数学工具研究法拉第的磁力线理论，最后完成了经典电磁学理论。

## 法拉第场概念是如何建立的？

19世纪上半叶，电磁学得到迅速发展，并逐渐形成了两大派系．一派为安培开创，由韦伯、诺埃曼等人继承．他们认为电的或磁的相互作用是直接的，不需要中介，也不需要任何传递时间（后有人修改为延迟作用），这种观点称作超距作用观点．这种观点认为，两个质点或电荷（磁体）存在相互作用是因为它们双方都同时存在，只有单独一方时，似乎不存在这种作用能力．当对方出现时，便产生一个力，这个力接着消失在空间，进而又突然作用在对方．被称作“正确理解电磁现象的带路人”的法拉第独树一帜，他提出：

- （1）电和磁的作用不可能没有中介地从一个物体传到另一个物体，而是通过处于中间的介质传送的；
- （2）为解释电磁感应现象的“电紧张态”概念，他认为正向的或反向的感生电流会在螺线管或导体移近或离开磁铁的所有那些情况中持续产生，因为在那段时间内，电紧张态升到较高或降到较低的程度；
- （3）因为只用一根磁棒和少量铁屑，就可以在硬纸板上把磁力线①清晰地显示出来，他深信磁力线的真实性；
- （4）他认为电场中的介质被极化，极化粒子一个接一个地排列成感应力线，电的作用就是沿感应力线传递的；
- （5）电荷间的作用力除与电量及距离有关外，由于极化的影响，还与中间的介质有关．

力线的思想，经过20多年的思考、酝酿．法拉第于1851年在《关于磁力的物理线》中提出：“过去我曾将磁棒周围某些磁力线予以叙述和说明，并建议用这种线来准确表示磁棒内、外任何区域磁力的本性、情况、方向和数量”，“在磁体内外，物理力线确实存在．它们以曲线形式或直线形式存在着”，“电力……是沿着一条曲线而起到作用的……物理的电力线是存在的”．说到电磁感应，他指出：“无论导线是垂直地还是倾斜地跨过力线，也无论它是沿某一方向或沿另一方向，它都把它所跨过的力线 所表示的力汇总起来”，“形成电流的力正比于切割的力线数”．在《电学实验研究》中，他曾概述地提出“力线”的根据是：

- （1）数学家证实这种力线的大小方向正确；
- （2）很多事例证明运用力线成功；
- （3）能概括磁体、电源的动态与静态；
- （4）欧拉的证明；
- （5）牛顿概念的困难；
- （6）光的微粒论与波动论之间的斗争及实验事例．

对物质抗磁性的发现，使法拉第意识到磁力线并不为物质所固有，而属于空间，物质并不能产生磁力线，但却可以改变磁力线的分布。到了1855 年，他在《论磁哲学的一些观点》一文中提出判别磁力线实体的四项标准：物质可以改变磁力线的分布；力线的存在与物体无关；具有传递力的能力；在时间中传播。由此可看，他的力线思想正在逐渐上升为场的思想。法拉第把人们的注意力由电荷、磁体以及它们之间的相互作用引向空间，描写物理现象最重要的不是带 电体，也不是粒子，而是带电体之间与粒子之间的空间中的场。他为我们描绘了这样一幅电磁作用图景：在带电体、磁体、电流周围的空间中，充满着一种介质，可以传递电、磁作用，这就是电场、磁场，而电磁场最直观的描述就是力线。对此，爱因斯坦给以高度评价：“法拉第的一些观念……它们的伟大和大胆是难以估量 的……借助于这些新的场概念，法拉第就成功地对他和他的先辈所发现的全部电磁现象，形成了一个定性的概念．”

麦克斯韦在研读法拉第著作时，为法拉第只用很少几个简洁的观点，就阐述了电磁学错综复杂的内容所吸引。他决定为法拉第的场概念提供数学基础，从而选准力线为主攻方向．1855～1856 年，他提出了第一篇电磁学论文《论法拉第力线》。在这篇文章中，他将力线与不可压缩流体的流线相类比，而这种类比是几何的类比，即“是关系之间的相似性， 而不是有关事物之间的相似性”。如把正、负电荷比作流体的源和壑，电力线比作流管，电场强度比作流速，并引入了一个新的矢量函数描述电磁场。这是麦克斯韦用数学工具表达法拉第学说的开端。1861～1862年的《论物理力线》一文中的思想已超过法拉第。他尝试以一种充满空间的介质来说明法拉第力线的应力性质，从而建立起能够说明电磁作用的力学模型。这一努力取得了丰硕的成果，不仅对各种电磁现象的联系，提供了统一的解释，而且挖掘出更深入的内在本质，即在 该文中提出了“位移电流”和“电磁波”新概念。这是麦克斯韦为建立电磁场理论而迈出的关键性的一步，从而实现了重大突破。1865年发表的《电磁场的动力学理论》，则在实验事实及动力学基础上构筑了一座全新的电磁学理论大厦。他说：“我所提出的理论可以称为电磁场理论，因为它涉及电体或磁体邻近的空间”， 而电磁场则是指“包括和环绕那处于电或磁情况的物体的那一部分空间”。在这篇论文中，他列出了含有20个变量的20个方程，包含了全部已知的电磁学内容。从法拉第到麦克斯韦，场的概念经过一番奋斗终于在物理学中取得了它的地位。麦克斯韦在自己的理论中提出能量定域在电磁场中，从而赋予场以最为重要的实在性——能量。1899年俄国物理学家列别捷夫（П．H．ЛeбeдeB，1866—1912）证明了电磁场理论所预言的光压的存在，这表明电磁场也具有动量。W．汤姆孙曾说过：“我与麦克斯韦争论了一辈子，不承认他的光压，而在这里……列别捷夫迫使我在他的实验面前认输了”。再联系汤姆孙提出的电磁质量的概念，那么场的物质性的重要属性——质量、动量、能量业已齐备。“在一个现代的物理学家看来，电磁场正和他所坐的椅子一样地实在．”

麦克斯韦电磁场理论从超距作用过渡到以场为基本变量，是科学认识的一个革命性变革，因为电磁场可以独立于物质源而以波动形式存在，静电的相互作用就不可再解释为超距作用了。引力也是如此．因此牛顿的超距作用就退让给了以有限速度传播着的场了。

电磁场波动方程证明电磁波是一种横波，它的传播速度是仅仅根据电磁学测量就能确定下来的恒量，这个数值又与真空中的光速十分接近。麦克斯韦大胆断言： “光本身是一种电磁干扰，它是波的形式，并按照电磁定律通过电磁场传播．”这样电磁场理论就把电、磁、光学规律统一起来，完成了人类认识史上又一次“大综合”。电磁场理论又为狭义相对论提供了雏型。可以毫不夸张地说，它是物理学发展史上的一座里程碑．但它的思想太不平常了，只能逐渐地被物理学家们接受，一直到赫兹成功地实现电磁波——脱离了源而独立存在的电磁场以后，对电磁场理论的抵抗才被完全摧垮。难怪爱因斯坦赞扬说：“法拉第和麦克斯韦的电磁场理 论……是牛顿时代以来物理学的基础所经历的最深刻的变化．”