【科學大人物】法拉第不為人知的一面(六):電磁轉動與電磁感應

■法拉第巧妙的實驗設計與敏銳的觀察力帶來「電磁轉動與電磁感應」的發現。這不僅是電磁學領域的偉大成就還是跨入電的世界劃時代的第一步。然而這項發現的公開,卻蒙上一層科學家彼此之間以及科學與社會之間複雜關係的陰影。

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圖1:庫倫(1736-1806)

作者|竹内敬人(東京大學名譽教授,神奈川大學名譽教授)
編譯|黃郁珊(東京大學理學博士)

電磁轉動的觀測
有關1821年電磁轉動的發現我們已經在連載的第4回中提及。但是為了對法拉第進一步的認識有必要將此發現做更詳細的說明。無論如何這都是法拉第在電磁學領域的第一項大發現。我打算把這個發現和19世紀初開始且方興未艾的電磁學研究潮流並陳討論。

自從1600年吉爾伯特(註1)發表磁石和磁力有關的論文之後,磁性成了科學界認真研究的對象。牛頓(註2)17~18世紀之交提出,作用在地表物體的力和作用在星球之間的力是同樣的。1785年庫倫(註3)發表了庫倫定律:作用於正負電荷之間的力和兩電荷間距離的平方成反比。

在這些不斷累積的研究之中開始出現一種含糊籠統的概念,認為自然界中所有的作用力彼此之間應該相關。在19世紀初,研究者為了證明電力和磁力是同一種力而做了有各式各樣的嘗試。對這個課題很有興趣的法拉第在開始電學相關的研究之前已經做了徹底的準備,他把前人做過的研究自己全都重作一次。此時恰值時間來到電磁學發展上關鍵的1820年。

1820年﹕厄斯特(註4)將指南針置於導線的正下方,當導線通電時,磁針會微微擺動。這是顯示電能生磁的第一個實驗。

1820年﹕安培(註5)將兩條擺放得很近的導線通電,當電流方向相同時兩導線會相吸,電流方向相反時兩導線會相斥。

1821年﹕沃拉斯吞(註6)認為電流在導線內以螺旋方式進行。並預測一條懸掛的導線會受到附近的磁鐵的影響而以自身為軸旋轉。可是無論沃拉斯吞或是之後重做實驗的安培都無法成功證實這項預測。

1821年,法拉第使用如圖二所示的裝置成功觀察到「電磁轉動」。實驗的概略如下所述。

1)在兩個裝了水銀的玻璃容器底部插入導線。

2)左側的容器﹕將磁棒下端綁在導線上,磁棒的上端突出水銀面。(譯註﹕和架台連接的鐵絲需固定不動)

3)右側的容器﹕磁棒固定不能動,鐵絲的上端則綁在架台上。(譯註﹕鐵絲的下端浸在水銀中)

4)左側的磁鐵和右側的鐵絲需能繞著被綁住的點轉動。

5)通電。右側的鐵絲也會有電流通過。(譯註﹕左右兩側的鐵絲都會有電流通過)

6)左側的容器內磁棒會轉動,右側的容器內鐵絲會轉動(電磁轉動)。

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圖2:法拉第證實電磁轉動的實驗裝置

法拉第的「電磁轉動」將厄斯特把電轉為磁的成就以更明確的實驗形式展現出來。沃拉斯吞先前的預測是鐵絲會隨自身軸轉動,而法拉第的實驗卻顯示鐵絲是以磁棒為中心軸而轉動。這是和沃拉斯吞的預測相異的實驗結果。(譯註:或是說修改並證明了沃拉斯吞的基本概念。)

法拉第這項發現的報告於1821年9月11日發表,刊載於Quarterly Journal of Science。(註7)法拉第曾經想過要先告知沃拉斯吞後再發表論文。然而,因為沃拉斯吞不在,也因為法拉第急於求成,所以法拉第在未告知沃拉斯吞的情況下就將論文發表了。雖然沃拉斯吞的預測和法拉第觀查到事實有所差異,沃拉斯吞和他的朋友還是認為這是一種「剽竊」行為,來譴責法拉第。這對法拉第形成了莫大的壓力。

研究中斷與重開
1821年法拉第取得發現電磁轉動的重大成就。接下來的課題是將磁轉換為電。因為厄斯特已證實電能生磁,所以有許多科學家嘗試得到相反的現象,也就是磁生電,不過都無法取得成功。法拉第也知道下一個目標是什麼,但是他將電磁學相關的研究印封了大約有10年的時間。在這裡我不用「停頓」而用「印封」一辭的理由是,法拉第停止這項研究並非出自本意。

電磁轉動論文在1821年的發表發生了「剽竊」誹謗事件。接著在1823年,竟然又被他視為師長的戴維再中傷一次。(譯註: 第三回中提到1823年3月因為戴維以院長的身分在皇家科學院錯誤報告電磁轉動是由沃拉斯吞發現的)要是別人也就算了,這對法拉第來說一定是個很大的打擊。當然,研究中斷也有可能是因為在第五回中提到過的,在皇家研究院包括兩個演講系列的繁忙公務所致。不過來自戴維的責難造成的打擊應該才是主要原因吧。

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圖3:阿拉戈(1786-1853)

在法拉第印封相關研究的1820年代,電磁學有顯著的進展。阿拉戈(圖3)(註8)發現將電線捲成線圈狀,再將鋼鐵製的金屬棒放入線圈中,金屬棒就會被磁化{譯註1}。此外,在1824年的另一項發現是將圓形磁鐵和銅之類的非磁性的圓型金屬板彼此靠近排在一起{譯註2},當磁鐵轉動時金屬板(就算金屬板不帶磁性)會朝同樣的方向轉動。這個被稱呼為「阿拉戈的圓盤」的現象在當時誰也無法做出解釋。

史督勤(Sturgeon)(註9)在1823年注意到若是將鐵棒放入安培發明的(註10)用鐵絲纏繞18次而成的螺線管內,這塊鐵的磁場就會變得更強。因為磁力看起來是集中在鐵芯的兩端(即被放入螺線管內的鐵棒),所以他將鐵芯彎成U字型讓磁極集中在同一側,通電後成功吸附起相當於磁鐵12倍重量即約4公斤重的秤錘。史督勤的電磁鐵在後來由亨利(註11)改良。

接著,法拉第的電磁學研究出現轉機。1829年5月29日,戴維客死異鄉瑞士之後,法拉第不得不印封電磁學研究的理由消失,他於是重啟相關研究。這也難怪,因為在法拉第印封電磁學研究期間其實他仍然保持對電磁學的高度興趣,常在口袋裡放著小線圈和磁鐵,思考著該做的研究。

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圖4:現存於皇家研究院的法拉第自製的線圈圓圈內的圖取自法拉第手寫的實驗記錄。

電磁感應的發現
安培認為「磁是電的從屬作用,也就是說電才是最基本的」。然而法拉第和他不同。他認為電和磁是併呈的,沒有所謂哪一方比較重要。若是這樣,那磁能生電也沒什麼不可思議的,只是卻沒有任何人能辦得到。

當其他科學家都放棄追求磁生電的時候法拉第卻還是持續地研究。1831年8月29日,法拉第以圖4所示的裝置首次觀測到「電磁感應」現象。實驗的概略如下所述。

1)纏繞在軟鐵環上的線圈A有一對接頭和電流計相接。

2)從另一個線圈B延伸出來的一對導線和電池相接。

3)電流計的指針瞬間動了一下後立刻靜止(電磁感應)。

當時的科學家大概都期望能產生穩定的電流,也就是期待看到電流計的指針偏轉後停止不動。可能因為這樣,他們就忽略了指針一瞬間的擺動。法拉第能夠觀查到「那一瞬間」電磁感應的第一人。法拉第自己沒料到會觀察到這樣電流計的擺動,所以這個發現應該可以說是得勝於他敏銳的觀察力。因為線圈B裡的電流感應出鐵環中的電流,再感應出線圈A的電流,所以這個設計正是變壓器的雛形{譯註3}。

緊接著,法拉第在詳細研究這個基本的效果之後,嘗試在沒有電流的幫助之下,也就是只靠磁力來產生電。這個實驗使用像圖5的裝置,實驗的概略如下所述。

1)兩根永久磁鐵和被鐵絲以線圈狀纏繞的軟鐵棒依圖示排成三角形。

2)鐵絲的下面放磁針(當作電流計)。磁針靜止不動。

3)一旦其中一根磁鐵像圖5所示擺動,磁針就會跟著擺動。

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圖5:電磁感應的實驗

法拉第在1821年發現的電磁轉動呈現出來的是由電的運動產生磁。而這次實驗則是確認了運動中的磁能產生電。能讓磁力產生電力的關鍵點正是「運動」。磁鐵的運動會產生電力。就這樣,法拉第為發電機和現代的電機工程學開立了基礎。

1831年11月下旬,他將研究寫成論文。先是在皇家科學院的聚會中做口頭發表,接著又以「與電相關實驗之研究」(註12)為題投稿到《自然科學會報》(註13)。這是他在接下來將近25年間撰寫的29篇論文金字塔中的第一篇。除了其中一篇論文之外,28篇論文都發表在《自然科學會報》(The Philosophical Transactions of the Royal Society,縮寫為 Phil. Trans.) (圖6a)。

兩份期刊
在上個月雜誌的第五回連載中筆者介紹了「兩個演講」。這次則介紹了法拉第的「兩個大發現」。順著筆勢,筆者想試著介紹「兩份期刊」。其中之一就是剛剛提到過的《自然科學會報》。正如第3回連載所述,皇家科學院是在1660年獲得查爾斯二世授予敕命狀而開啟院務。很快地,就由本身是卓越編輯的皇家科學院秘書長歐登伯格(Oldenburg)(註14)在1665年主導,發行了官方雜誌《自然科學會報》的創刊號。

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圖6:在當時具有代表性的學術論文期刊第一期的封面 a) 『自然科學會報』, b)『Philosophical Magazine』

當時《自然科學會報》的風格和今時今日的學術期刊雖然不同,但它扮演的角色與現代的學術期刊並無二致。這本期刊的名稱隨著時間過去而改變,並在1886年因應學術的急速擴展而分成數理系列的會報A,以及生物系列的會報B。這兩份期刊至今仍持續出刊而且獲得很高的評價。

在《自然科學會報》悠久的歷史中刊載了許多撼動科學界的論文。例如來自牛頓用稜鏡進行的光譜實驗報告(1671年),來自伏打(註15)發明電堆的報告 (1800年),馬克士威(註16)提出的電磁場理論 (1865年)等等都是很好的例子。

另一份期刊是1798年創刊的《哲學雜誌》(Philosophical Magazine)(圖6b)。這份期刊的名稱也有些變化,且已經分冊。但是大方向和創刊當時一樣,而且至今仍在發刊。創刊號中刊登了卡特萊特(Cartwright)(註17)著作和機器專利有關的論文。這份期刊曾刊登過的知名論文還包括了1860年代馬克士威所著,光的電磁學相關的長篇大論;1887年邁克生(註18)與莫立(註19)測量光速的實驗結果;以及進入20世紀之後,拉塞福(註20)的發現原子核。科學家們暱稱這份雜誌為「Phil Mag」,並且很尊崇它。

回過頭來看看我們自己,1665年時日本剛進入所謂鎖國時期。科學研究和研究成果的印刷公開都還是天方夜譚。即使時間來到1798年,在稍早雖曾出現平賀源內(註21)這樣一號活躍的人物,但他都是單打獨鬥。等到將近100年之後,日本才出現學會和所屬的官方雜誌。這樣看來,起步較晚的日本,現在似乎也可以說是有些成就。

磁力線的概念
法拉第在電磁感應的研究提出了一個非常重要的嶄新概念。那就是「磁力線」或「力線」的概念。根據法拉第的看法,磁力線占據磁鐵內部與其周圍的空間。雖然肉眼不可見,但是只要將鐵粉灑在磁鐵上方的紙張上,馬上就可以看到在國中理化課學過的那個熟悉的圖形(圖7)。

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圖7:鐵粉描繪出的磁力線模型

用棒狀磁鐵做實驗的時候,鐵粉的分佈像是被壓破的橢圓形。磁力線由磁鐵的N極出發,經過周為的空間後到達S極,並且繼續進入磁鐵內部直到完成橢圓形。磁力線在磁力最強的兩極附近,分佈得最稠密。離兩極越遠,隨著磁力越弱磁力線的分佈的密度越低。這個方法得到的是二維模型圖,也就是將分佈在三度空間中的東西切成二維的剖面圖。磁力線雖說是線,但不是直線,而是曲線。

有了磁力線的概念,法拉第藉由這個新的模型來定義引起電磁感應的必要條件。電磁感應是由導體與磁鐵之間的相對運動(例如磁鐵插入線圈中),或是導體附近磁場的強度變化(如電磁鐵的開/關)所引起。反言之依照法拉第的表現方式,如果不切斷線路上的磁鐵或其他電流發出的磁力線,就無法引起電磁感應。

法拉第在他初期的論文中並沒有使用磁力線這個字眼。之後因為要說明實驗結果,所以在論文中使用這一詞。法拉第的磁力線 (或說是力線)概念後來被馬克士威發揚光大。他提出了將電學﹑磁學和光學歸納成一個所謂電磁學體系的馬克士威方程式。力線概念也是1905年愛因斯坦(註22)提出特殊相對論的靈感來源。

優先權的問題
現在的研究者對於自己研究成果的優先權(priority)相關事務十分謹慎。在論文還沒有公開發表以前,不可能私下將研究成果輕易洩漏出來。研究成果越重要,越要謹慎發表。但是法拉第顯然有點欠缺這方面的謹慎態度。

法拉第把敘述電磁感應發現的論文寫好,投稿到皇家科學院之後不久,論文還沒印刷前就把發現寫信告訴他的朋友哈卻特(Hachette)。哈卻特對這個發現很感興趣,又將內容透露給阿拉戈。阿拉戈知道這個發現的重要,就在12月26日一個學會會議中做出發表。

問題就因為法拉第的發現被以這種形式公開之後而產生。這個消息幾天後出現在巴黎的報紙上。報導還畫蛇添足,說在法拉第之前已經有法國科學家先做過這個實驗。或許,這個事件和當時英法兩國的關係緊張有關吧。

然而,當法拉第的朋友,當時頗具人氣的綜合雜誌《文藝報》(Literary Gazette)(註23)的主編澤登(Jerdan)(註24)寫了一篇文章,大意是「最早發現電磁感應現象的是諾比利(Nobili)和安提諾力(Antinori)兩位義大利科學家,法拉第是重做了他們的研究」。之後,事情就變得更麻煩{譯註6}。澤登會有這樣的誤解是有原因的。有個義大利的雜誌將這兩位義大利化學家的論文發表日期由1832年1月往前移了兩個月成為1831年11月。順帶一提,這兩位義大利化學家在他們的論文中承認法拉第發現電磁感應的優先權。

事件發展至此雖然變得令人撲朔迷離,但是已經令法拉第警覺1821年的噩夢又要重演了。他應該也學到了,從此以後涉及優先權的事情一定要謹慎以對吧。

在此同時,我們看到媒體報導可以說是製造事件的主角。而且當時的民眾相當關心「從磁力做出電」這件事,可以說科學已經不是和社會涇渭分明,各自獨立存在的。甚而,科學與社會的關係已是愈加緊密,直接連繫在一起的狀態。

 

★下回預告「影響法拉第的宗教與人們」。

註解:
*1 William Gilbert (1544-1603): 英國醫生,物理學家。
*2 Sir Isaac Newton (1642-1727): 英國物理學家,數學家,神學家。在力的SI制單位「牛頓」留名。
*3 Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806): 法國物理學家,工程師。在電荷(電量)的SI制單位「庫倫」留名。
*4 Hans Christian Oersted (1777-1851): 丹麥物理學家,化學家。
*5  André-Marie Ampère (1775-1836): 法國物理學家,數學家。在電流的SI制單位「安培」留名。
*6 William Hyde Wollaston (1766-1828): 英國化學家,物理學家,天文學家。
*7 "Experimental Researches in Electricity," Vol.2 (1844), p.127-148重登。
*8 François Jean Dominique Arago (1786-1853): 法國數學家,物理學家,天文學家,政治家,在光學以及電磁學草創階段有很大的貢獻。
*9 William Sturgeon (1783-1850): 英國物理學家,發明家。做出最初的電磁鐵和英國第一具實用的電動機。
*10 solenoid: 將導線均一纏繞成圓筒狀的線圈。
*11 Joseph Henry (1797-1878): 美國物理學家。史密森基金會(Smithsonian Institution)的首任會長。和法拉第幾乎同時發現電磁感應現象,但是被法拉第早一步發表。在電感的SI制單位「亨利」留名。
*12 "Experimental Researches in Electricity," Vol.1 (1938), p.1-41 重登。
*13 "The Philosophical Transactions of the Royal Society": 皇家科學院發行的學術期刊。於1665年創刊。現在分成幾個領域發刊。
*14 Henry Oldenburg (1619-1677): 生於德國,在英國相當活躍的科學家。
*15 Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827): 義大利物理學家。
*16 James Clerk Maxwell (1831-1879): 英國物理學家,數學家。提出馬克士威方程式。確立了古典電磁學,並預測了電磁波的存在。
*17 Edmund Cartwright (1743-1823): 英國工程師,發明家。因發明動力織布機(power loom)而留名。
*18 Albert Abraham Michelson (1852-1931): 美國物理學家。1907年獲頒諾貝爾物理學獎。
*19 Edward Williams Morley (1838-1923): 美國物理學家。
*20 Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson (1871-1937): 紐西來出生的英國物理學家,化學家。1908年獲頒諾貝爾化學獎。
*21 平賀源內(1728-1779): 江戶時代的草藥醫學家。因研究エレキテル(電){譯註4}而留名。
*22 Albert Einstein (1879-1955): 德國物理學家。因相對論,愛因斯坦場方程式等等而出名。
*23 1817年在倫敦發行的粽和藝文雜誌。其影響力持續到1840年代。
*24 William Jerdan (1782-1869): 英國記者。

譯註:
{譯註1}: 此段類似電磁鐵發明的敘述似乎有待商榷。譯者在其他有關阿拉戈電磁學研究的英文介紹中讀到的多數是,線圈通電會使線圈本身帶有磁性,並沒有提到線圈內放置金屬棒。
{譯註2}:彼此靠近排在一起原文為”隣接して並べれおき”, 作者描述磁鐵和圓盤相對位置的敘述和譯者讀到的資料不同。譯者讀到的資料皆為磁鐵在圓盤中央的旋轉軸心上方。作者對阿拉戈的圓盤的描述相當接近日文維基百科之中”アラゴの円板”所述:円形の磁石と円形の金属板が隣接してならんでいて、磁石が回転すると、金属板も磁気を帯びていないにもかかわらず、磁石と同方向に回転するというもの。但英文維基百科之中”Arago’s rotation”和上文相對應的描述則為: as a copper disc is rotated in its own plane, and if a magnetic needle be freely suspended on a pivot over the disc, the needle will rotate with the disc.
{譯註3}: 雖然不影響讀者理解法拉第這個實驗的內容,但是作者引用於圖4的法拉第手繪實驗圖裡 A連接的是電池,B連接的是電流計,與作者在文中所述剛好相反。
{譯註4}: 根據日文維基百科所介紹平賀源內的經歷,エレキテル是產生靜電的機器。原作者所謂的"電"應是和其語源混淆。
{譯註5}:本段文章最後一句原文為: 逆にいえば電磁誘導は,回路が磁石,あるいは別の電流から発散される磁力線を(彼の表現によれば)切らなければ起こらない。若是改成”換句話說,”磁力線若是沒有發生改變就無法引起電磁感應”應該比較不會引起誤解。
{譯註6}:根據法拉第寫給 James David Forbes 的信中的一段,寫那篇文章的應該是Mr Hudson.
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原文出處:連載於『化学』,68(5),22(2013)(化学同人社)
作者:竹內・敬人 Takeuchi Yoshito,東京大學名譽教授,神奈川大學名譽教授。 1962年取得東京大學大學院理學院研究所博士學位。
責任編輯:陳竹亭,臺大科教中心主任、化學系教授。

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