【科學大人物】法拉第不為人知的一面(十):法拉第效應與反磁性

■法拉第為現今日常生活中不可或缺的電、磁現象立下了科學基礎。即使曾經因為健康因素而中斷研究,法拉第仍憑著堅定的信念與旺盛的求知慾取得不可勝數的科學成就。

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法拉第的至交謝恩賓(1799-1868) 他不僅發明了棉火藥(譯註:硝化纖維) ,對化學發展的貢獻還包括發現臭氧與其檢驗法。

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)

法拉第籠
要理解法拉第有一件需要先知道的事,就是他對「超距作用」始終心存懷疑。萬有引力的確是超距作用。而且在電的世界裡,庫倫定律需要知道的只有兩個物體所帶的電荷大小以及它們的距離而已。超距作用與存在與兩物體間,以當時的知識來說是介質(media)的東西無關。但是法拉第認為電力應該是透過介質而被傳遞的。

此時他將研究目標由電流轉向靜電。他第一個挑戰的問題是,為什麼電荷一定是以正負的組成而存在。在研究了各種大小和形狀的固態導電體之後,他的結論是並沒有絕對電荷,也就是單獨存在的正電荷或負電荷。物體一旦帶有電荷,其附近就會生成帶有相反符號同樣大小的電荷。他更進一步推論,電荷只分佈在導體的表面。事實上卡文狄西( Cavendish)(註1)在之前就有同樣的發現,不過正如往例,他沒有將發現以論文的形式公開。富蘭克林(註2)也在1755年注意到這個現象。

法拉第既已證實這個現象,但是他打算在公開場合將這個現象做戲劇性的報告。他做了一個被細密的金網 (導體) 包覆的木框,也就是做了一個籠子。因為籠子長達3.5公尺,非常巨大,所以無法放進他的地下實驗室,只好搬到講堂去。

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圖1 重現法拉第籠 出處: Fist of Blog (http://www.fistofblog.com/2009/11/10/faraday-cage) 。

實驗時因為有大量的電荷從發電機送到籠子表面的金網,所以甚至有火花從金網飛出來。但是法拉第進到籠子裡面後,不但點燃蠟燭,還表現得很悠哉的樣子。他還用靈敏度很好的電表(註3)確認了在籠子裡面完全沒有電荷的存在。這就是最原始的法拉第籠 (圖1) 。

被導體包圍的法拉第籠內部,因為「電力線」無法進入,所以外部是被電場遮蔽的。籠內部的電位完全相同。一旦將電荷帶進籠內部,電荷就會往法拉第籠移動並分佈於其表面。

法拉第籠是很棒的展示品,不但是法拉第的表演實驗中最令人印象深刻,在實際面來說也非常有用。最直接的就是可當做電磁波檔板的用途,在日常生活中,飛機和汽車等金屬製的交通工具也算一種法拉第籠。就算被雷打中,裡面的乘客也不會受到影響。天氣預報中常提醒,「當有打雷的危險時,要去大型建築物或車子裡頭避難」,就是法拉第籠的道理。

至於法拉第關於介質的研究。如果,介質就像法拉第所想的那樣,在電荷的傳遞上扮演某種角色,那麼超距作用肯定會隨介質種類不同而改變。1837年法拉第針對這個問題做了兩個大小相同的蓄電器。各蓄電器的內極板與外極板之間有3公分的間隔,可在間隙中填入介質。

法拉第先讓其中一個蓄電器的內極板帶電,接著讓這個極板與另一個蓄電器的內極板連接。結果電荷被平均分布於兩個蓄電器。然後,將其中一個蓄電器的空腔以絕緣體(例如硫磺)填滿並重複相同的實驗,發現電荷並沒有被平均分配,其中較多的電荷是被累積在填滿絕緣體的蓄電器。至於有多少電荷累積在單邊的蓄電器,可以庫倫的扭秤做正確定量。這意味著可以用數值來表現絕緣體的介質性質。法拉第稱這個數值為比電容量(註4),而這也正是現在我們所說的介電常數(註5.6)。用現代的術語,各物質各自有其特定的介電常數。

健康衰退
大約是從1839年末,法拉第的健康狀況急速衰退。工作上的勞累隨著歲月不停累積,甚至有的傳記作家說他是工作中毒(註7)。關節炎、倦怠感、不定時的暈眩、記憶喪失等等接踵而來。也有一說水銀中毒是病因。法拉第曾將水銀用於電子電路的接點,有可能當時有一部分的水銀流到地板上,所以會不斷有汞蒸氣產生。那個年代並不如現在清楚藥品可能造成的危害,該小心注意的安全也沒有做到。也有人說法拉第的老師--戴維之早逝,就是因為他在年輕的時候所進行的氟單離實驗中吸入了氟。

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圖2 19世紀末Brighton的盛況

法拉第的妻子莎拉和主治醫師都很關心他的身心健康,有時候會送他到他喜歡的療養勝地,比如布萊頓(Brighton)(註8)(圖2) 的海邊去靜養。1841年3月,法拉第寫了一封信給謝恩賓(Schönbein)(註9)如下:「我那些當醫生的朋友們說,如果能休息一年左右,我的記憶力可能就會恢復。如果治不好的話,我是很難繼續工作下去的。他們認為我的身心俱疲,我也無法反駁。再這樣下去我想情況只會越來越糟,我很擔心以後要怎麼辦。對了,有關臭氧的原理,研究進展得如何了呢?」

順帶一提,臭氧是謝恩賓在1840年發現的。他設計的臭氧檢測法 (謝恩賓法) 是利用臭氧O3將碘化鉀KI氧化產生碘,碘遇澱粉呈色而得以檢測出來。這個方法也被應用於氰化物的檢測。隔月,收到這封信的謝恩賓回了一封信給法拉第:「依我的淺見,空氣和社會環境的改變應能為您帶來莫大的好處。我認為倫敦汙濁的空氣和永不停歇的噪音對您的健康無益。相反地,若是能在本國的山間與清澄的空氣的包圍下生活幾個月,應該會有很棒的效果。」,之後還具體地推薦了其他幾個地方。

因為醫生也這樣建議,所以法拉第夫妻和莎拉的弟弟巴納德(George Barnard)兩對夫妻在1841年的夏天前往德國和瑞士旅行八個月,其中大部分的時間是在瑞士靜養 (請參考連載第九回)。George 包辦一行人旅行中所有雜務,像是旅館、財務、和車票等等,就像法拉第在30年前也為戴維夫妻做過類似的事。總之,這次的旅行讓法拉第大大恢復了元氣。對於多年來總是過著往返於實驗室與住家的單調生活的法拉第來說,能和大自然接觸似乎挺好的。據廷得耳說,多虧有這次的靜養,法拉第在私底下像火一樣的性格變得比較平穩。也就是說,人大概是變得比較圓融一些了。

在瑞士靜養的這段期間有個小插曲,正好反映了法拉第的性格。他喜歡散步-有時候長達數十公里之遠-並且將當時的見聞寫下來。有一天他看到小村裡的鐵匠在做釘子,有了如下的紀錄﹕「1841年8月2日・・・・・・我喜歡所有跟鐵匠和鍛冶有關的東西。我的父親也是鐵匠。」

然而,就算是已經得到充分的休養,在研究上還是無法立刻重啟大型研究。回到皇家研究院之後法拉第有把演講這個重要的工作做好,不過有好幾年的時間他不得不放下真正的研究。

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圖3 William Thomson (克耳文男爵)

法拉第效應
法拉第重啟研究的關鍵來自年輕研究者William Thomson(圖3) (註10)的一封信。他在19歲的時候讀到法拉第的論文,對論文裡完全不含任何數學感到有點驚訝,並且認為有所不足。但是他漸漸發覺到法拉第論文內容所含底蘊的深度,並成功將法拉第的力線概念用數學式子表達出來。於是在1845年8月6日,Thomson寫信給法拉第表示「電或磁或許會影響通過透明物體光線的路徑」。

法拉第也從十幾年前就考慮過這個現象的可能性,努力著想要提出實證不過沒有成功。但是這次他從Thomson的建議獲得動力,重新投入這個實驗。一開始他將偏振光照射於含有各種溶液的細長容器,並從各個方向通電。法拉第重複做了數不清的實驗,可惜每天都不得不在實驗紀錄上記下「沒影響(no effect)」。

因為無法得到電對光影響效果的結果,所以法拉第放棄電改嘗試磁。他準備了在偏振光的附近放置磁極,並且讓偏振光通過各式各樣透明物質的設備。他雖然改變過磁鐵的強度、極的位置、通過物質的種類,卻還是無法得到預想的結果,但終於在1845年9月13日發現電磁鐵讓光的偏振面旋轉。當偏振光與磁力線平行的通過重玻璃時會產生最大的旋轉。

諷刺的是,使偏振面產生旋轉的物質正是在法拉第年輕的時候,令他苦惱、做到最後也得不到甚麼成果的「光學玻璃改良計畫」中製造的高折射率重玻璃(圖4)。他了解到這種玻璃的高折射率會放大磁力的作用。雖然需要物質的參與,不過這個磁影響光的現象被稱為法拉第效應(註11)。

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圖4 把在表現法拉第效應中很有用的重玻璃拿在手上的法拉第

反磁性的發現
法拉第效應證明了他的信念,即光是一種重要的研究工具。法拉第效應顯示了物質會被極化。或者說,雖不至於會變成普通磁鐵但在光通過物質的時候會受到磁力的影響。他在充分研究過法拉第效應後,致力於10年前就開始思考的磁的普遍性問題。不管是重力還是電都可無所不在於一切物質中,竟然磁只出現在鐵和鎳等有限物質中。他認為這種不公平的事和神的計畫不相稱。

他在小紙袋裡放進各式各樣的樣品,並用細絲線將之吊起於磁鐵的兩極之間。他用過的樣品包括,玻璃、水、酒精、乙醚、碘、橄欖油、砂糖、木片、象牙、咖啡因、封蠟、羊肉、牛肉(包括曬乾的生肉) 、血、皮、蘋果、麵包等近50種。所有的樣品都會朝向與磁力線垂直的方向移動。

得力於這個實驗結果,他在1845 年12月展示,超強的電磁鐵兩極之間精巧地吊掛著的重玻璃棒會垂直於兩極的連線。這個現象圖示於圖5 (a) 。標記 X 的末端所朝的方向可以二選一。這是個驚人的事情,因為普通磁鐵都是和兩極的連線平行(圖5b) ,而玻璃棒不但沒有被磁鐵吸引,而且玻璃棒顯然排斥磁鐵。

起初法拉第稱這些物質為"dimagnet",後來跟葳威爾討論之後決定從"dielectrics(誘電體)"類推,以反磁性體(diamagnet)稱之。此名詞表示這些物質和普通的磁鐵不一樣。

該物質的磁性以其相對於連接磁鐵兩極磁力線的朝向決定。若其朝向橫切 (或垂直於) 磁極的連線 (圖5a) 則該物質為反磁性體,若其朝向與磁極的連線併排 (或平行) (圖5b) 則該物質為磁性體。也有將相對於磁極連線時的朝向,以反磁性體為赤道向,磁性體為軸向來表示(註12)。

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圖5 反磁性的效應 (a) 反磁性體朝與磁極連線垂直的方向 (b)另一方面,磁性體朝平行方向。

法拉第將反磁性體的性質做更詳細的解析。這種新的磁性只有在磁場開關打開的時候才出現。與一般磁鐵不同,若是沒有強磁場的存在,反磁性體之間就不會互相作用。此外,磁性體會向磁極移動,而反磁性體則離磁極而去。換句話說,反磁性體遠離磁極往磁場最弱的區域移動,而磁性體卻會朝磁作用最強的區域移動。

法拉第就這樣證明了所有物質或多或少都有內含的磁性。在他的想法中,將物質依磁性的強弱排列的時候,像是鐵鈷鎳這些東西會排在磁性強的一端,而玻璃木材等等就要放在磁性弱的那一端。有關反磁性體的行為,他曾打趣地說:「如果有個人像穆罕默德的棺材(註13)那樣漂浮在一個磁場中,那麼因為人類基本上是反磁性體,所以只要那個人沒有帶磁,他就會在其中旋轉直到橫切磁力線的方向。」

 

★下回預告「凡人法拉第」。

 

註解:
*1 Henry Cavendish (1731-1810): 英國化學家,物理學家。除了發現氫還有其他許多成就,不過有生之年不曾發表過論文。
*2 Benjamin Franklin (1706-1790): 美國政治家,科學家。有發明避雷針等多項成就。
*3 electroscope.
*4 specific inductive capacity.
*5 dielectric constant.
*6 permitivity.
*7 workaholic.
*8 Brighton。英國東南部城市,有名的度假勝地。
*9 Christian Friedrich Schönbein (1799-1868):德國出生的瑞士化學家。為法拉第的至交,往來的書信收集起來多到可以出書,不過兩人並沒有實際見過面。G. W. A. Kahlbaum, F. V. Darbishire 編, “The Letters of Faraday and Schoenbein, 1836-1862: With Notes, Comments and References to Contemporary Letters,” Williams & Norgate, London (1899)。
*10 William Thomson, 1st Baron Kelvin (1824-1907): 英國物理學家。較常被稱為克耳文男爵(Lord Kelvin) 。成就包括導入絕對溫度等等。
*11 Faraday effect: 磁光效應 (magneto-optic effect) 的一種。
*12 有機立體化學中使用的 axial, equatorial 也是以同樣的想法引進的。
*13 中世紀流傳「穆罕默德的棺材沒有支撐卻能飄浮在空中 (懸浮,levitation)」。
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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,化學系教授。

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2 thoughts on “【科學大人物】法拉第不為人知的一面(十):法拉第效應與反磁性

  • 2014 年 11 月 12 日 at 10:46:29
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    健康衰退
    大約是從1939年末,法拉第的健康狀況急速衰退。工作上的勞累隨著歲月不停累積,甚至有的傳記作家說他是工作中毒(註7)。關節炎、倦怠感、不定時的暈眩、記憶喪失等等接踵而來。

    這一段怪怪的,應該是1839年!

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    • 2014 年 11 月 13 日 at 08:54:07
      Permalink

      感謝您的細心,已更正!

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