【物理史中的三月】1844 年 3 月:法拉第(Michael Faraday)說明冰桶實驗的信發表了

1844 年 3 月:法拉第(Michael Faraday)說明冰桶實驗的信發表了

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2016 年 3 月)

法拉第(Michael Faraday),Thomas Phillips 於1842年繪。Photo: wikimedia commons。

19 世紀卓越的科學家戴維(Humphrey Davy)因許多成就而聞名,包括發現了鋇、鍶、鈉、鉀、鈣和鎂等元素。然而,大家常說曾是他實驗室助理的法拉第(Michael Faraday)才是戴維最偉大的發現。這位年輕人之後做了一系列在電磁學方面最具開創性的實驗。

法拉第出生於 1791 年,父親是一位鐵匠,全家生活困苦。年輕的法拉第早年僅接受最粗淺的教育,當他14歲時,就到當地裝訂兼販售的書商黎包(George Reibau)處當學徒,有機會接觸到許多書籍。在那裡的7年間他瘋狂地閱讀,培養出對科學以及電學最新發現的強烈興趣。

正當他的學徒生涯就要結束時,他很幸運地從朋友處拿到一張戴維在英國皇家科學研究所演講電化學的門票,以年輕法拉第卑微的身分通常是不會受邀參加的。法拉第被演講所著迷,所以演講後他請戴維給他一份工作。戴維溫和地告訴這位年輕人說,目前沒有工作出缺,但不久後,他即僱用法拉第,取代一位因吵架而被他解雇的助理。

以當時的標準來說,法拉第並不是一位「紳士」。在 1813-1815 年間,當戴維和太太巡迴歐洲大陸時,法拉第實際應以戴維的科學助理伴隨他們。但當戴維的男僕拒絕同行,法拉第被迫代勞,戴維的太太並堅持法拉第要和僕人一起用餐,坐不同車廂。法拉第忍受這些屈辱,證明自己是能幹的助理,發現了兩種氯和碳的新化合物,還成功地液化了各種氣體。

1820 年,荷蘭科學家厄斯特(Hans Christian Oersted)的實驗顯示電線的電流會讓羅盤針偏斜的消息傳到了英國,法拉第於是篤力鑽研,設計他自己的實驗,希望證明不僅電和磁,而是所有自然界的力量都有些關聯。他最著名的是他證明了電動馬達和發電機的基本原理,以及磁光效應。

不僅如此,法拉第還在靜電荷方面做了開創性的實驗。例如,當他要證明一導體的電荷只存在於外部表面,而完全不會影響其內部時,他在實驗室蓋一小房間,以金屬箔覆蓋,然後,將金屬箔接通高電壓的發電機。他以驗電器偵測可能效應,證明電荷從未穿入實驗室小房間的內部。

7 年後,法拉第以他早期的研究為基礎,設計了知名的冰桶實驗,以說明靜電感應效應。他將金屬筒放置在一把木凳上,以與地面絕緣,之後依照富蘭克林實驗手冊中的提示,將一帶電小球以不導電的絲線放入筒中,很小心地不讓球碰觸到冰桶。

金箔驗電器顯示冰桶外部有電荷,是小球在冰桶外部感應生電的證明。假如法拉第讓金屬小球碰觸冰桶底部,球的電荷會抵消冰桶內壁的電荷,讓外壁的電荷量和球原來的電荷量相同。

法拉第在一封給《哲學雜誌》(Philosophical Journal)編輯菲利浦(Richard Phillips)的信中說明這些結果,菲利浦於隔年 1844 年 3 月將此信在雜誌中刊登出來。時至今日,這個實驗仍會為了示範目的而以各種方式操作,只是通常會用中空的金屬球取代冰桶,用現代的靜電計取代驗電器。

1839 年,法拉第為神經衰弱所苦,但他後來完全復原,可以繼續他的電磁實驗。他在一生中大都避開世俗的榮耀,推辭被冊封爵位,還兩次拒絕當皇家學會的會長。在克里米亞戰爭期間,他被要求去建議英國政府生產化學武器,有堅定宗教信仰的法拉第基於道德的理由拒絕了。1867 年 8 月 25 日,法拉第在漢普頓宮(Hampton Court)的家中辭世,享年 75 歲。

這位自學的鐵匠之子在物理方面留下了不可磨滅的名譽,電容單位「法拉」即是為了紀念他而命名。據說愛因斯坦將法拉第的照片,和牛頓、馬克士威(James Clerk Maxwell)一起掛在牆上。和法拉第齊名的拉塞福(Ernest Rutherford)如此推崇這位天才:「當我們論及法拉第各種發現的廣度和深度,以及它們對科技進步的影響力時,再大的榮耀對他來說都不為過,他是有史以來最偉大的科學發現者之一。」

 

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