Category Archives: 電的旅程

「第一章：電磁科學基礎」

        ＜絕世奇才馬克士威 ( 2 )＞………續上

        馬克士威在全心全意投入電磁研究前，已發揮了他在數學和物理學界面研究的傑出貢獻，他在系統控制理論，統計力學，熱力學和顏色混合的光學物理等方面，發表了很多研究報告。

        馬克士威在劍橋大學主修數學和邏輯學，當時校內鼎鼎大名的學術權威威廉．湯姆遜 (William Thomas) 就鼓勵他去研究法拉弟留下來的大量實驗數據，湯姆遜看到其中蘊藏著破解自然界奧秘的重大機會，但他自己工作太忙，無懈做這方面的研究，所以鼓勵這位有潛質的年青學生去做這件事，由於湯姆遜的鼓勵和指導，馬克士威在大學年代就開始思考「磁場」及「力線」。

        馬克士威在三十一歲的時候，去拜訪了當時已七十多歲的法拉弟，法拉弟將自己的實驗結果，自己對磁與電的種種想法傾囊相授，他也寄希望於馬克士威，希望他用數學方法總結出有關電與磁的理論。

        馬克士威也不負所望，他將安培、高斯、法拉弟、湯姆遜等人的所有電磁研究的報告在數學上用牛頓力學，流體力學等數學方法表達出來，他苦苦思索了十一年，在1873年發表了「電磁學理論」，用四條看似簡單的微分方程式，包含了自然界所有電磁現象的相互關係！…… (待續)

「第一章：電磁科學基礎」

        ＜絕世奇才馬克士威 ( 1 )＞

        馬克士威生於1831年，出身在一個蘇格蘭顯耀的家族，父親是律師，她母親四十多歲才生下他。馬克士威是一個數學天才，善於用數學像語言一樣來描述自然現象。

        馬克士威28歲就在英國的最高學府劍橋大學任助教，當時他參加了一個學術比賽，題目是用數學來推算土星光環的特性。當時研究天文的人，沒有人知道土星光環是什麼樣的物質組成的，馬克士威用數學方法推斷，土星光環不是一整塊完整的固體，也不是液體的，也不是氣體的，它應該是許許多多大小不一的固體狀物質混雜在一起，形成圍繞土星旋轉的光帶，數學上才是穩定的。一百多年後，美國無人航天器飛越土星時拍回的照片，證明馬克士威的預見是正確的！…… (待續)

「第一章：電磁科學基礎」

        ＜一代宗師法拉弟 ( 5 )＞……續上

        法拉弟非常注重青年教育，每年聖誕節都會為青少年舉行科學講座，他歷年的講詞被大英百科全書推薦為最可讀的科學啟蒙讀物。

        法拉弟觀察到磁鐵有一個磁作用力的範圍，他將磁鐵放在一張紙下面，紙上撒上細細的鐵屑，鐵屑會形成以磁鐵為中軸的橢圓形，鐵屑明顯受到磁力的牽引，他將橢圓形的線稱為「力線」，當另一塊磁鐵接近時，兩塊磁鐵的力量會同時發揮作用，改變「磁線」的方向，他又觀察到兩塊磁鐵的相互作用，會因距離的改變而改變

        法拉弟已經觀察到「磁場」，並部份地加以描述，但他本人沒有數學的底子，無法將實驗繼續下去。此時又有天才誕生，這就是比法拉弟晚了四十年的麥克士威。……(完)

「第一章：電磁科學基礎」

        ＜一代宗師法拉弟 ( 4 )＞……續上

        法拉弟發現了發電機及電動機的工作原理，但實用的發電機和電動機，要在四十多年以後，在材料和加工工藝大大發展之後才被製造出來。

        法拉弟是電機和電化學中的偉大發明家，他發現了電磁感應；抗磁性；順磁性；磁光效應等很多基本的物理現象。法拉弟詳細記錄了他做過的600多次大型實驗，大多數是失敗的，跟預期不符。現在法拉弟的筆記記錄相當完整地保留在英國皇家研究院中。

        法拉弟雖不懂數學，但他有超凡直覺，晚年他在瑞士養病時，他直覺地認為光是電和磁的振動，這種想法是大大超越他那個年代的人的想像力的，而他在晚年，用一塊磁鐵和一個簡單的起偏器 ( Polarizer) 裝置，將磁和光兩種物理現象結合起來。

        法拉弟一生和太太住在皇家研究院的小閣樓上，他全心投入實驗，生活節儉，為人謙虛，他有無數發明，但從沒有申請過一個專利，他是一個偉大的先驅者，奠定了現代電、磁和光學的基礎。…… (待續)

「第一章：電磁科學基礎」

        ＜ 一代宗師法拉弟 ( 3 )＞……續上

        法拉弟將電能驅動的實驗報告發表，但沒有提及戴維的名字，這引起戴維的不快。雖然法拉弟確實以為戴維沒有參加過這個實驗，但此事也多少反映了他們兩人之間有了心病，從此不能抹去。以後的十年，法拉弟的工作壓力很大，做事如履薄冰，也不敢再做電能方面的實驗，他轉向電解、電鍍等方面的研究，他研製了效能更高的電池，創立了電鍍等應用化學，也是法拉弟是世界上第一個發現了「苯環」這種化學結構。

        1829年戴維逝世，法拉弟眾望所歸，被選為皇家研究院的主持人。

        法拉弟發現了電流變化引起磁場變化，他也深信磁場變化能產生電流，這是自然界巧妙的平衡，他設計了很多實驗裝置，想要證明磁場變化能產生電流，但都失敗了。直到有一次他無意中將磁鐵扦入一組線圈，他發現電流表動了一下又不動了，當他將磁鐵拔出時，他發現電流表又動了一下，方向相反，不停地重覆扦入拔出，電流表就擺動起來，這證明了動能可以轉化成電，這就是近代「發電機」的原理。…… (待續)

「第一章：電磁科學基礎」

        ＜一代宗師法拉弟 ( 2 )＞……續上

        法拉弟做了戴維的助手，工作得心應手。雖然法拉弟沒有受過多少教育，對高等數學完全不懂，但他有超強的想像力，他手巧，善於製作實驗工具，又會做實驗，戴維很快就知道自己選對了助手。後來戴維帶了新婚太太到歐洲旅行，帶了法拉弟同行，戴維太太將法拉弟當作僕人一樣使喚，為了尊敬戴維，為了研究，法拉弟什麼苦都忍受下來。但這次歐洲旅行中，法拉弟見到了安培，見到了伏特，以及許多科學界的權威，法拉弟眼界大開，自信心也大增。

        歐洲旅行回來後，他設計了一個裝置，他將一根磁鐵垂直固定在一個闊口的玻璃瓶中，再將一根金屬桿，下部浸在水銀中，上端掛在一個鬆動的架子上，當電流接通金屬桿的時候，奇跡發生了，這金屬會繞著中心的磁鐵轉動，當電流方向改變時，金屬桿向另一個方向轉動，法拉弟證明了電的能量能轉化成「動」的能量，這是今天廣泛使用的馬達的原形。…… (待續)

「第一章：電磁科學基礎」

      ＜一代宗師法拉弟 ( 1 )＞

        1812年，年輕的邁克爾．法拉第心情異常興奮，因為他的朋友送了他一張票去聽漢弗里．戴維 (前文已提及) 的演講。

        法拉弟出身貧家，父親是鐵匠，但身體不好，家裡收入微薄，自小在飢餓中長大，14歲就去一家裝訂書藉的小店做學徒，他還有口吃的毛病，但聰明好學，最喜歡讀的書就是大英百科全書，最喜歡的內容就是當時科技尖端的電和磁。

        戴維演講的時候，法拉弟全神貫注做筆記，他的朋友知道他喜歡聽戴維的講課，就將以後幾場戴維演講的門券都送了給他。法拉弟祟拜戴維，決定向戴維求職，希望能在戴維身邊學習，他去求見戴維，並送上精心裝訂的，他自己記錄的戴維的演講。戴維並不特別喜歡這個口吃的年青人，但正好有一個年青人的見習生辭職，於是就錄取了法拉弟，造就歷史上一位大科學家，當年法拉弟才21歲。…… (待續)

「第一章：電磁科學基礎」

        ＜ 電磁本一家 ( 3 )＞……續上

        1825年，英國物理學家威廉．斯特金 (William Sturgeon) 製成了實用的電磁鐵，他將一塊軟鐵做成U字形，用包著絲綢 (絕緣體) 的導線纏繞在鐵上，當導線通電時，軟鐵帶有很強的磁性，可以吸走鐵釘，磁力跟電流強度的平方成正比，這是一個重要而有用的發明，但斯特金無法解釋箇中的原理，一直要到一百多年後固體物理學發展，才能解釋其中的道理。

        電磁研究進行了二百年，不斷地有新發現，新發明，但都是一個個「點」，全面的發展及形成理論靠兩位天才：邁克爾．法拉第和馬克士威。……(完)

「第一章：電磁科學基礎」

        ＜ 電磁本一家 ( 2 )＞……續上

        當時歐洲大陸上對電的研究相當活。本來做牛頓力學或數學研究的學者，也有人將興趣轉向電。

        1820年丹麥物理學教授厄斯特 (Hans Christian Oersted) 在課堂上講課時，無意中觀察到當他將電流打開，電流流過一根導線時，桌上的指南針的指針會轉動，當他切掉電源，指南針又回到原位。

        電和磁是有關聯的嗎？他無法解釋，但將自己觀察到的現象發表了出來，這一發現震撼了科學界。兩個星期以後，法國人安德烈‧瑪麗‧安培 (Andre Marie Ampere) 做了一個實驗，他將兩根導線放得很近，當兩根導線中的電流方向相同時，導線會互相排斥，當導線上電流一正一反時，導線會互相吸引，這證明了電流能產生磁場，而正是電流產生的磁場影響了指南針，解釋了厄斯特觀察到的現象。安培是數學家，他用數學方法闡述了電與磁的關係，他的理論有缺失，後來由德國數學家約翰．卡爾．弗里德里希．高斯 (Johann Karl Friedrich Gauss) 加以完善，直到五十年後，再由馬克士威 (James Clerk Maxwell) 總結成「定律」。…… (待續)

「第一章：電磁科學基礎」

        ＜ 電磁本一家 ( 1 )＞

        在伏特發明了電池以後，對電的研究熱鬧起來，最早引起人注意的是電解和電鍍，當電通過某些液體時會引發化學反應，這是研究「電化學」的開始。

        英國科學家漢弗里．戴維 (Humphry Davy) 在當時的皇家科學院一個地下室裡，建造了一個特大的電池，他用這特強的電流做了很多研究。

        他用電解的方法，在短短幾年中電解了許多化合物，提出了其中的成份，他發現了許多新元素，包括鉀、鈉、鈣、鍶、鋇及鎂，後來更發現了錪，填補了元素週期表上的很多空格，這些元素的發現並不是當初研究電的科學家能想到的。

        1803年戴維做了一個實驗，他將兩根磨尖了的碳棒連接電池兩極，然後讓兩根碳針尖頭漸漸接近，突然兩根碳針間亮起了電弧，像閃電發生的情形一樣，這是有史以來第一次用電持續發出光。 …… (待續)