法拉第如何發(fā)明了第一個電動機(jī)，又為何激怒了他的導(dǎo)師？

一、前言

發(fā)明的電動機(jī)為何惹得別人不高興？法拉第為何首次發(fā)明了電動機(jī)？在Kathy老師講述的故事中包括有奇詭的螺旋電流理論、聲稱抄襲以及一個毫無用途的電動機(jī)。

▲ 圖1.1.1 奧斯特的電磁實驗

二、電磁現(xiàn)象

在1820年，丹麥人奧斯特有了一個驚人的發(fā)現(xiàn)，如果電線用上電流，可以使得周圍指南針的方向轉(zhuǎn)向圍繞電線的方向。指南針是一個放在支架上的細(xì)磁針，由此奧斯特驗證了電流與磁場之間的聯(lián)系。但當(dāng)時的人對于直線流動的電流為何產(chǎn)生了圓形磁場感到困惑。對此奧斯特給出的解釋就是電線中電流實際上是沿著螺旋軌跡流動的。

下面的故事輪到了英國的兩位科學(xué)家，麥克·法拉第以及他的導(dǎo)師漢弗萊·大衛(wèi)。漢弗萊·大衛(wèi)是著名的化學(xué)家，也是一氧化二氮，即笑氣的狂熱愛好者，算得上當(dāng)時的歐洲是最著名的科學(xué)家了。八年前由于一次實驗事故，大衛(wèi)的眼睛受了傷，于是聘請了一位年輕的，沒有受過正統(tǒng)教育的法拉第作為他的助手，當(dāng)時法拉第是一個圖書裝訂實習(xí)工。

▲ 圖1.2.1 漢弗萊·大衛(wèi)與麥克·法拉第

??在1820年大衛(wèi)被推選為倫敦皇家學(xué)會的主席，此時法拉第是他的助手，可以獨(dú)立從事一些研究工作。大衛(wèi)和法拉第以及其他歐洲科學(xué)家聽說了奧斯特的實驗結(jié)果，試圖對其進(jìn)行做出解釋。

大衛(wèi)再給他弟弟的信中記錄到，他重復(fù)了多個奧斯特的結(jié)果不明的實驗，可以確信電池是一個強(qiáng)大的磁鐵，對此我深信不疑。在1821年大衛(wèi)與他的朋友威廉·沃拉斯頓合作研究這個問題。沃拉斯頓同意奧斯特的關(guān)于電流螺旋流動的觀點，他們花了好多個小時試圖通過實驗驗證電線中的電流是沿著螺旋軌跡流動，但始終沒有任何結(jié)果。

▲ 圖1.1.2 大衛(wèi)與沃拉斯頓

三、法拉第實驗

在1821年法拉第被雜志約稿綜述電的最新研究進(jìn)展，按照他的方式他試圖對讀到的實驗結(jié)果進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。通過復(fù)現(xiàn)奧斯特實驗法拉第確定磁場是圍繞著電線，但并不是奧斯特所認(rèn)為的螺旋線。他斷定，看起來的確奇怪，似乎沿著直線流動的電流，但所產(chǎn)生作用在周圍磁針上的力則是圓形磁場力。

▲ 圖1.1.3 電流與周圍的磁場

??反過來，法拉第猜測磁場也會對周圍通電導(dǎo)線產(chǎn)生圓形作用力。也就是說電線會繞著磁極旋轉(zhuǎn)，磁鐵會圍繞電線旋轉(zhuǎn)。在1821年9月3日法拉第通過一個簡單的實驗證實了磁鐵對周圍通電導(dǎo)線產(chǎn)生圍繞磁鐵圓形方向作用力。

他的實驗裝置如圖所示。底部是盛有水銀的玻璃杯，將一個金屬導(dǎo)體懸掛，下端與杯子里水銀接觸，水銀是液態(tài)導(dǎo)體。在中間安置一個永磁鐵。將電路閉合之后，電線就開始繞著磁鐵持續(xù)轉(zhuǎn)動。

▲ 圖1.1.4 法拉第實驗

??也許看到此景，法拉第情不自禁的喊出了，它轉(zhuǎn)了！它轉(zhuǎn)了！我們終于成功了。從技術(shù)上來看法拉第發(fā)明了第一個電動機(jī)，是一個將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電動機(jī)。當(dāng)然了這種電機(jī)并沒有實際用處，沒法解決實際問題，除非你想使用電流來攪動水銀液體。

四、被指責(zé)抄襲

還好法拉第并不想使用他的發(fā)明去干什么事情，只是用來演示自然界中的電磁作用力。作為電動機(jī)這個實驗沒什么用處，作為展示磁場則非常高效。

法拉第在1821年10月1日發(fā)表了他的研究成果，文章廣受好評。但一周后人們指責(zé)他抄襲了漢弗萊·大衛(wèi)朋友威廉·沃拉斯頓的成果。法拉第寫信給沃拉斯頓，說他急切擺想脫這些針對他沒有事實根據(jù)的指責(zé)。如果我做錯了什么，我會為此道歉的。

▲ 圖1.1.4 法拉第與沃拉斯頓

??沃拉斯頓回信道，他并未對此感到有何冒犯。然后沃拉斯頓并沒有公開發(fā)表保護(hù)法拉第的文章，但漢弗萊·大衛(wèi)卻公開攻擊法拉第。

200年之后的我們無從了解為何當(dāng)時的人所做的事情，他們對此有何看法。很多當(dāng)代研究者認(rèn)為當(dāng)時大衛(wèi)是對他的門徒的成功感到嫉妒，認(rèn)為出身底層沒有受過教育的法拉第不配獨(dú)立從事研究工作。從大衛(wèi)的憤怒中也許可以證實，大衛(wèi)應(yīng)該是覺得他將法拉達(dá)從困境中發(fā)現(xiàn)并提攜出來，但法拉達(dá)卻未將其研究成果歸功于他的恩人。

大衛(wèi)和沃拉斯頓的確也在法拉第之前試圖嘗試過制作一個旋轉(zhuǎn)設(shè)備，只是目標(biāo)不同。也許大衛(wèi)實際上并未理解法拉第的實驗究竟證實了什么，他弟弟后來寫到，大衛(wèi)之所以反對法拉第主要是想還奧拉斯頓一個公平。很有可能在大衛(wèi)的后半生中他的確是這么認(rèn)為的。

▲ 圖1.1.5 大衛(wèi)對法拉第的成果表示嫉妒

??也許是過渡使用了笑氣，或者在實驗室吸入了過量的有毒化學(xué)氣體，到了1826年漢弗萊·大衛(wèi)病倒了，并從化學(xué)家崗位上退休下來，三年后去世了。

同時，法拉第正興致勃勃進(jìn)行他的電學(xué)研究。但在當(dāng)時政府壓力下，需要他研制更好的光學(xué)玻璃，對于這個研究他認(rèn)為沒有什么成果，說唯一的結(jié)果就是他自己感到腦袋疼。

▲ 圖1.1.6 實驗中的法拉第

五、后記

第一個將法拉第的發(fā)現(xiàn)繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大的是一位退休的士兵，制鞋匠，名叫威廉·斯特金。他在1834年發(fā)明了第一個實用的電動機(jī)。他第一個注意到法拉第論文中的另外一個事實，通電的螺旋導(dǎo)線作用像一個磁鐵。至于威廉·斯特金發(fā)明了第一個實用的電動機(jī)的故事，我們下次再聊。

▲ 圖1.1.7 斯特金的電動機(jī)

參考資料

[1]閃電的馴服者：電學(xué)的歷史: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/128426612?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22128426612%22%2C%22source%22%3A%22zhuoqingjoking97298%22%7D

[2]** How Faraday Invented the Motor and Irritated his Mentor**: https://www.youtube.com/watch?v=fCmahVjH8nM&list=PLepnjl2hm9tF-CxhyRFZi3Pujkq_V4pKP&index=20