歷史 物理

電磁英雄列傳之七:亨利

Print Friendly and PDF
撰文者:高崇文 教授 (中原大學物理系)
發文日期:2016-11-25
點閱次數:838
  • 阿文有幸曾在美國東岸馬里蘭州待過五年半,記得剛到馬里蘭的College Park時隔天就跑到附近的美國首都,華盛頓特區著名的Mall參觀。印象最深的是其中一棟看似歐洲中世紀城堡的建築。一問之下才知道是史密森尼學會的總部。建築物前還有一尊銅像,不過阿文當時只喜歡跑進隸屬史密森尼學會的華盛頓國家畫廊欣賞各時期的西洋繪畫,對這尊銅像到底是誰從沒放在心上。在馬里蘭當博士生的時候,雖然不時遛達跑去國家畫廊看畫,順便到鄰近的China Town吃碗海鮮炒麵打打牙祭,對其它附近的博物館向來是興趣缺缺,直到最近寫起電磁英雄傳才赫然發現,原來那尊立在”古堡”前銅像原來正是本集的主角:約瑟夫.亨利。他是史密森尼學會的首任會長,但是讓他真正青史留名的是他在電磁學的各種貢獻。其實比起法拉第,亨利毫不遜色,然而不知為什麼他的知名度在美國之外相對地低,大家頂多只知道電感的單位叫亨利,至於亨利是何許人也恐怕大家也不甚了了,就讓阿文好好地將他的豐富人生做個介紹吧。

    約瑟夫·亨利於1797年12月17日出生在紐約州的Albany,父母都是來自蘇格蘭的移民。在當時許多歐洲企圖翻身的窮人選擇移民去美國,這對阿文這一代的臺灣人一點都不陌生,不過美國夢人人會做,夢想卻很少成真。亨利的父親威廉·亨利在哈德遜河上的船上工作,但因健康不佳,小亨利從七歲就送去紐約州的Galway跟祖母同住。兩年後亨利的父親病逝,他繼續待在Galway讀書。(他就讀的學校後來為了紀念他,改名為約瑟夫·亨利小學。)他放學後在商店幫忙工作賺錢。在十三歲時他回去Albany跟母親同住,跟法拉第一樣成為一位學徒,不過不是印刷廠,而是去當鐘錶匠和金匠的學徒。不過當時景氣不佳,兩年後這位錶匠就收攤了。亨利的母親只好收錢讓人寄宿家中,並供應三餐來維持生計。而此時亨利愛上戲劇,不只愛看還愛演,甚至曾經差點打算成為一個專業的演員呢。不過他最後沒變成演員,而走上學術的路,關鍵是他在16歲時,一位寄宿在他家的人,借了他一本書,書名叫《Lectures on experimental philosophy, Astronomy and Chemistry, intended chiefly for the use of young people》(專為年輕人而寫的實驗哲學、天文學,以及化學的演講)的書。亨利讀了之後愛不釋手,人家索性將書送給了他。亨利事後回憶,當他讀到這本書大為感動,立志要成為科學家,而他也的確做到了!。
    Joseph_Henry-Smillie_Photo-1874

    Joseph Henry(圖片來源:wikimedia commons)

    1819年,他已經二十二歲,才得以進入Albany學院念書,雖然學費全部減免。但是他的家庭實在太窮了,他還是不得不去當家教來貼補家用。1822年他畢業之後留在學校當實驗室的助手。他在1824年他成為助理工程師,參與勘查興建中的哈德遜河與伊利湖之間的國道。這引發他對工程的興趣。原本他想當醫生,至此他改變心意改向念科學。他在1826年透過校長T·Romeyn Beck的引薦下,成為Albany學院數學和自然哲學的教授。就在這個沒沒無聞的地方 亨利開始了他精彩的學術生涯。

    當時電磁學才正在起步的階段,而亨利也對這個新興學科有著高度的興趣。1825年英國科學家William Sturgeon將通有電流的金屬線纏繞在絕緣的棒上,裏頭裝著鐵棒,做成全世界第一個電磁鐵。這是因為當直流電通過導體時會產生磁場,而通過作成螺線管的導體時則會產生類似棒狀磁鐵的磁場。在螺線管的中心加入一磁性物質後,這個磁性物質會被磁化而達到加強磁場的效果。亨利得知這個發現後在軟鐵芯上纏繞密集的線圈,線圈還是用絕緣的電線做成的。使用電流不大的電池通電後,電磁鐵變得比Sturgeon強上許多。這是因為電磁鐵所產生的磁場強度與直流電大小、線圈圈數及中心的導磁物質有關。亨利不斷的改良電磁鐵,1830年時亨利的Albany磁鐵已經可以吸上750磅(相當於350公斤)的強力電磁鐵,到了隔年,他再接再勵,他的電磁鐵叫"耶魯磁鐵",居然可以將兩千磅的鐵塊吸上來,那已經是接近一噸重的鐵塊!

    亨利是一個頗具巧思的科學家,當他在摸索如何改良電磁鐵的時候,他發現使用高電壓可以將電流傳得比以前還遠而且不致衰減,所以他讓學生聚集在一個鐘前,然後他利用高電壓,從一千英呎外傳送電流到電磁鐵,讓電磁鐵吸引一個鐵片讓鐵片敲響鐘,學生們自然樂不可支,喜歡演戲的亨利可想而知一定也是得意萬分吧。這是1830年的事,比韋伯在哥廷根的電報還早呢!當然啦 這離商業用的電報還有一段距離,最大的困難是很難將電流傳到超過一英里的距離,就算是用高電壓也不行。這要等到1836年亨利發明了強力電池才被解決。另外一個相關的重要發明是繼電器relays。關於電報的故事我們後頭再來詳述。

     
    Relais

    繼電器(圖片來源:wikimedia commons)

    亨利還有一個大發明,就是在在1831年創造了史上最早的電磁驅動機器之一。它沒有做圓形旋轉運動,而是一個磁鐵搖桿放置在桿子上,來回搖擺。搖桿兩端接著引線,當搖桿倒向一邊時,引線會碰到旁邊放著的電池,形成封閉電路而改變電磁鐵的磁場方向,讓搖桿往另一方倒直到另一邊引線碰到另一邊的電池為止。這個算是現代直流馬達的始祖。1834年Thomas Davenport受到這個發明的啟發, 發明了一個會做圓形旋轉運動的直流馬達,Frank Sprague更以此發明了第一部可以在街上跑的電動車,但因當時電池太貴無法與汽車競爭而遭到淘汰。

    真正讓亨利在科學史上佔一席之地的還是電磁感應。他於1830年的獨立研究中發現法拉第電磁感應定律,比法拉第早發現這一定律,但其並未公開此發現。1832年亨利發現當電流有變化時,線圈會產生一個與反抗電流變化的電壓。這是由於電流變化造成線圈中磁通量變化所造成的。更進一步把兩個線圈放在一起,甲線圈上電流的變化會誘發乙線圈上產生與電流變化反向的電壓。這稱之為"互感"。可惜的是在法拉第比亨利早幾個月發現了互感的現象。事實上兩個人曾經見過面,1837年亨利曾到過英國一趟,造訪過法拉第。他在1832年七月在American Journal of Science發表關於自感的結果。由於亨利並不常將他的實驗結果寫成論文公開,所以吃虧不少。1832年亨利離開Albany學院,成為College of New Jersey 的教授,這所學校是普林斯頓大學的前身。也就差不多同一時間,一位畫家居然也開始想要從事電報的研究,他就是發明摩爾斯電碼的Samuel Finley Breese Morse。說來奇怪,一位專業畫家怎麼會對電報產生興趣呢?這是因為當Morse從歐洲回美國時,在客輪上聽到Charles Thomas Jackson的演講,Jackson還當場示範電磁鐵電流開關吸放鐵釘的實驗。Morse靈機一動,看出這是遠距離傳播的一個不得了的方式,所以專心投入電報的研究。然而很快地他就陷入瓶頸,電流難以遠距離傳輸這個問題馬上浮出檯面。這時Morse的貴人出現了,就是Leonard Dunnell Gale他是紐約大學的化學教授,也是Morse的同事(當時Morse在紐約大學教工程繪圖)更重要的是他還是亨利的好朋友,他告訴Morse亨利的新發明繼電器,繼電器的原理很簡單 它的輸入部分為一組電磁鐵,當電磁鐵通過電流時,產生磁性,就吸引著輸出接點閉合或斷開。當電流消失後輸出接點又回復到原始狀態。這樣電流訊號就可以自動地重複再傳送一次。再加上1836年亨利發明的強力電池 ,Morse成功地在1836年將訊號傳送十英里遠!Morse與Gale找上Alfred Vail一起繼續發展電報的技術,(Morse發明了中繼器repeater也不能算完全沒有功勞。) 1843年他們在政府資助下健了一條連接華府與巴爾地摩沿著鐵路蓋的電纜 結果意外地大出風頭!當時輝格黨在巴爾地摩召開黨員大會提名了參議員Henry Clay競選總統, 但是他們利用新發明的電報探詢Henry Clay的意願, 結果他婉拒了。他的決定藉著電報馬上又傳回巴爾地摩,這讓社會大眾對電報刮目相看。後來Morse申請專利,成立公司,成了富翁,但亨利因為向來不申請專利,結果分文未得。真正令人惱火的是Morse從未公開承認或推崇亨利的貢獻,這才讓亨利相當地不痛快!而Morse在發財之後更是變本加厲地搞起反移民特別是信奉天主教移民的政治活動 (其實早在1836年他就代表過反移民的政黨選過紐約市長失敗)我猜身為移民之子的亨利一定也不想跟他打交道吧。

     
    1200px-Relay_principle_horizontal

    繼電器工作示意圖左:放開,右:吸合(圖片來源:wikimedia commons)

    雖然沒成富翁,亨利還是備受尊重,被認為是美國科學界的“領頭羊”。所以當史密森學會在1846年成立時,他眾望所歸地成為第一任會長。史密森學會的資金源於英國科學家詹姆斯·史密森(James Smithson)價值50.8萬美元的遺贈捐款,根據美國國會法令於1846年創建於美國首都華盛頓特區。史密森本人一生從未到訪美國,然而1828年他逝世時,卻將他的財產遺贈給美國政府,希望美國政府建立一個增進和傳播人類知識的學會。該機構的諸多博物館,全年對公眾免費開放(聖誕節關門,人家也要過節的嘛)。董事會由首席大法官、副總統、3名參議員、3名眾議員和6名非官方人士組成。亨利的後半生完全投入史密森學會的經營上, 他離開普林斯頓,搬到華盛頓特區 並積極推動與學會精神相符的各樣科學研究活動上。像是亨利在1848年曾與天文學Stephen Alexander教授(其實他是亨利太太的兄弟算是大舅子,亨利的太太是他的表妹,所以算起來他也是亨利的表弟呢)共同計算太陽在不同區塊的相對溫度。他們使用熱電堆確定太陽黑子的溫度比周圍的地區還低。他們在普林斯頓時是同事,當時就開始合作了。義大利天文學家Angelo Secchi(他是一位耶穌會成員)後來持續做相關研究,卻沒提到亨利的貢獻,看來亨利老是遇到這種事,幸虧他天性看得開,否則會氣死吧。

    亨利後來認識了Thaddeus Sobieski Constantine Lowe,這位仁兄是個氣球狂,曾使用熱氣球來研究大氣層,特別是今天我們所說的高速氣流。Lowe還試圖利用一個巨大航空器來橫渡大西洋。亨利對於Lowe的研究展現極大的興趣,對他提供許多援助。Lowe在1860年6月成功試飛他製造的氣球,命名為紐約市號,後來更名為大西部號。南北戰爭爆發後,Lowe放棄橫渡大西洋的計畫,在亨利的推薦下Lowe組成了北的軍的Balloon Corps,從事偵察的工作呢。亨利在南北戰爭時擔任林肯總統的科學顧問,史密森學會也致力於提升當時野戰醫院的醫療水準,可以說貢獻良多。

    作為一個史密森學會的會長,亨利接待過許多想要徵求意見的科學家和發明家。亨利個性和藹、又有耐心,也時常展現出幽默感。(該說喜歡演戲的小孩不會變壞嗎??) 亞歷山大·格雷厄姆·貝爾也曾拜訪過他,他在1875年3月1日帶著介紹信來拜訪亨利。亨利在看到貝爾的實驗裝置後讚不絕口。他還勸告貝爾在他的發明完成前,千萬不要公布他的構想。亨利大概是想起自己在發明電報時吃的悶虧吧。1876​​年6月25日,貝爾的實驗電話在費城展出時,亨利剛好是電氣展的評審之一,他大力稱讚貝爾的發明令人驚豔非常有價值。當時巴西的皇帝Pedro 二世也在會場呢。據說貝爾曾跟亨利表達自己擔心自己缺乏必要的科學知識(貝爾員本是專攻聾啞教育的教師,他父親也是,祖父也是,貝爾的母親與太太都是聽障者呢)亨利只回答了兩個字“get it!”,這算是洋基精神的最佳寫照吧?

    除了擔任史密森學會的會長外,亨利也是美國國家科學院(United States National Academy of Sciences) 第二任的院長,美國國家科學院是在1863年3月3日由林肯總統簽署法案創立的。是由美國著名科學家組成的組織,其成員在任期內無償地作為「全國科學、工程和醫藥的顧問」。此外他還是美國燈塔委員會The United States Lighthouse Board 的成員,後來還成為主席 他是惟一非政府官員擔任這各職位的人。他看來包山包海,管的東西不少,可見當時美國設會倚重他的程度。 不過他也深知美國社會太過注重實用的弊病,他曾公開說:


    在美國,雖然許多人長於把科學應用於實際生活,但很少有人為了發現和發展新的真理的必要而進行辛勤的勞動和認真的思索。

    我真想把這段話送給咱們的科技部長跟行政院長。哈哈哈~

    1878年亨利在華府過世,享壽八十。美國也從一個新生的共和國成長變成橫跨太平洋與大西洋的強國。接下來,我們要回到歐洲,繼續我們的電磁英雄傳,請各位繼續跟阿文奔馳在歷史的軌跡中,下回見囉!


    (1)中文 英文 維基相關條目
    (2)Electrodynamics from Ampère to Einstein by Olivier Darrigol
    (3)MacTutor History of Mathematics archive
    (4)The Communications Miracle: The Telecommunication Pioneers from Morse to the Information Superhighway (Applications of Communications Theory) Softcover reprint of the original 1st ed. 1995 Edition  by John Bray
回上一頁