自然快易通/無私的電磁之父

自然快易通/無私的電磁之父

文╱林志鴻

●告訴你╱法拉第定律 推進人類文明

國中電學的最後一個單元,介紹了法拉第定律,我對這個定律有著特殊的感情,不僅僅是因為這個定律代表人類進入另一個階段的文明,同時也對提出這個定律的法拉第先生無私貢獻,有著深深的敬佩及感動。

法拉第定律:當磁通量發生變化時,線圈上會產生感應電流來抗拒磁通量的變化。

這個定律是發電機的基本運作原理,由法拉第發現的。電流可以產生磁場,稱為電流的磁效應,就是俗稱的「電生磁」;而磁通量發生變化可以產生感應電流,就是俗稱的「磁生電」。

世上有很多神奇的機器,但缺了發電機這部機器,會有很多機器都無法運作!試想停電時的情況,還有什麼機器能運作起來呢?所以,發電機可稱為最偉大的機器,很多機器都是依附在發電機之後才存在!

這部機器的發明者法拉第先生,把自己的發明無私貢獻出來,不求專利,完全無償,貢獻給大眾使用,使得偉大的機器更進一步到了無私的境界,讓人類能夠更快享受使用電能的便利。法拉第甚至到了年老,從教授的職位退休,和自己的老伴離開了大學配給的宿舍後,還需要學生的接濟,才有安身之處。他的一生都在挫折與歧視中奮鬥,從來沒有放棄學習與教育,安貧樂道,信仰堅定。

●話從頭╱在印刷廠當學徒 百科全書開眼界

法拉第出生於食指浩繁的鐵匠之家,在一個飄雪的清晨,法拉第在睡夢中被母親搖醒,細細叮嚀中,要法拉第好好保重,該是離家自力更生的時候。當時法拉第還沒到上小學的年紀,拎起輕便的行囊,離家啟程到距離好幾十公里外的倫敦謀生,瘦弱單薄的身影,在大雪紛飛中踽踽獨行,走了好久好久才到倫敦。

歐洲那個年代,沒有所謂的國民義務教育或兒童不准工作的制度,把孩子當作是縮小版的成年人,孩子大了,就該自己養活自己,到底要到幾歲才算長大,沒有一定的標準。當時的倫敦,到處都是不識字的童工,在大家都認為沒什麼不對的環境裡,一個孩子養活自己似乎是天經地義的事!甚至連受教育的機會都沒有,沒有教育要如何翻身呢?

法拉第為了讓自己能受教育,所以他到印刷廠裡工作,在工廠裡當學徒,管吃管住,又有書可以讀,因為印刷廠可以直接接觸到知識的載體:書。法拉第的啟蒙之書,是一位伯爵夫人為了行善,付印了一套百科全書,內容詳盡、印刷精美、圖文並茂。法拉第從印刷廠的師傅裡,學會了如何編排文字及圖表,讓繁瑣的內容變得精簡可讀。一本書從無到有,讓法拉第大開眼界,也讓他了解到知識的可貴並不在於書本的精美,而是在於啟發人類的心智。

他利用閒暇時間,大量閱讀印刷廠裡印出來的書本。因為買不起書,所以他學會了如何做筆記;因為閒暇的時間有限,所以他學會了抓重點,找關鍵。他自己都沒有想到,這些做學問的基本功夫,會改變自己的一生。

●遇貴人╱聽演講遇戴維爵士 從此進入學術殿堂

每年耶誕節皇家科學院會辦講座,由赫赫有名的教授扮演梅林魔法師,招待孤苦無依的孩子享用火雞大餐,順便表演科學的原理來啟發孩子的興趣。法拉第在台下,目不轉睛看著魔法背後的科學原理,仔仔細細的記錄在自己的筆記裡,再參考百科全書的內容來設法破解魔法背後的祕密。

印刷廠的老闆看法拉第很上進,還特別出錢要他去聽演講,把演講的內容仔細記錄下來,因為這個契機,讓法拉第認識了人生的第一個貴人——戴維爵士。法拉第把講演中的筆記拿給戴維爵士看,並從中提出自己的疑問及想法,在整個過程裡,戴維爵士很仔細幫法拉第解惑,同時也很欣賞法拉第的求學態度,想把法拉第招攬到自己門下來當助手。

法拉第從此進入了學術的殿堂,在實驗室裡從洗試管、刷瓶子做起。逐步了解實驗室的運作,各種經典實驗,法拉第在重複不斷的練習裡,累積了很多實驗的技巧,也了解各種藥品、材料、儀器的特性,很多大學生無法完成的實驗,法拉第都能從旁協助,逐漸成了實驗室裡不可或缺的重要人物。

●大爆發╱整理電磁感應理論 建造第一部發電機

戴維爵士周遊歐陸時,也帶著法拉第隨行,演示重要的實驗。但法拉第就只是戴維爵士的助手,在學術界裡,沒有正式的教育,是無法得到應有的敬重,除非自己發表論文。法拉第在周遊歐陸的過程中,認識了很多傑出的科學家,更是啟發了法拉第的許多想法,回到英國之後,法拉第發表出許多重量級的論文,成就超越了戴維爵士,正式成為教授。

法拉第對電磁學的貢獻反而是在戴維爵士去世之後才大爆發的,真正的自由激發出法拉第的創意。在1831年之後,法拉第做了一連串的重大實驗,逐漸把電磁感應的理論完全整理出來,以此建造了第一部發電機,從此改變了人類的文明。

法拉第對自己的發明既不居功也不藏私,沒有申請專利,完全貢獻給大眾使用。他一生清貧,為學最樂。在有生之年,他推辭了封爵、拒絕兩次成為皇家科學院的院長。他最喜歡在耶誕節,扮演梅林魔法師,演示科學實驗給孩子們觀賞,喜歡看到孩子們幼小眼睛裡,閃爍著對大自然的好奇心,就像他當年在台下一樣,純真無瑕的好奇心。

 

●想想看╱經濟成長 耗多少能量 全球暖化 生病的警訊

直到最近,不過「最近」也不過是數百年的事,相對於地球的年紀,只是一瞬間,人類實在太繁盛了!有點超過這位母親的負荷。當你生病時,先有發燒的症狀,地球也是,正在發燒之中;我們發燒是為了消滅細菌,那地球發燒是為了消滅人類嗎?我們應該是地球永續的行動者,不該是地球的癌細胞。

全球暖化是地球生病的警訊。

人類能演化為地球上最繁盛的物種,一定有其道理:人類有能力去了解宇宙運行的原理、有能力去解決所處困境、有能力去傳承先人的智慧、有能力去創造眾人的福利……,是不是應該承擔更多關於地球的責任呢?

在地球上,人類是唯一有能力改變地球生態的物種。這種能力是兩面刃,可以用來創造,也能用於毁滅。人類有自省的能力,所以在危機產生之際,會想出解決的辦法,阻止悲劇發生。我們要藉由科學家的研究調查來書寫地球的使用手冊,要藉由教育把這本使用手冊承傳下去,修正人類犯下的錯誤。目前第26屆聯合國氣候變遷大會(COP26)正迫不及待處理這件事,但成效不如預期。

地球是寬厚仁慈的,讓人類有自由意志的權利,讓我們自由選擇接下來要過的生活,我願意相信地球讓生命演化到人類出現的程度,一定有其傳承的意義,人類是其中的一個環節,而非終結。

由於COVID-19的影響,人類的經濟活動趨緩,反而給地球的生態多了喘息的時間,這不禁令人懷疑那麼多的經濟成長,要耗費多少能量?要耗費多少資源?我們真的需要那麼多的經濟成長嗎?需要那麼多的消費嗎?仔細想想,一個人能吃能用的真的不多,不是嗎?

●要知道╱上千人同時奔跑 才能產生1度電

在教孩子們計算電費時,我會用以下的例子來說明人類耗費能源的程度:

1度電=360萬焦耳。

1個標準身材的國中生50kg,用奧運短跑選手的速度狂奔:10m/s

這個國中生具有的動能為2500焦耳。要達到360萬焦耳需要1400個國中生同時奔跑起來,差不多是一個國中校園裡的所有學生狂奔,才能產生1度電的能量。

在台灣,1度電的費用約在1.63元至6.41元之間,平均來看約4元左右,令人咋舌!我們取得能量的代價是非常無感的,所以才會不懂得珍惜,一旦停電了,才會發現電能的重要!

地球上的其他生物,不會耗費如此巨大的能量,只有人類才需要使用這麼多能量。難怪地球養活這麼多人口的負載會如此沉重。愈是先進的國家,每個人民使用的能量更是可觀!

●要記住╱秘魯分享漁場資源 商業大船趕盡殺絕

除了能量的使用需要考慮,物質的使用也要謹慎。秘魯的漁場資源很豐富,可以開放給全世界的漁民來捕魚,為什麼他們的漁場資源那麼豐沛呢?因為他們捕魚的技術非常原始,兩個漁民駕著獨木舟到外海釣魚,花一整天時間才拖回一尾鯊魚,這是漁人用命搏來的漁獲,全村會把這尾鯊魚完全支解,全部都拿來利用,養活全村的人口,只取自己需要的,不要過分捕撈,要讓自然休養生息,才能永續。但秘魯分享自己的漁業資源,馬上就後悔了!因為商業化的大船只為了獲利,不考慮生態,流刺網的趕盡殺絕,造成生態浩劫,要經過好幾年才能恢復生機。商業行為以獲利為依歸的模式,有檢討的必要。

教到有機化合物時,常常和孩子們聊到日常生活中使用的有機化合物,尤其是肥皂的製造。在實驗室裡,孩子們花了很大的功夫才製造出勉強有去污效果的肥皂,因而發現原來家裡使用的清潔用品有多麼厲害!接著和孩子們討論,每天使用的清潔劑有多少種?然後再想想,到賣場裡如何挑選清潔劑?會用什麼觀點來選擇自己需要的產品?這個時候就會發現,我們的日常生活其實是商業行為的一部分,原料→生產→消費→丟棄……,原來我們的需求沒有那麼多,額外的需求是被刺激出來的,有必要嗎?

●要力行╱收起貪念 夠用就好 節約能源 減少碳排

周易:「天行健,君子以自強不息;地勢坤,君子以厚德載物。」古人以此勉勵人們要效法天地,隨著人類能力愈來愈強,除了效法天地運行之外,更需要承擔保護地球的責任。收起自己的貪念,身外之物夠用就好,不必追求最豪華的享受;節約能源,減少不必要的能量損耗;減少碳排放量,增加綠能的使用;敦促政府能源轉型;確保空氣、水源及環境永續發展。別讓我們成為地球的癌細胞!

長久看來,地球上可以沒有人類;但人類不能一刻沒有地球。

演化出的人類智慧,必定是為了地球永續,身為地球之子必須找到解決的辦法。


●作者為高雄小港國中自然科老師,喜歡在課堂上穿插各種小故事,啟發孩子對科學的興趣。

原文出自《好讀周報》666