約瑟夫·亨利(Joseph Henry,1797年12月17日~1878年5月13日),出生于紐約,美國物理學家,史密森學會首任會長,美國國家科學院院長,電流自感現象的發現者,電磁感應的發現者之一。
亨利出生在美國紐約州奧爾巴尼一個貧苦家庭,父母都是移居美國的蘇格蘭清教徒。1819年,亨利通過自學考取奧爾巴尼學院。1826年,亨利被聘為奧爾巴尼學院的數學和物理學教授,并開展對電磁學的研究。1832年,亨利擔任新澤西學院(今普林斯頓大學)物理學教授,并在同年7月發表關于發現電磁感應和電流自感現象的論文,引起美國乃至歐洲科學界的關注。1846年亨利擔任史密森學會首任會長,開始科學領導與組織工作。1868年亨利被推舉為美國國家科學院院長,致力于促進美國科學的發展。1878年5月13日,約瑟夫·亨利在華盛頓去世,享年81歲。
亨利在電磁學領域研究成果頗多。他在制作電磁鐵的過程中發現電流自感現象,并且獨立于邁克爾·法拉第(Michael Faraday)發現電磁感應現象,不過法拉第是第一個發現并發表研究成功的人。亨利還發明了電門鈴的前身和電磁繼電器,他在繼電器方面的研究是實用電報的基礎。1893年8月在國際電學家會議上,為紀念約瑟夫·亨利在電磁學領域的貢獻,正式命名“亨利”(H)為電感的標準單位。
人物生平
早年經歷
1797年12月7日,亨利出生在紐約州奧爾巴尼一個貧窮的工人家庭。父親威廉·亨利和母親安·亞歷山大是逃避宗教迫害而來到美國的蘇格蘭清教徒。亨利家境貧困,10歲便開始開始半工半讀的生活。14歲時亨利的父親去世,他不得不中斷學業,之后參加了一個戲劇表演團體。他對戲劇表演十分感興趣,差點成為一名專業演員。大約18歲時,亨利偶然讀到一本名為《實驗哲學通俗講座》的科普讀物,激發了他對科學的興趣。
1819年,亨利通過自學被奧爾巴尼學院破格錄取。他系統地學習數學、化學、物理學、生物學和解剖學,還自修許多其他課程。1824年,亨利被接納為奧爾巴尼學會的會員,同年他向學會遞交第一篇論文《蒸汽的化學和機械效能》,論文沒有新的發現,但展示出他實驗物理學家的才能。1826年,亨利被聘為奧爾巴尼學院的數學和物理學教授。
初涉電磁學
亨利偶然得到一本介紹安培理論的書籍,他決定應用安培的理論改進當時的電磁鐵。他將一組絕緣導線緊緊地繞在軟鐵棒的整個表面,在1828年制作出第一塊性能更強的電磁鐵。1830年,亨利與表妹哈里特·亞歷山大結婚。哈里特非常支持亨利的研究,她的參與使亨利的工作進度大大加快。1831年,耶魯大學請亨利制作一臺大磁鐵,在妻子的幫助下,亨利成功制作出能提起一噸重物的電磁鐵。
亨利還發現磁力隨著電感線圈匝數增加而增加,但超過一個限度線圈的增加反而使磁力下降。因此在只使用連接到電池的兩個電極制作電磁鐵時,最好并聯纏繞幾個線圈,但在使用多個電池的裝置時,則只需一個長線圈。后者使電報成為可能。亨利在制作電磁鐵的過程中已發現電磁感應現象,但效果并不明顯,亨利準備制作一個更大的電磁鐵完成實驗。由于時間和材料的限制,直到1832年,亨利才在《美國科學雜志》上發表研究成果,而邁克爾·法拉第在1831年就已經發表電磁感應的發現。但是亨利在電磁實驗中還發現了電流自感現象,成為第一個發現電流自感的人。
新澤西學院
1832年,亨利在電磁學上的研究使他在美國乃至國際上名聲漸起,美國許多高等學校邀請他前去任教,亨利最終選擇前往新澤西學院(今普林斯頓大學)擔任物理學教授。在接下來的幾年里,亨利一直對電磁學進行深入研究。1835年,亨利向美國哲學會介紹他對電流自感現象的進一步研究成果。他總共設計14個實驗,成功定性確定各種形狀導體的電感大小。第二年,亨利還進行了電報閉合實驗。他把電報線兩個端線分別放在兩口井里,使電報線和地球組成閉合回路,他的實驗使電磁電報向實用方面邁出一大步。
亨利的工作贏得新澤西學院的贊賞,新澤西學院為他提供一次歐洲帶薪旅行。亨利于1837年前往歐洲交流訪問。邁克爾·法拉第邀請亨利到皇家學院做關于電磁學中數學理論的演講,并與他進行多次電磁學實驗。其中亨利在電流自感方面研究獲得法拉第的認可。
亨利在實驗中嚴重依賴他的研究助理非裔美國人薩姆·帕克 (Sam Parker)。帕克是一名自由黑人,受新澤西學院聘請協助亨利。亨利在1841年寫給數學家埃利亞斯·盧米斯(Elias Loomis)的信中描述帕克提供實驗材料,解決亨利設備的技術問題。1842年,帕克生病,亨利的實驗不得不停止直到他康復。
遷居華盛頓
1846年12月3日,由于亨利的研究和聲望,他被推舉為史密森學會的第一任會長,一直任職到他去世。亨利于是舉家從新澤西學院移居到華盛頓。在他的提議下,史密斯遜研究院一方面資助科學人員,另一方面出版各學科最新定期報告和專題論文。此外,亨利熱衷于提出和推動科學活動。他在1847年提出關于組建氣象觀測網的合作計劃,許多志愿者響應亨利的倡議。到1852年,已有200多人擔任觀測員,在全國形成一個氣象觀測網站。亨利建立起世界上第一個電報氣象觀測系統,后來系統被移交給美國政府,用來建立美國氣象局。
1848年,亨利與他妻子的弟弟史蒂夫·亞歷山大合作進行一系列關于太陽黑子相對熱輻射能量的實驗。他們使用熱電堆確定太陽圓盤不同部分的相對溫度,并發現太陽黑子比圓盤其他部分溫度低。亨利當時得出的結論與后來其他人的觀察結果完全符合。同時,亨利還在華盛頓哥倫比亞特區繼續他的電學研究。1851年他發表了關于振蕩放電和它的感應能遠距離傳輸的論文,他認為電流改變方向,能產生一系列類似于波的起伏運動。亨利的研究啟發了許多后來的研究者,最后被詹姆斯·麥克斯韋概括在他的方程組中。
1861年,南北戰爭爆發。亨利堅決反對南方分裂活動,支持總統亞伯拉罕·林肯,他組織大批科學家為政府提供技術支持。亨利與林肯經常交流,探討如何在戰爭中應用科學技術,在他的建議下,林肯將氣球運用在戰爭中,并取得戰果。內戰時期,美國海軍批準成立一個常設委員會,目的是向海軍提出建議以改進航海技術。亨利是其中三個成員之一。
1861年底和1862年初,亨利在史密森學會主持了一系列關于廢奴主義的講座。演講者包括南非白人牧師、政治家和活動家。演說家、前逃亡奴隸道格拉斯(Frederick Douglass)被安排為最后一位演講者。然而,亨利拒絕讓他參加,他不允許讓有色人種在史密森學會演講。
當選院長
1863年,在南北戰爭的影響下,美國國家科學院成立,亨利是最初的50個院士之一。美國國會最初并不重視科學發展,科學院經常缺少資金和支持,科研活動難以進行,科學院瀕臨解體。1866年,亨利當選為美國科學院副院長,1868年他又被院長。亨利上任后開始整頓科學院。他首先取消一大批靠金錢和權勢當上院士的人的職位,并且向國會申請經費,用以展開科研活動。科學院的情況逐漸得到改善。
亨利在1870年的科學院年會上主持修改了國家科學院章程,規定只有以開創性研究著稱的人才能當選為國家科學院院士,他還在會議上確定科學院今后的工作方向。亨利的一系列措施成功使科學院擺脫了危機。在這之后,亨利一直從事科學領導與組織工作,致力于推動美國科學的發展。
逝世
1873年,亨利打算辭去職務專心進行科學研究,但學院成員簽署的一封信阻止了他的辭職。1877年,亨利在一天早晨醒來發現右手局部有點麻痹,經過診斷發現自己患上腎臟疾病。之后亨利的身體狀況迅速惡化,他生命的最后幾個月已經停止工作。1878年4月,他再次表示,如果他的健康狀況在接下來的六個月內沒有改善,他會考慮辭職。
1878年5月13日,約瑟夫·亨利在華盛頓哥倫比亞特區去世,被安葬在華盛頓特區西北部喬治敦區的橡樹山公墓。美國政府5月16日在眾議院舉辦了追悼亨利的儀式,總統、副總統、內閣成員、史密森學會的董事和各種科學團體的代表參加這次儀式。
主要成果
強電磁鐵的制成
1828年,亨利用紗包銅線在一鐵芯上繞兩層,然后在銅線中通電,發現僅重3公斤的鐵芯竟然吸起300公斤重的鐵塊,遠遠超過一般天然四氧化三鐵的吸引力。電轉變為磁產生如此大的力量,立即吸引他繼續對電磁現象進行探討。1829年,亨利對英國發明家威廉·斯特金發明的電磁鐵進行改進,他把導線用絲綢裹起來代替史特京的裸線,使導線互相絕緣,并且在鐵塊外纏繞好幾層,使電磁鐵的吸引作用大大增強。后來他制作一個體積不大的電磁鐵,能吸起一噸重的鐵塊。電磁鐵的改進對電磁感應現象的發現和電磁電報的發明有決定意義,它大大增強感應電流的強度,使人們有機會發現感應電流的存在。
電磁感應現象
1830年8月,亨利在電磁鐵兩極中間放置一根繞有導線的條形軟鐵棒,然后把條形鐵棒上的導線接到檢流計上,形成閉合回路。他觀察到,當電磁鐵的導線接通的時候,檢流計指針向一方偏轉后回到零;當導線斷開的時候,指針向另一方偏轉后回到零。亨利發現電磁感應現象比邁克爾·法拉第的發現還早一年。但是,當時世界科學的中心在歐洲,而且亨利工作繁忙,缺少合適的實驗條件和時間,沒有及時發表實驗成果,因此,發現電磁感應現象的功勞就歸屬于及時發表成果的邁克爾·法拉第。直到1832年,亨利才發表關于電磁感應現象發現的論文。
自感現象
1832年,亨利發表《在長螺旋線中的電自感》,發現電流的自感現象。他對繞有不同長度導線的各種電磁鐵的提舉力做比較實驗。他意外發現,通有電流的線圈在短路的時候有電火花產生。1835年,亨利向美國哲學會介紹關于自感現象的進一步研究成果。他總共設計14個實驗,定性地確定了各種形狀導體的電感大小。
無線電波的傳播
1842年,亨利在實驗室里安裝一個火花隙裝置,在30多英尺處放一個線圈來接收能量,線圈和檢流計相接,形成回路。當火花隙裝置的電火花閃過的時候,和線圈相接的檢流計指針就發生偏轉。1851年,在此基礎上亨利發表了一篇關于振蕩放電和它的感應能遠距離傳輸的論文,他認為電流改變方向,能產生一系列類似于波的起伏運動,由此闡明他有關電磁在空間傳播的波動性的思想。亨利的實驗成功猜測到電磁運動的本質,但是當時的人們包括亨利自己在內,還認識不到實驗的重要性。
其他發明
亨利發明的電繼器影響了電報的發展。電報的發明者莫爾斯和查爾斯·惠斯通都采用亨利發明的繼電器。亨利把電磁鐵改換成使用絕緣導線的強力電磁鐵,用繼電器把每個備有電池的電路串聯起來,把文字信號中繼轉發出去,每當信號衰減到一定程度就被中途的繼電器加強,繼電器增加了信息傳遞的距離,成為以后實用電磁電報重要的結構。
此外,約瑟夫·亨利曾造出一臺電磁電動機,成為現代所有電動機的祖先。電動機能帶動機器,在起動、停止、安裝、拆卸等方面,都比蒸汽機來得方便。今天,電動機已成為電氣時代的標志。
主要論文
社會職務
人物評價
英國物理學家貝爾納曾評價亨利:“約瑟夫·亨利的例子是最悲催的事例之一,他的才能不在邁克爾·法拉第之下,而他卻在史密斯遜研究所虛度了大半生。”
美國科學史家萊因戈爾德曾評價亨利:“雖然亨利的這些主張為亨利同時代的大多數人費解,但是直到現在,美國科學家還在暗暗地仿效他的主張,大力支持純研究。”
英國物理學家弗萊明評價約亨利:“在杰出的研究中,法拉第和亨利的名字應當排在前面。亨利的“科學著作”很值得研究,我們不僅從中看到這位發現者所作的清晰解釋,而且看到了他持有和提出的深奧而又有獨到之處的見解。它們表明亨利早就達到了只是最近才產生影響的科學發現的水平。”
個人生活
家庭貧困
亨利家境貧困,為生計不得不中斷學業,在鐘表鋪當學徒。一天他讀到一本1808年倫敦出版的《格利戈里關于實驗科學、天文學和化學的演講集》,這是一本自然哲學的著作,第一頁上寫道:“你向空中扔一塊石頭或者射出一支箭,為什么它不是朝你給予的方向一直向前飛去?”這一下就把他迷住了。讀完這本書,亨利立即決定要獻身于科學事業,他通過刻苦自學被奧爾巴尼學院錄取。但由于家庭困難,他半工半讀才完成學業。一直持續到亨利被聘為奧爾巴尼學院數學和物理學教授,他的貧困生活才結束。
信仰宗教
亨利雖然是一位科學家,但他同時又信仰基督教。基督教所宣揚的神創說和樸素的道德觀影響著他的一生。亨利對雅威的存在深信不疑,他認為自然規律通過“神”的意志起作用,從而產生自然現象。在亨利50多年的科學生涯中,他的信仰始終沒有改變,直到去世前幾天,他仍和朋友討論關于“上帝”的問題。
人物關系
后世紀念
約瑟夫·亨利獎章
亨利獎章專門頒發給為史密森學會做出貢獻的人,通常根據董事會決議而頒發。該獎章是由費城美國造幣廠雕刻師威廉·巴伯 (William Barber)和他的兒子查爾斯·E·巴伯 (Charles E. Barber)于1878年為紀念亨利而設計的。該肖像可能是基于克拉克·米爾斯 (Clark Mills)的亨利半身像,背面的拉丁銘文取自《賀拉斯頌歌》第 24 首。上面寫著:“Incorrupta fides nudaque veritas,Quando ullum inveniet parem?”(忠誠何時才能不動搖,坦誠的真理何時才能找到與他匹敵的人?)。該獎項頒發給個人,以表彰他們對史密森學會的聲譽和發展做出的杰出服務、成就或貢獻。亨利獎章和史密森獎章具有相似的目的,但是,史密森獎章在全球范圍內承認對歷史、藝術、科學、教育等的貢獻,而亨利獎章只承認對機構的貢獻。
電感單位
亨利在1832年發表了題為《在長螺旋線中的電自感》的論文,把通電電感線圈斷路時電流增大的現象叫做自感,成為第一個發現電流自感現象的人。為紀念他,在1889年的第二屆國際電學家大會上,決定采用“亨利(H)”作為電感單位的標準單位。
約瑟夫·亨利故居
亨利1832 年來到普林斯頓大學任教,一直在這居住直到前往華盛頓哥倫比亞特區。亨利家族的五代十國人都曾住在這座房子里,家族幾代人收集和使用過物品和家具仍保留在舊居中,舊居對外開放參觀。1965 年這座房子被宣布為國家歷史地標。
約瑟夫·亨利雕像
約瑟夫·亨利紀念碑,又稱約瑟夫·亨利紀念館,是一座戶外青銅雕塑,描繪的是史密森學會首任會長約瑟夫·亨利。雕像座落在華盛頓特區的史密森尼學會大樓前。雕像于1883 年(亨利去世幾年后)落成。
參考資料 >
電話之父亞歷山大·貝爾的傳奇人生.網易.2024-04-19
Joseph Henry and Sam Parker.Princeton & Slavery.2024-04-19
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The Henry Medal | Smithsonian Institution .Smithsonian Institution .2024-04-19
The Joseph Henry House.Princetoniana Museum.2024-04-19
Professor Joseph Henry, (sculpture)..SIRIS - Smithsonian Institution Research Information System.2024-04-19