Michael Faraday (Deutsch)

Frühes Leben

Michael Faraday wurde im Dorf Newington in Surrey geboren, das heute zu Südlondon gehört. Sein Vater war ein Schmied, der 1791 aus dem Norden Englands ausgewandert war, um Arbeit zu suchen. Seine Mutter war eine Landfrau von großer Ruhe und Weisheit, die ihren Sohn in einer schwierigen Kindheit emotional unterstützte. Faraday war eines von vier Kindern, die alle schwer genug zu essen bekamen, da ihr Vater oft krank und unfähig war, stetig zu arbeiten. Faraday erinnerte sich später daran, dass er einen Laib Brot bekommen hatte, der eine Woche lang halten musste. Die Familie gehörte einer kleinen christlichen Sekte namens Sandemanians an, die Faraday zeitlebens geistlich versorgte. Es war der wichtigste Einfluss auf ihn und beeinflusste stark die Art und Weise, wie er sich der Natur näherte und sie interpretierte.

Faraday erhielt nur die Grundlagen einer Ausbildung, in der er in einer kirchlichen Sonntagsschule lesen, schreiben und chiffrieren lernte. Schon früh begann er Geld zu verdienen, indem er Zeitungen für einen Buchhändler und einen Buchbinder auslieferte, und im Alter von 14 Jahren wurde er zum Mann ausgebildet. Im Gegensatz zu den anderen Auszubildenden nutzte Faraday die Gelegenheit, um einige der Bücher zu lesen, die zum erneuten Binden gebracht wurden. Der Artikel über Elektrizität in der dritten Ausgabe der Encyclopædia Britannica faszinierte ihn besonders. Mit alten Flaschen und Schnittholz baute er einen rohen elektrostatischen Generator und führte einfache Experimente durch. Er baute auch einen schwachen Voltaikstapel, mit dem er Experimente in der Elektrochemie durchführte.

Faradays große Chance bot sich, als ihm von Sir Humphry Davy eine Eintrittskarte für chemische Vorträge an der Royal Institution of Great Britain in London angeboten wurde. Faraday ging, saß in all dem versunken, notierte die Vorträge in seinen Notizen und kehrte mit der scheinbar nicht realisierbaren Hoffnung, den Tempel der Wissenschaft zu betreten, zum Buchbinden zurück. Er schickte Davy eine gebundene Kopie seiner Notizen zusammen mit einem Brief, in dem er um eine Anstellung bat, aber es gab keine Öffnung. Davy vergaß jedoch nicht, und als einer seiner Laborassistenten wegen Schlägerei entlassen wurde, bot er Faraday einen Job an. Faraday begann als Davys Laborassistent und lernte Chemie am Ellbogen eines der größten Praktizierenden des Tages. Es wurde mit einiger Wahrheit gesagt, dass Faraday Davys größte Entdeckung war.

Als Faraday 1812 zu Davy kam, war Davy dabei, die Chemie des Tages zu revolutionieren. Antoine-Laurent Lavoisier, dem Franzosen, dem allgemein die Gründung der modernen Chemie zugeschrieben wird, hatte in den 1770er und 1780er Jahren seine Neuordnung des chemischen Wissens bewirkt, indem er auf einigen einfachen Prinzipien bestand. Unter diesen war, dass Sauerstoff ein einzigartiges Element war, da er der einzige Unterstützer der Verbrennung war und auch das Element, das allen Säuren zugrunde lag. Nachdem Davy Natrium und Kalium entdeckt hatte, indem er einen starken Strom aus einer galvanischen Batterie verwendete, um Oxide dieser Elemente zu zersetzen, wandte er sich der Zersetzung von Salzsäure zu, einer der stärksten bekannten Säuren. Die Zersetzungsprodukte waren Wasserstoff und ein grünes Gas, das die Verbrennung unterstützte und in Kombination mit Wasser eine Säure erzeugte. Davy schloss daraus, dass dieses Gas ein Element war, dem er den Namen Chlor gab, und dass in Salzsäure überhaupt kein Sauerstoff enthalten war. Die Säure war daher nicht das Ergebnis des Vorhandenseins eines säurebildenden Elements, sondern eines anderen Zustands. Was könnte dieser Zustand anderes sein als die physikalische Form des Säuremoleküls selbst? Davy schlug daher vor, dass die chemischen Eigenschaften nicht nur durch bestimmte Elemente bestimmt werden, sondern auch durch die Art und Weise, wie diese Elemente in Molekülen angeordnet sind. Als er zu dieser Ansicht kam, wurde er von einer Atomtheorie beeinflusst, die auch wichtige Konsequenzen für Faradays Denken haben sollte. Diese Theorie, die Ruggero Giuseppe Boscovich im 18. Jahrhundert vorschlug, argumentierte, dass Atome mathematische Punkte seien, die von Wechselfeldern anziehender und abstoßender Kräfte umgeben seien. Ein wahres Element umfasste einen einzelnen solchen Punkt, und chemische Elemente bestanden aus einer Anzahl solcher Punkte, über die die resultierenden Kraftfelder ziemlich kompliziert sein könnten. Aus diesen Elementen wurden wiederum Moleküle aufgebaut, und die chemischen Eigenschaften sowohl der Elemente als auch der Verbindungen waren das Ergebnis der endgültigen Kraftmuster, die Klumpen von Punktatomen umgeben. Eine Eigenschaft solcher Atome und Moleküle sollte besonders beachtet werden: Sie könnten einer erheblichen Belastung oder Spannung ausgesetzt werden, bevor die sie zusammenhaltenden „Bindungen“ aufgebrochen werden.Diese Belastungen sollten für Faradays Vorstellungen von Elektrizität von zentraler Bedeutung sein.

Faradays zweite Lehre unter Davy endete 1820. Bis dahin hatte er Chemie so gründlich gelernt wie jeder andere Lebende. Er hatte auch reichlich Gelegenheit gehabt, chemische Analysen und Labortechniken bis zur vollständigen Beherrschung zu üben, und er hatte seine theoretischen Ansichten so weit entwickelt, dass sie ihn bei seinen Forschungen leiten konnten. Es folgte eine Reihe von Entdeckungen, die die wissenschaftliche Welt in Erstaunen versetzten.

Faraday erlangte seinen frühen Ruf als Chemiker. Sein Ruf als analytischer Chemiker führte dazu, dass er als Sachverständiger in Gerichtsverfahren hinzugezogen wurde und eine Klientel aufbaute, deren Honorare zur Unterstützung der Royal Institution beitrugen. 1820 produzierte er die ersten bekannten Verbindungen von Kohlenstoff und Chlor, C2Cl6 und C2Cl4. Diese Verbindungen wurden hergestellt, indem Wasserstoff in „olefiant gas“ (Ethylen) durch Chlor ersetzt wurde, wobei die ersten Substitutionsreaktionen induziert wurden. (Solche Reaktionen würden später dazu dienen, die von Jöns Jacob Berzelius vorgeschlagene dominante Theorie der chemischen Kombination in Frage zu stellen.) 1825 als Faraday isolierte und beschrieb Benzol. In den 1820er Jahren führte er auch Untersuchungen zu Stahllegierungen durch, um die Grundlagen für die wissenschaftliche Metallurgie und Metallographie zu legen. Während er einen Auftrag der Royal Society of London zur Verbesserung der Qualität von Benzol abschloss Als optisches Glas für Teleskope stellte er ein Glas mit sehr hohem Brechungsindex her, das ihn 1845 zur Entdeckung des Diamagnetismus führen sollte. 1821 heiratete er Sarah Barnard, ließ sich dauerhaft an der Royal Institution nieder und begann mit der Erforschung von Elektrizität und Elektrizität Magnetismus, der die Physik revolutionieren sollte.

1820 hatte Hans Christian Ørsted die Entdeckung angekündigt, dass der Fluss eines elektrischen Stroms durch einen Draht ein Magnetfeld um den Draht erzeugt. André-Marie Ampère zeigte, dass die Magnetkraft anscheinend kreisförmig war und tatsächlich einen Zylinder mit Magnetismus um den Draht erzeugte. Eine solche kreisförmige Kraft war noch nie zuvor beobachtet worden, und Faraday war der erste, der verstand, was dies bedeutete. Wenn ein Magnetpol isoliert werden könnte, sollte er sich ständig in einem Kreis um einen stromführenden Draht bewegen. Faradays Einfallsreichtum und Laborkenntnisse ermöglichten es ihm, einen Apparat zu konstruieren, der diese Schlussfolgerung bestätigte. Dieses Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelte, war der erste Elektromotor.

Diese Entdeckung veranlasste Faraday, über die Natur der Elektrizität nachzudenken. Im Gegensatz zu seinen Zeitgenossen war er nicht davon überzeugt, dass Elektrizität eine materielle Flüssigkeit war, die wie Wasser durch ein Rohr durch Drähte floss. Stattdessen betrachtete er es als eine Schwingung oder Kraft, die irgendwie als Folge von Spannungen im Leiter übertragen wurde. Eines seiner ersten Experimente nach seiner Entdeckung der elektromagnetischen Rotation bestand darin, einen polarisierten Lichtstrahl durch eine Lösung zu leiten, in der eine elektrochemische Zersetzung stattfand, um die intermolekularen Dehnungen zu erfassen, von denen er glaubte, dass sie durch den Durchgang eines elektrischen Stroms erzeugt werden müssen. In den 1820er Jahren kam er immer wieder auf diese Idee zurück, aber immer ohne Ergebnis.

Im Frühjahr 1831 begann Faraday mit Charles (später Sir Charles) Wheatstone an der Theorie des Klangs zu arbeiten, einem weiteren Schwingungsphänomen . Er war besonders fasziniert von den Mustern (bekannt als Chladni-Figuren), die in leichtem Pulver auf Eisenplatten verteilt waren, als diese Platten von einem Geigenbogen in Schwingung versetzt wurden. Hier wurde die Fähigkeit einer dynamischen Ursache demonstriert, einen statischen Effekt zu erzeugen, was seiner Überzeugung nach in einem stromführenden Draht geschah. Er war noch beeindruckter von der Tatsache, dass solche Muster in einer Platte induziert werden konnten, indem eine andere in der Nähe gebeugt wurde. Eine solche akustische Induktion ist offenbar das, was hinter seinem berühmtesten Experiment steckt. Am 29. August 1831 wickelte Faraday einen dicken Eisenring auf einer Seite mit einem isolierten Draht, der an eine Batterie angeschlossen war. Dann wickelte er die gegenüberliegende Seite mit einem Draht, der an ein Galvanometer angeschlossen war. Was er erwartete war, dass eine „Welle“ erzeugt werden würde, wenn der Batteriekreis geschlossen würde und dass die Welle als Ablenkung des Galvanometers im zweiten Kreis auftreten würde. Er schloss den Primärkreis und sah zu seiner Freude und Zufriedenheit Der Galvanometer-Nadelsprung. In der Sekundärspule wurde ein Strom durch einen in der Primärspule induziert. Als er den Stromkreis öffnete, war er jedoch erstaunt zu sehen, dass das Galvanometer in die entgegengesetzte Richtung sprang. Irgendwie erzeugte das Ausschalten des Stroms auch einen induzierter Strom, gleich und entgegengesetzt zum ursprünglichen Strom, im Sekundärkreis.Dieses Phänomen veranlasste Faraday, den sogenannten „elektrotonischen“ Zustand der Teilchen im Draht vorzuschlagen, den er als Spannungszustand betrachtete. Ein Strom schien also die Entstehung eines solchen Spannungszustands oder der Zusammenbruch eines solchen Zustands zu sein Obwohl er keine experimentellen Beweise für den elektrotonischen Zustand finden konnte, gab er das Konzept nie ganz auf und es prägte den größten Teil seiner späteren Arbeit.

Im Herbst 1831 versuchte Faraday festzustellen, wie ein induzierter Zustand auftrat Strom wurde erzeugt. Sein ursprüngliches Experiment hatte einen starken Elektromagneten beinhaltet, der durch das Wickeln der Primärspule erzeugt wurde. Er versuchte nun, einen Strom unter Verwendung eines Permanentmagneten zu erzeugen. Er entdeckte, dass ein Permanentmagnet in eine Spule von hinein und aus dieser heraus bewegt wurde Draht, ein Strom wurde in der Spule induziert. Magnete waren, wie er wusste, von Kräften umgeben, die durch das einfache Mittel des Streuens von Eisenspänen auf eine darüber gehaltene Karte sichtbar gemacht werden konnten. Faraday sah die so offenbarten „Kraftlinien“ als Zeilen von Spannung im Medium, nämlich Luft, die den Magneten umgibt, und er entdeckte bald das Gesetz, das die Erzeugung elektrischer Ströme durch Magnete bestimmt: Die Größe eines Stroms war abhängig von der Anzahl der vom Leiter in Zeiteinheiten geschnittenen Kraftlinien. Er erkannte sofort, dass ein kontinuierlicher Strom erzeugt werden kann, indem eine Kupferscheibe zwischen den Polen eines starken Magneten gedreht und Leitungen vom Rand und der Mitte der Scheibe entfernt werden. Die Außenseite der Scheibe würde mehr Leitungen schneiden als die Innenseite, und somit würde ein kontinuierlicher Strom in der Schaltung erzeugt, die die Felge mit der Mitte verbindet. Dies war der erste Dynamo. Es war auch der direkte Vorfahr der Elektromotoren, denn es war nur notwendig, die Situation umzukehren, der Scheibe elektrischen Strom zuzuführen und sie drehen zu lassen.