Varhainen elämä
Michael Faraday syntyi Newingtonin kylässä Surreyssä, joka on nyt osa Etelä-Lontoota. Hänen isänsä oli seppä, joka oli muuttanut Pohjois-Englannista aiemmin vuonna 1791 etsimään työtä. Hänen äitinsä oli erittäin rauhallinen ja viisas maalaisnainen, joka tuki poikaansa emotionaalisesti vaikean lapsuuden kautta. Faraday oli yksi neljästä lapsesta, jotka kaikki olivat vaikeita saamaan tarpeeksi syötävää, koska heidän isänsä oli usein sairas ja kykenemätön työskentelemään tasaisesti. Faraday muisteli myöhemmin, että hänelle annettiin yksi leipä, jonka piti kestää häntä viikon ajan. Perhe kuului pieneen kristilliseen lahkoon, jota kutsuttiin Sandemaniansiksi, joka antoi Faradaylle hengellistä ravintoa koko elämänsä ajan. Se oli tärkein yksittäinen vaikutus häneen ja vaikutti voimakkaasti tapaan, jolla hän lähestyi ja tulkitsi luontoa.
© / Thinkstock
Faraday sai vain koulutuksen perustiedot, lukemisen, kirjoittamisen ja salauksen oppimisen kirkon sunnuntai-koulussa. Varhaisessa iässä hän alkoi ansaita rahaa toimittamalla sanomalehtiä kirjakaupalle ja sidontaan, ja 14-vuotiaana hänet opetettiin miehelle. Toisin kuin muut oppisopimusopiskelijat, Faraday käytti tilaisuutta lukea joitain kirjoista tuotuja kirjoja. Encyclopædia Britannican kolmannen painoksen sähköartikkeli kiehtoi häntä erityisesti. Vanhoja pulloja ja puutavaraa käyttäen hän valmisti raakaa sähköstaattista generaattoria ja teki yksinkertaisia kokeita. Hän rakensi myös heikon voltaattisen kasan, jolla hän teki kokeita sähkökemiassa.
Faradayn loistava tilaisuus tuli, kun hänelle tarjottiin lippu osallistua Sir Humphry Davyn kemiallisiin luentoihin Ison-Britannian kuninkaallisessa instituutiossa Lontoossa. Faraday meni, istui imeytyneenä siihen kaikkeen, kirjasi luennot muistiinpanoihinsa ja palasi kirjansidontaan näennäisesti toteutumattomana toivonaan päästä tieteen temppeliin. Hän lähetti sidotun kopion muistiinpanoistaan Davylle sekä kirjeen, jossa pyydettiin työtä, mutta aukkoa ei ollut. Davy ei kuitenkaan unohtanut, ja kun yksi hänen laboratorioapulaisistaan erotettiin räpyttelystä, hän tarjosi työpaikkaa Faradaylle. Faraday aloitti Davyn laboratorion assistenttina ja oppi kemian päivän yhden suurimman harjoittajan kyynärpäästä. On sanottu jonkin verran totuuden mukaan, että Faraday oli Davyn suurin löytö.
Kun Faraday liittyi Davyyn vuonna 1812, Davy oli mullistamassa päivän kemiaa. Antoine-Laurent Lavoisier, ranskalainen, joka yleensä tunnustaa nykyaikaisen kemian perustamisen, oli järjestänyt kemiallisen tietonsa uudelleen 1770- ja 1780-luvuilla vaatimalla muutamia yksinkertaisia periaatteita. Näiden joukossa happi oli ainutlaatuinen alkuaine siinä mielessä, että se oli ainoa palamisen tukija ja se oli myös kaikkien happojen perusta. Davy löytänyt natriumin ja kaliumin käyttämällä voimakasta virtaa galvaanisesta paristosta näiden alkuaineiden oksidien hajottamiseen, kääntyi muriatiinihapon (suolahapon) hajoamiseksi, joka on yksi vahvimmista tiedossa olevista hapoista. Hajoamistuotteet olivat vety ja vihreä kaasu, jotka tukivat palamista ja jotka yhdessä veden kanssa tuottivat happoa. Davy päätteli, että tämä kaasu oli alkuaine, jolle hän antoi nimen kloori ja että muriatiinihapossa ei ollut lainkaan happea. Happamuus ei siis johtunut happoa muodostavan alkuaineen läsnäolosta, vaan jostakin muusta tilasta. Mitä muuta tämä tila voisi olla kuin itse happomolekyylin fyysinen muoto? Davy ehdotti, että kemialliset ominaisuudet eivät määrittyneet pelkästään spesifisillä alkuaineilla, vaan myös tapoilla, joilla nämä alkuaineet on järjestetty molekyyleihin. Saavuttaessaan tämän näkemyksen häneen vaikutti atomiteoria, jolla oli myös merkittäviä seurauksia Faradayn ajatukselle. Tämä Ruggero Giuseppe Boscovichin 1700-luvulla ehdottama teoria väitti, että atomit olivat matemaattisia pisteitä, joita ympäröivät vuorottelevat houkuttelevien ja vastenmielisten voimien kentät. Todellinen elementti käsitti yhden tällaisen pisteen, ja kemialliset alkuaineet koostuivat useista sellaisista pisteistä, joiden suhteen tuloksena olevat voimakentät voisivat olla melko monimutkaisia. Molekyylit puolestaan rakennettiin näistä elementeistä, ja sekä alkuaineiden että yhdisteiden kemialliset ominaisuudet olivat seurausta lopullisista voimakuvioista, jotka ympäröivät pisteatomien paakkuja. Yksi tällaisten atomien ja molekyylien ominaisuuksista on huomattava erityisesti: ne voidaan sijoittaa huomattavaan rasitukseen tai jännitykseen, ennen kuin niitä yhdessä pitävät ”sidokset” murtuvat.Näiden kantojen oli oltava keskeisiä Faradayn sähköä koskevissa ideoissa.
Faradayn toinen oppisopimuskoulutus Davyn johdolla päättyi vuonna 1820. Siihen mennessä hän oli oppinut kemian yhtä perusteellisesti kuin kukaan elävä. Hänellä oli myös ollut runsaasti mahdollisuuksia harjoittaa kemiallisia analyysejä ja laboratoriotekniikoita täydelliseen hallintaan asti, ja hän oli kehittänyt teoreettisen näkemyksensä siihen pisteeseen, että ne voisivat ohjata häntä tutkimuksissaan. Seurasi joukko löytöjä, jotka hämmästyttivät tiedemaailmaa.
Faraday saavutti varhaisen maineensa kemistinä. Hänen maineensa analyyttisenä kemistinä johti siihen, että hänet kutsuttiin asiantuntijatodistajaksi oikeudenkäynneissä ja että rakennettiin asiakaskunta, jonka palkkiot auttoivat tukemaan Royal Institutionia. Vuonna 1820 hän tuotti ensimmäiset tunnetut hiili- ja klooriyhdisteet C2Cl6 ja C2Cl4. Nämä yhdisteet valmistettiin korvaamalla kloori vedyllä ”olefiant-kaasussa” (eteenissä), mikä aiheutti ensimmäiset substituutioreaktiot. (Tällaiset reaktiot myöhemmin haastaisivat Jöns Jacob Berzeliusin ehdottaman hallitsevan kemiallisen yhdistelmän teorian.) Vuonna 1825 Faraday eristää ja kuvasi bentseeniä valaisevien kaasujen tutkimuksen tuloksena. 1820-luvulla hän tutki myös terässeoksia ja auttoi luomaan perustan tieteelliselle metallurgialle ja metallografialle. Suoritettuaan Lontoon kuninkaallisen seuran toimeksiannon laatan parantamiseksi optinen lasi teleskooppeja varten, hän tuotti lasin, jolla oli erittäin korkea taitekerroin, jonka oli tarkoitus johtaa hänet vuonna 1845 diamagnetismin löytämiseen.Vuonna 1821 hän meni naimisiin Sarah Barnardin kanssa, asettui pysyvästi kuninkaalliseen instituutioon ja aloitti sähkö- ja magnetismi, joka muutti fysiikan.
Lontoon tiedemuseo
Vuonna 1820 Hans Christian Ørsted oli ilmoittanut havainnosta, että sähkövirta langan läpi tuotti magneettikentän langan ympärille. André-Marie Ampère osoitti, että magneettinen voima oli ilmeisesti pyöreä voima, joka tuotti käytännössä magneettisen sylinterin langan ympärille. Tällaista pyöreää voimaa ei ollut koskaan aikaisemmin havaittu, ja Faraday oli ensimmäinen, joka ymmärsi sen merkityksen. Jos magneettinapa voidaan eristää, sen tulisi liikkua jatkuvasti ympyrässä virtaa johtavan johdon ympäri. Faradayn kekseliäisyys ja laboratoriotaidot antoivat hänelle mahdollisuuden rakentaa laite, joka vahvisti tämän johtopäätöksen. Tämä laite, joka muutti sähköenergian mekaaniseksi energiaksi, oli ensimmäinen sähkömoottori.
Tämä löytö sai Faradayn miettimään sähkön luonnetta. Toisin kuin aikalaiset, hän ei ollut vakuuttunut siitä, että sähkö oli materiaalinen neste, joka virtasi lankojen läpi kuin vesi putken läpi. Sen sijaan hän ajatteli sitä tärinänä tai voimana, joka jotenkin välittyi johtimessa syntyneiden jännitteiden seurauksena. Yksi hänen ensimmäisistä kokeistaan sähkömagneettisen pyörimisen löytämisen jälkeen oli polarisoidun valonsäteen kuljettaminen liuoksen läpi, jossa sähkökemiallista hajoamista tapahtui, molekyylien välisten kantojen havaitsemiseksi, joiden hänen mielestään on tuotettava sähkövirran kulkemisen kautta. 1820-luvulla hän jatkoi palaamista tähän ajatukseen, mutta aina ilman tulosta.
Keväällä 1831 Faraday alkoi työskennellä Charles (myöhemmin Sir Charles) Wheatstonen kanssa ääniteoriassa, joka on toinen värähtelyilmiö . Häntä kiehtoivat erityisesti kuviot (tunnetaan nimellä Chladni-hahmot), jotka muodostuivat kevyestä jauheesta, joka levitettiin rautalevyille, kun nämä levyt heittivät viulun jousi tärisemään. Tässä osoitettiin dynaamisen syyn kyky luoda staattinen vaikutus, mikä hän oli vakuuttunut tapahtuneen virtaa johtavassa johtimessa. Häneen vaikutti vieläkin enemmän se tosiasia, että tällaiset kuviot voidaan indusoida yhdessä levyssä kumartamalla toista lähellä. Tällainen akustinen induktio on ilmeisesti se, mikä oli hänen kuuluisimman kokeilunsa takana. Faraday kääri 29. elokuuta 1831 toisella puolella paksu rautarengas eristetyllä langalla, joka oli kytketty akkuun. Sitten hän kääri vastakkaisen puolen galvanometriin liitetyllä johdolla. Hän odotti, että ”aalto” syntyy, kun paristopiiri suljetaan ja että aalto näkyy galvanometrin taipumana toisessa piirissä. Hän sulki ensiöpiirin ja iloksi ja tyydytykseksi näki galvaanimittarin neulan hyppy. Virta oli aiheuttanut toissijaisessa kelassa yhden ensisijaisen. Kun hän avasi piirin, hän oli hämmästynyt nähdessään galvanometrin hyppäämisen vastakkaiseen suuntaan. Jotenkin virran sammuttaminen loi myös indusoitu virta, yhtä suuri ja päinvastainen kuin alkuperäinen virta, toisiopiirissä.Tämä ilmiö sai Faradayn ehdottamaan sitä, mitä hän kutsui langassa olevien hiukkasten ”elektrotoniseksi” tilaksi, jota hän piti jännitystilana. Virta näytti siten olevan tällaisen jännitetilan luominen tai tällaisen tilan romahtaminen. Vaikka hän ei löytänyt kokeellisia todisteita elektrotonisesta tilasta, hän ei koskaan luopunut täysin käsitteestä, ja se muovasi suurimman osan hänen myöhemmästä työstään.
Syksyllä 1831 Faraday yritti selvittää, miten indusoitu virtaa tuotettiin. Hänen alkuperäiseen kokeiluunsa oli liittynyt voimakas sähkömagneetti, joka syntyi pääkäämin käämityksellä. Hän yritti nyt luoda virran kestomagneettia käyttäen. Hän huomasi, että kun kestomagneettia siirrettiin sisään ja ulos kelasta johdin, kelaan indusoitui virta. Hän tiesi magneettien olevan voimien ympäröimä, jotka saatiin näkyviin yksinkertaisen tarkoituksen avulla ripotella rautahilkkuja kortille, joka pidettiin niiden päällä. Faraday näki ”voimajohdot” paljastuvan linjat magneettia ympäröivän väliaineen, nimittäin ilman, jännitys, ja hän löysi pian lain, joka määrää magneettien sähkövirran tuotannon: virran suuruus riippui johtimen leikkaamien voimajohtojen lukumäärästä yksikössä. Hän huomasi heti, että jatkuva virta voidaan tuottaa kiertämällä kuparilevyä voimakkaan magneetin napojen välillä ja ottamalla johtimet levyn reunasta ja keskiosasta. Levyn ulkopinta leikkaisi enemmän viivoja kuin sisäpuoli, ja siten piirissä olisi jatkuva virta, joka yhdistää vanteen keskustaan. Tämä oli ensimmäinen dynamo. Se oli myös sähkömoottoreiden suora esi-isä, sillä oli vain tarpeen kääntää tilanne, syöttää sähkövirta levylle, jotta se pyörii.