Michael Faraday

Vroege leven

Michael Faraday werd geboren in het plattelandsdorpje Newington, Surrey, nu een deel van Zuid-Londen. Zijn vader was een smid die eerder in 1791 vanuit het noorden van Engeland was geëmigreerd om werk te zoeken. Zijn moeder was een plattelandsvrouw van grote kalmte en wijsheid die haar zoon emotioneel ondersteunde tijdens een moeilijke jeugd. Faraday was een van de vier kinderen, die allemaal moeilijk genoeg te eten kregen, aangezien hun vader vaak ziek was en niet in staat was om gestaag te werken. Faraday herinnerde zich later dat hij een brood had gekregen dat een week lang meegaat. Het gezin behoorde tot een kleine christelijke sekte, Sandemanians genaamd, die Faraday zijn hele leven in geestelijk levensonderhoud voorzag. Het was de belangrijkste invloed op hem en had een sterke invloed op de manier waarop hij de natuur benaderde en interpreteerde.

Faraday ontving alleen de eerste beginselen van een opleiding: leren lezen, schrijven en coderen in een kerkelijke zondagsschool. Op jonge leeftijd begon hij geld te verdienen door kranten te bezorgen voor een boekhandelaar en boekbinder, en op 14-jarige leeftijd ging hij in de leer bij de man. In tegenstelling tot de andere leerlingen maakte Faraday van de gelegenheid gebruik om enkele van de boeken te lezen die waren binnengebracht om opnieuw te binden. Vooral het artikel over elektriciteit in de derde editie van de Encyclopædia Britannica fascineerde hem. Met behulp van oude flessen en hout maakte hij een ruwe elektrostatische generator en deed hij eenvoudige experimenten. Hij bouwde ook een zwakke voltaïsche stapel waarmee hij experimenten in elektrochemie uitvoerde.

Faradays grote kans deed zich voor toen hem een kaartje werd aangeboden om chemische lezingen bij te wonen van Sir Humphry Davy aan de Royal Institution of Great Britain in Londen. Faraday ging, zat er helemaal in op te gaan, nam de lezingen op in zijn aantekeningen en keerde terug naar het boekbinden met de schijnbaar onrealiseerbare hoop de tempel van de wetenschap binnen te gaan. Hij stuurde Davy een ingebonden kopie van zijn aantekeningen samen met een brief waarin hij om werk vroeg, maar er was geen opening. Davy vergat het echter niet, en toen een van zijn laboratoriumassistenten werd ontslagen wegens vechtpartijen, bood hij Faraday een baan aan. Faraday begon als Davys laboratoriumassistent en leerde scheikunde aan de elleboog van een van de grootste beoefenaars van de dag. Er is met enige waarheid gezegd dat Faraday Davys grootste ontdekking was.

Toen Faraday in 1812 bij Davy kwam, was Davy bezig met een revolutie in de chemie van de dag. Antoine-Laurent Lavoisier, de Fransman die over het algemeen de grondlegger van de moderne chemie was, had zijn herschikking van chemische kennis in de jaren 1770 en 1780 bewerkstelligd door vast te houden aan een paar eenvoudige principes. Een daarvan was dat zuurstof een uniek element was, in die zin dat het de enige aanhanger was van verbranding en ook het element was dat aan de basis lag van alle zuren. Davy, nadat hij natrium en kalium had ontdekt door een krachtige stroom van een galvanische batterij te gebruiken om oxiden van deze elementen af te breken, wendde zich tot de ontbinding van zoutzuur (zoutzuur), een van de sterkste bekende zuren. De producten van de ontleding waren waterstof en een groen gas dat de verbranding ondersteunde en dat in combinatie met water een zuur produceerde. Davy concludeerde dat dit gas een element was, waaraan hij de naam chloor gaf, en dat er helemaal geen zuurstof in zoutzuur zat. Zuurgraad was daarom niet het gevolg van de aanwezigheid van een zuurvormend element, maar van een andere aandoening. Wat zou die toestand anders kunnen zijn dan de fysieke vorm van het zuurmolecuul zelf? Davy suggereerde dus dat chemische eigenschappen niet alleen door specifieke elementen werden bepaald, maar ook door de manier waarop deze elementen in moleculen waren gerangschikt. Toen hij tot deze opvatting kwam, werd hij beïnvloed door een atoomtheorie die ook belangrijke gevolgen zou hebben voor Faradays denken. Deze theorie, in de 18e eeuw voorgesteld door Ruggero Giuseppe Boscovich, stelde dat atomen wiskundige punten waren omgeven door afwisselende velden van aantrekkingskrachten en afstotende krachten. Een echt element omvatte een enkel punt, en chemische elementen waren samengesteld uit een aantal van dergelijke punten, waarover de resulterende krachtvelden behoorlijk gecompliceerd konden zijn. Moleculen waren op hun beurt weer opgebouwd uit deze elementen, en de chemische eigenschappen van zowel elementen als verbindingen waren het resultaat van de uiteindelijke krachtpatronen rond klonten puntatomen. Een eigenschap van dergelijke atomen en moleculen moet specifiek worden opgemerkt: ze kunnen onder aanzienlijke spanning of spanning worden geplaatst voordat de “bindingen” die ze bij elkaar houden, worden verbroken.Deze spanningen zouden centraal staan in Faradays ideeën over elektriciteit.

Faradays tweede leertijd, onder Davy, kwam in 1820 tot een einde. Tegen die tijd had hij scheikunde net zo grondig geleerd als ieder ander. Hij had ook ruimschoots de gelegenheid gehad om chemische analyses en laboratoriumtechnieken te beoefenen tot het punt van volledige beheersing, en hij had zijn theoretische opvattingen zo ontwikkeld dat ze hem bij zijn onderzoek konden begeleiden. Er volgde een reeks ontdekkingen die de wetenschappelijke wereld verbaasden.

Faraday verwierf zijn vroege bekendheid als chemicus. Zijn reputatie als analytisch chemicus leidde ertoe dat hij werd opgeroepen als getuige-deskundige in rechtszaken en dat hij een cliënteel opbouwde wiens honoraria de Royal Institution hielpen ondersteunen. In 1820 produceerde hij de eerste bekende verbindingen van koolstof en chloor, C2Cl6 en C2Cl4. Deze verbindingen werden geproduceerd door chloor te vervangen door waterstof in “olefiant gas” (ethyleen), de eerste substitutiereacties die werden geïnduceerd (dergelijke reacties zouden later dienen om de dominante theorie van chemische combinatie, voorgesteld door Jöns Jacob Berzelius, aan te vechten.) In 1825, als een resultaat van onderzoek naar verlichtende gassen, isoleerde en beschreef Faraday benzeen. In de jaren 1820 deed hij ook onderzoek naar staallegeringen, waarmee hij de basis legde voor wetenschappelijke metallurgie en metallografie. Tijdens het voltooien van een opdracht van de Royal Society of London om de kwaliteit van optisch glas voor telescopen, produceerde hij een glas met een zeer hoge brekingsindex dat hem in 1845 zou leiden tot de ontdekking van diamagnetisme. In 1821 trouwde hij met Sarah Barnard, vestigde zich definitief bij de Royal Institution, en begon de reeks onderzoeken naar elektriciteit en magnetisme dat een revolutie teweeg zou brengen in de fysica.

In 1820 had Hans Christian Ørsted de ontdekking aangekondigd dat de stroom van een elektrische stroom door een draad een magnetisch veld rond de draad produceerde. André-Marie Ampère toonde aan dat de magnetische kracht kennelijk cirkelvormig was en in feite een cilinder van magnetisme rond de draad produceerde. Een dergelijke cirkelvormige kracht was nog nooit eerder waargenomen en Faraday was de eerste die begreep wat het inhield. Als een magnetische pool zou kunnen worden geïsoleerd, zou deze constant in een cirkel rond een stroomvoerende draad moeten bewegen. Faradays vindingrijkheid en laboratoriumvaardigheid stelden hem in staat een apparaat te construeren dat deze conclusie bevestigde. Dit apparaat, dat elektrische energie in mechanische energie omzet, was de eerste elektromotor.

Deze ontdekking bracht Faraday ertoe om na te denken over de aard van elektriciteit. In tegenstelling tot zijn tijdgenoten was hij er niet van overtuigd dat elektriciteit een materiële vloeistof was die door draden stroomde als water door een buis. In plaats daarvan beschouwde hij het als een trilling of kracht die op de een of andere manier werd overgedragen als gevolg van spanningen die in de geleider waren ontstaan. Een van zijn eerste experimenten na zijn ontdekking van elektromagnetische rotatie was om een straal gepolariseerd licht door een oplossing te laten gaan waarin elektrochemische ontleding plaatsvond om de intermoleculaire spanningen te detecteren waarvan hij dacht dat ze geproduceerd moesten worden door het passeren van een elektrische stroom. In de jaren 1820 kwam hij steeds weer op dit idee terug, maar altijd zonder resultaat.

In het voorjaar van 1831 begon Faraday met Charles (later Sir Charles) Wheatstone te werken aan de theorie van geluid, een ander trillingsfenomeen. . Hij was vooral gefascineerd door de patronen (bekend als Chladni-figuren) die werden gevormd in licht poeder dat op ijzeren platen werd uitgespreid toen deze platen in trilling werden gebracht door een strijkstok. Hier werd het vermogen van een dynamische oorzaak gedemonstreerd om een statisch effect te creëren, iets waarvan hij overtuigd was dat het gebeurde in een stroomvoerende draad. Hij was nog meer onder de indruk van het feit dat dergelijke patronen in de ene plaat konden worden veroorzaakt door een andere in de buurt te buigen. Dergelijke akoestische inductie is blijkbaar wat achter zijn beroemdste experiment lag. Op 29 augustus 1831 wond Faraday aan één kant een dikke ijzeren ring met geïsoleerde draad die was verbonden met een batterij. Vervolgens wikkelde hij de andere kant met draad die was verbonden met een galvanometer. Wat hij verwachtte was dat er een “golf” zou worden geproduceerd wanneer het batterijcircuit gesloten was en dat de golf zou verschijnen als een afbuiging van de galvanometer in het tweede circuit. Hij sloot het primaire circuit en zag tot zijn vreugde en voldoening de galvanometer naald sprong. Een stroom was geïnduceerd in de secundaire spoel door een in de primaire. Toen hij het circuit opende, was hij echter verbaasd om de galvanometer in de tegenovergestelde richting te zien springen. Op de een of andere manier veroorzaakte het uitschakelen van de stroom ook een geïnduceerde stroom, gelijk en tegengesteld aan de oorspronkelijke stroom, in het secundaire circuit.Dit fenomeen bracht Faraday ertoe om voor te stellen wat hij de electrotonische toestand van deeltjes in de draad noemde, die hij als een staat van spanning beschouwde. Een stroom leek dus het ontstaan van een dergelijke staat van spanning of de ineenstorting van zon toestand te zijn. Hoewel hij geen experimenteel bewijs voor de elektrotonische toestand kon vinden, heeft hij het concept nooit helemaal verlaten, en het vormde het meeste van zijn latere werk.

In de herfst van 1831 probeerde Faraday vast te stellen hoe een geïnduceerde stroom werd geproduceerd. Zijn oorspronkelijke experiment betrof een krachtige elektromagneet die werd gecreëerd door het opwikkelen van de primaire spoel. Hij probeerde nu een stroom op te wekken met behulp van een permanente magneet. Hij ontdekte dat wanneer een permanente magneet in en uit een spoel van draad, werd een stroom opgewekt in de spoel. Magneten, wist hij, waren omgeven door krachten die zichtbaar konden worden gemaakt door het simpele hulpmiddel van het strooien van ijzervijlsel op een kaart die eroverheen werd gehouden. Faraday zag de krachtlijnen aldus onthuld als regels van spanning in het medium, namelijk lucht, dat de magneet omringt, en hij ontdekte al snel de wet die de productie van elektrische stromen door magneten bepaalt: de grootte van een stroom was afhankelijk van het aantal krachtlijnen dat door de geleider in tijdseenheid werd afgesneden. Hij realiseerde zich onmiddellijk dat een continue stroom kon worden geproduceerd door een koperen schijf tussen de polen van een krachtige magneet te draaien en de draden van de rand en het midden van de schijf te halen. De buitenkant van de schijf zou meer lijnen doorsnijden dan de binnenkant, en er zou dus een continue stroom worden geproduceerd in het circuit dat de rand met het midden verbindt. Dit was de eerste dynamo. Het was ook de directe voorouder van elektromotoren, want het was alleen nodig om de situatie om te keren, een elektrische stroom naar de schijf te voeren, om deze te laten draaien.