Michael Faraday (Polski)

Wczesne życie

Michael Faraday urodził się w wiejskiej wiosce Newington w Surrey, obecnie będącej częścią południowego Londynu. Jego ojciec był kowalem, który wyemigrował z północnej Anglii wcześniej w 1791 roku w poszukiwaniu pracy. Jego matka była wiejską kobietą o wielkim spokoju i mądrości, która wspierała emocjonalnie syna w trudnym dzieciństwie. Faraday był jednym z czworga dzieci, którym wszystkim ciężko było zjeść, ponieważ ich ojciec był często chory i niezdolny do stałej pracy. Faraday wspominał później, że dostał jeden bochenek chleba, który miał mu wystarczyć na tydzień. Rodzina należała do małej chrześcijańskiej sekty o nazwie Sandemanians, która zapewniała Faradayowi duchowe pożywienie przez całe jego życie. To był najważniejszy wpływ na niego i mocno wpłynął na sposób, w jaki podchodził do natury i ją interpretował.

Faraday otrzymał tylko podstawy edukacji, nauki czytania, pisania i szyfrowania w kościelnej szkółce niedzielnej. W młodym wieku zaczął zarabiać na dostarczaniu gazet dla księgarni i introligatora, aw wieku 14 lat został uczniem tego mężczyzny. W przeciwieństwie do innych uczniów, Faraday skorzystał z okazji i przeczytał niektóre książki przyniesione do ponownego oprawy. Szczególnie zafascynował go artykuł na temat elektryczności w trzecim wydaniu Encyclopædia Britannica. Używając starych butelek i tarcicy, zrobił prymitywny generator elektrostatyczny i przeprowadził proste eksperymenty. Zbudował również słaby stos galwaniczny, na którym przeprowadzał eksperymenty w elektrochemii.

Faraday nadarzyła się wielka okazja, kiedy zaproponowano mu bilet na wykłady chemiczne, które sir Humphry Davy wygłosił w Royal Institution of Great Britain w Londynie. Faraday poszedł, siedział pochłonięty tym wszystkim, zapisywał wykłady w swoich notatkach i wrócił do oprawiania książek z pozornie nierealną nadzieją wejścia do świątyni nauki. Wysłał oprawioną kopię swoich notatek do Davyego wraz z listem z prośbą o zatrudnienie, ale nie było otwarcia. Davy nie zapomniał jednak, a gdy jeden z jego asystentów laboratoryjnych został zwolniony za bójkę, zaproponował Faradayowi pracę. Faraday zaczynał jako asystent laboratoryjny Davyego i uczył się chemii u boku jednego z największych praktyków tamtych czasów. Mówi się, z pewną dozą prawdy, że Faraday był największym odkryciem Davyego.

Kiedy Faraday dołączył do Davyego w 1812 roku, Davy był w trakcie zrewolucjonizowania chemii tamtych czasów. Antoine-Laurent Lavoisier, Francuz powszechnie uznawany za twórcę nowoczesnej chemii, dokonał zmiany swojej wiedzy chemicznej w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XVIII wieku, kładąc nacisk na kilka prostych zasad. Wśród nich był to, że tlen był unikalnym pierwiastkiem, ponieważ był jedynym czynnikiem wspomagającym spalanie, a także pierwiastkiem leżącym u podstaw wszystkich kwasów. Davy, po odkryciu sodu i potasu, wykorzystując silny prąd z baterii galwanicznej do rozkładu tlenków tych pierwiastków, przeszedł do rozkładu kwasu solnego (solnego), jednego z najsilniejszych znanych kwasów. Produktami rozkładu był wodór i zielony gaz wspomagający spalanie, który w połączeniu z wodą wytwarzał kwas. Davy doszedł do wniosku, że gaz ten był pierwiastkiem, któremu nadał nazwę chlor i że w kwasie solnym nie ma w ogóle tlenu. Dlatego kwasowość nie była wynikiem obecności pierwiastka kwasotwórczego, ale jakiegoś innego warunku. Czym innym może być ten stan, jeśli nie fizyczną formą samej cząsteczki kwasu? Davy zasugerował więc, że właściwości chemiczne nie są określane tylko przez określone pierwiastki, ale także przez sposób, w jaki te pierwiastki są ułożone w cząsteczkach. Dochodząc do tego poglądu, wpłynęła na jego teorię atomową, która miała mieć również istotne konsekwencje dla myśli Faradaya. Teoria ta, zaproponowana w XVIII wieku przez Ruggero Giuseppe Boscovicha, twierdziła, że atomy są punktami matematycznymi otoczonymi naprzemiennymi polami sił przyciągających i odpychających. Prawdziwy pierwiastek składał się z jednego takiego punktu, a pierwiastki chemiczne składały się z wielu takich punktów, co do których wypadkowe pola sił mogły być dość skomplikowane. Z kolei cząsteczki były zbudowane z tych pierwiastków, a właściwości chemiczne zarówno pierwiastków, jak i związków były wynikiem ostatecznych wzorów sił otaczających skupiska atomów punktowych. Należy szczególnie zwrócić uwagę na jedną właściwość takich atomów i cząsteczek: można je było poddać znacznemu obciążeniu lub napięciu, zanim „wiązania” utrzymujące je razem zostały zerwane.Te szczepy miały być centralnym punktem pomysłów Faradaya na temat elektryczności.

Drugi termin nauki Faradaya, pod okiem Davyego, zakończył się w 1820 roku. Do tego czasu nauczył się chemii równie dobrze, jak każdy żywy. Miał również wiele okazji do ćwiczenia analiz chemicznych i technik laboratoryjnych aż do całkowitego opanowania, a swoje poglądy teoretyczne rozwinął do tego stopnia, że mogły nim kierować w jego badaniach. Później nastąpiła seria odkryć, które zadziwiły świat naukowy.

Faraday zdobył swoją wczesną sławę jako chemik. Jego reputacja jako chemika analitycznego doprowadziła do powołania go jako biegłego sądowego w procesach sądowych i do zbudowania klienteli, której honoraria pomogły w utrzymaniu Royal Institution. W 1820 roku wyprodukował pierwsze znane związki węgla i chloru, C2Cl6 i C2Cl4. Związki te zostały wyprodukowane przez zastąpienie wodoru chlorem w „gazie olefinowym” (etylenie), co było pierwszą wywołaną reakcją substytucji (takie reakcje później podważały dominującą teorię chemicznej kombinacji zaproponowaną przez Jönsa Jacoba Berzeliusa). W wyniku badań nad gazami oświetlającymi Faraday wyodrębnił i opisał benzen. W latach dwudziestych XIX wieku prowadził również badania stopów stali, pomagając stworzyć podstawy metalurgii naukowej i metalografii. Realizując zlecenie Royal Society of London mające na celu poprawę jakości szkła optycznego do teleskopów, wyprodukował szkło o bardzo wysokim współczynniku załamania światła, które miało doprowadzić go w 1845 r. do odkrycia diamagnetyzmu. W 1821 r. poślubił Sarah Barnard, osiadł na stałe w Royal Institution i rozpoczął serię badań nad elektrycznością i magnetyzm, który miał zrewolucjonizować fizykę.

W 1820 roku Hans Christian Ørsted ogłosił odkrycie, że przepływ prądu elektrycznego przez drut wytwarza wokół niego pole magnetyczne. André-Marie Ampère wykazał, że siła magnetyczna najwyraźniej była kołowa, tworząc w efekcie wokół drutu cylinder magnetyzmu. Nigdy wcześniej nie zaobserwowano takiej okrągłej siły, a Faraday jako pierwszy zrozumiał, co to oznacza. Gdyby można było odizolować biegun magnetyczny, powinien on stale poruszać się po okręgu wokół przewodu przewodzącego prąd. Pomysłowość i umiejętności laboratoryjne Faradaya pozwoliły mu skonstruować aparat, który potwierdził ten wniosek. To urządzenie, które przetwarzało energię elektryczną w energię mechaniczną, było pierwszym silnikiem elektrycznym.

To odkrycie skłoniło Faradaya do rozważenia natury elektryczności. W przeciwieństwie do swoich współczesnych nie był przekonany, że elektryczność jest płynem materialnym, który przepływa przez przewody jak woda przez rurę. Zamiast tego myślał o tym jako o wibracjach lub sile, która została w jakiś sposób przekazana w wyniku napięć wytworzonych w przewodniku. Jednym z jego pierwszych eksperymentów po odkryciu rotacji elektromagnetycznej było przepuszczenie promienia spolaryzowanego światła przez roztwór, w którym zachodził rozkład elektrochemiczny, w celu wykrycia naprężeń międzycząsteczkowych, które według niego muszą być wytwarzane przez przepływ prądu elektrycznego. W latach dwudziestych XIX wieku wracał do tego pomysłu, ale zawsze bez rezultatu.

Wiosną 1831 roku Faraday zaczął pracować z Charlesem (później Sir Charlesem) Wheatstoneem nad teorią dźwięku, kolejnym zjawiskiem wibracyjnym. . Był szczególnie zafascynowany wzorami (znanymi jako figury Chladniego) uformowanymi w lekkim proszku rozsypanym na żelaznych płytach, gdy te płyty zostały wprawione w wibracje przez smyczek skrzypcowy. Tutaj zademonstrowano zdolność dynamicznej przyczyny do wywołania efektu statycznego, coś, co, jak był przekonany, wydarzyło się w przewodzie przewodzącym prąd. Jeszcze większe wrażenie zrobił na nim fakt, że takie wzorce można było wywołać na jednej płycie, wyginając drugą w pobliżu. Taka indukcja akustyczna najwyraźniej stała się podstawą jego najsłynniejszego eksperymentu. 29 sierpnia 1831 roku Faraday nawinął gruby żelazny pierścień z jednej strony izolowanym drutem, który był podłączony do baterii. Następnie nawinął drugą stronę przewodem podłączonym do galwanometru. Spodziewał się, że po zamknięciu obwodu baterii powstanie „fala” i że fala ta pojawi się jako odchylenie galwanometru w drugim obwodzie. Zamknął obwód pierwotny i ku jego radości i satysfakcji zobaczył skok igły galwanometru. W cewce wtórnej indukowano prąd o jeden w uzwojeniu pierwotnym. Kiedy jednak otworzył obwód, był zdumiony, widząc, jak galwanometr przeskakuje w przeciwnym kierunku. W jakiś sposób wyłączenie prądu spowodowało również prąd indukowany w obwodzie wtórnym równy i przeciwny do prądu pierwotnego.Zjawisko to skłoniło Faradaya do zaproponowania czegoś, co nazwał „elektrotonicznym” stanem cząstek w drucie, który uważał za stan napięcia. Tak więc prąd wydawał się być tworzeniem takiego stanu napięcia lub zapadaniem się takiego stanu. . Chociaż nie mógł znaleźć eksperymentalnych dowodów na stan elektrotoniczny, nigdy całkowicie nie porzucił tej koncepcji, a to ukształtowało większość jego późniejszej pracy.

Jesienią 1831 roku Faraday próbował ustalić, w jaki sposób prąd był wytwarzany. Jego pierwotny eksperyment obejmował silny elektromagnes utworzony przez uzwojenie cewki pierwotnej. Próbował teraz wytworzyć prąd za pomocą magnesu trwałego. Odkrył, że gdy magnes stały jest wprowadzany i wysuwany z cewki W cewce indukowany był prąd. Wiedział, że magnesy są otoczone siłami, które można uwidocznić przez proste spryskanie opiłków żelaza na trzymanej nad nimi karcie. Faraday zobaczył „linie siły” ujawnione w ten sposób jako linie napięcie w ośrodku, a konkretnie w powietrzu, otaczającym magnes, i wkrótce odkrył prawo określające wytwarzanie prądu elektrycznego przez magnesy: wielkość prądu była zależna od liczby linii siły przecinanych przez przewodnik w jednostce czasu. Natychmiast zdał sobie sprawę, że ciągły prąd może być wytwarzany przez obracanie miedzianego dysku między biegunami silnego magnesu i odbieranie wyprowadzeń z obręczy i środka dysku. Zewnętrzna część dysku przecięłaby więcej linii niż wewnętrzna, a zatem w obwodzie łączącym obręcz ze środkiem byłby wytwarzany ciągły prąd. To było pierwsze dynamo. Był także bezpośrednim przodkiem silników elektrycznych, ponieważ wystarczyło tylko odwrócić sytuację, dostarczyć prąd elektryczny do dysku, aby się obracał.