Michael Faraday (Svenska)

Tidigt liv

Michael Faraday föddes i landsbygden Newington, Surrey, nu en del av södra London. Hans far var en smed som flyttade från norra England tidigare 1791 för att leta efter arbete. Hans mor var en landskvinna med stor lugn och visdom som stötte sin son emotionellt genom en svår barndom. Faraday var ett av fyra barn, som alla hade svårt att få nog att äta, eftersom deras far ofta var sjuk och oförmögen att arbeta stadigt. Faraday påminde sig senare om att han fick en bröd som varade i en vecka. Familjen tillhörde en liten kristen sekt, kallad Sandemanians, som gav Faraday andlig näring under hela sitt liv. Det var det enskilt viktigaste inflytandet på honom och påverkade starkt det sätt på vilket han närmade sig och tolkade naturen.

Faraday fick bara grundlagen för en utbildning, att lära sig läsa, skriva och kryptera i en kyrkans söndagsskola. I en tidig ålder började han tjäna pengar genom att leverera tidningar till en bokhandlare och bokbindare, och vid 14 års ålder lärde han sig mannen. Till skillnad från de andra lärlingarna tog Faraday tillfället i akt att läsa några av de böcker som tagits in för att binda om. Artikeln om elektricitet i den tredje upplagan av Encyclopædia Britannica fascinerade honom särskilt. Med gamla flaskor och virke gjorde han en rå elektrostatisk generator och gjorde enkla experiment. Han byggde också en svag voltaisk hög med vilken han utförde experiment inom elektrokemi.

Faradays stora möjlighet kom när han erbjöds en biljett att delta i kemiska föreläsningar av Sir Humphry Davy vid Royal Institution of Great Britain i London. Faraday gick, satt uppslagen av allt, spelade in föreläsningarna i sina anteckningar och återvände till bokbindningen med det till synes oförverkliga hoppet om att komma in i vetenskapstemplet. Han skickade en bunden kopia av sina anteckningar till Davy tillsammans med ett brev där han begärde anställning, men det fanns ingen öppning. Davy glömde emellertid inte, och när en av hans laboratorieassistenter avskedades för slagsmål, erbjöd han Faraday ett jobb. Faraday började som Davys laboratorieassistent och lärde sig kemi vid armbågen hos en av dagens största utövare. Det har med viss sanning sagts att Faraday var Davys största upptäckt.

När Faraday gick med i Davy 1812 var Davy i färd med att revolutionera dagens kemi. Antoine-Laurent Lavoisier, fransmannen som allmänt betraktas som grundare av modern kemi, hade genomfört sin omläggning av kemisk kunskap på 1770- och 1780-talet genom att insistera på några enkla principer. Bland dessa var att syre var ett unikt element, genom att det var den enda förespråkaren för förbränning och också var det element som låg till grund för alla syror. Efter att ha upptäckt natrium och kalium genom att använda en kraftig ström från ett galvaniskt batteri för att sönderdela oxider av dessa element, vände Davy sig till nedbrytningen av muriatisk (saltsyra), en av de starkaste kända syrorna. Sönderdelningsprodukterna var väte och en grön gas som stödde förbränningen och som i kombination med vatten gav en syra. Davy drog slutsatsen att denna gas var ett element som han gav namnet klor och att det inte fanns något syre i muriatsyra. Surhet var därför inte resultatet av närvaron av ett syrabildande element utan av något annat tillstånd. Vad kan detta tillstånd vara annat än den fysiska formen av själva syramolekylen? Davy föreslog alltså att kemiska egenskaper bestämdes inte av specifika element enbart utan också av sätten på vilka dessa element ordnades i molekyler. När han kom fram till denna uppfattning påverkades han av en atomteori som också skulle få viktiga konsekvenser för Faradays tanke. Denna teori, som föreslogs på 1700-talet av Ruggero Giuseppe Boscovich, hävdade att atomer var matematiska punkter omgivna av alternerande fält med attraktiva och motbjudande krafter. Ett riktigt element bestod av en enda sådan punkt, och kemiska element bestod av ett antal sådana punkter, kring vilka de resulterande kraftfälten kunde vara ganska komplicerade. Molekyler byggdes i sin tur upp av dessa element, och de kemiska egenskaperna hos både grundämnen och föreningar var resultatet av de slutliga kraftmönstren som omger klumpar av punktatomer. En egenskap hos sådana atomer och molekyler bör noteras specifikt: de kan placeras under avsevärd belastning eller spänning innan ”bindningarna” som håller dem samman bröts.Dessa stammar skulle vara centrala för Faradays idéer om elektricitet.

Faradays andra lärlingsutbildning, under Davy, upphörde 1820. Då hade han lärt sig kemi så noggrant som alla som levde. Han hade också haft goda möjligheter att öva kemiska analyser och laboratorietekniker till en fullständig behärskning, och han hade utvecklat sina teoretiska åsikter så att de kunde vägleda honom i hans forskning. Därefter följde en rad upptäckter som förvånade den vetenskapliga världen.

Faraday uppnådde sin tidiga kändis som kemist. Hans rykte som analytisk kemist ledde till att han kallades som expertvittne i juridiska rättegångar och till att bygga upp en kundkrets vars avgifter hjälpte till att stödja Royal Institution. År 1820 producerade han de första kända föreningarna av kol och klor, C2Cl6 och C2Cl4. Dessa föreningar framställdes genom att klor ersatte väte i ”olefiant gas” (eten), de första substitutionsreaktionerna som inducerades. (Sådana reaktioner skulle senare utmana den dominerande teorin om kemisk kombination föreslagen av Jöns Jacob Berzelius.) 1825, som resultat av forskning om belysning av gaser, isolerade Faraday och beskrev bensen. På 1820-talet genomförde han också undersökningar av stållegeringar och hjälpte till att lägga grunden för vetenskaplig metallurgi och metallografi. Medan han slutförde ett uppdrag från Royal Society of London för att förbättra kvaliteten på optiskt glas för teleskop, producerade han ett glas med mycket högt brytningsindex som skulle leda honom 1845 till upptäckten av diamagnetism. 1821 gifte han sig med Sarah Barnard, bosatte sig permanent vid Royal Institution och började serien med forskning om el och magnetism som skulle revolutionera fysiken.

År 1820 tillkännagav Hans Christian Ørsted upptäckten att strömmen av en elektrisk ström genom en tråd producerade ett magnetfält runt ledningen. André-Marie Ampère visade att den magnetiska kraften uppenbarligen var en cirkulär en som i själva verket producerar en magnetismcylinder runt tråden. Ingen sådan cirkulär kraft hade någonsin tidigare observerats, och Faraday var den första som förstod vad den innebar. Om en magnetpol kunde isoleras, borde den röra sig ständigt i en cirkel runt en strömförande tråd. Faradays uppfinningsrikedom och laboratoriekunskaper gjorde det möjligt för honom att konstruera en apparat som bekräftade denna slutsats. Den här enheten, som förvandlade elektrisk energi till mekanisk energi, var den första elmotorn.

Denna upptäckt ledde till att Faraday övervägde elektricitetens natur. Till skillnad från hans samtida var han inte övertygad om att elektricitet var en materialvätska som strömmade genom ledningar som vatten genom ett rör. Istället betraktade han det som en vibration eller kraft som på något sätt överfördes till följd av spänningar som skapats i ledaren. Ett av hans första experiment efter hans upptäckt av elektromagnetisk rotation var att leda en stråle av polariserat ljus genom en lösning där elektrokemisk nedbrytning ägde rum för att detektera de intermolekylära stammar som han trodde måste produceras genom passage av en elektrisk ström. Under 1820-talet kom han tillbaka till denna idé, men alltid utan resultat.

Våren 1831 började Faraday arbeta med Charles (senare Sir Charles) Wheatstone om ljudteorin, ett annat vibrationsfenomen. . Han fascinerades särskilt av mönstren (känd som Chladni-figurer) som bildades i lätt pulver som sprids på järnplattor när dessa plattor kastades i vibrationer av en fiolbåge. Här demonstrerades förmågan hos en dynamisk orsak att skapa en statisk effekt, något han var övertygad om hände i en strömförande tråd. Han blev ännu mer imponerad av det faktum att sådana mönster kunde induceras i en tallrik genom att böja en annan i närheten. Sådan akustisk induktion är tydligen det som låg bakom hans mest kända experiment. Den 29 augusti 1831 lindade Faraday en tjock järnring på ena sidan med isolerad tråd som var ansluten till ett batteri. Han lindade sedan motsatt sida med tråd ansluten till en galvanometer. Vad han förväntade sig var att en ”våg” skulle produceras när batterikretsen stängdes och att vågen skulle dyka upp som en avböjning av galvanometern i den andra kretsen. Han stängde primärkretsen och såg till sin glädje och tillfredsställelse galvanometernålhoppet. En ström hade inducerats i sekundärspolen av en i primären. När han öppnade kretsen blev han dock förvånad över att se galvanometern hoppa i motsatt riktning. På något sätt skapade också avstängning av strömmen en inducerad ström, lika och motsatt originalströmmen, i sekundärkretsen.Detta fenomen ledde till att Faraday föreslog vad han kallade det ”elektrotoniska” tillståndet för partiklar i tråden, som han betraktade som ett spänningstillstånd. En ström tycktes således vara upprättandet av ett sådant spänningstillstånd eller kollaps av ett sådant tillstånd. Även om han inte kunde hitta experimentella bevis för det elektrotoniska tillståndet övergav han aldrig helt konceptet, och det formade det mesta av hans senare arbete.

Hösten 1831 försökte Faraday bestämma hur en inducerad Strömmen producerades. Hans ursprungliga experiment hade involverat en kraftfull elektromagnet skapad genom lindningen av primärspolen. Han försökte nu skapa en ström genom att använda en permanentmagnet. Han upptäckte att när en permanentmagnet flyttades in och ut ur en spole av tråd, en ström inducerades i spolen. Magneter, visste han, var omgivna av krafter som kunde synliggöras av den enkla ändamålet att ströjärnpapprar på ett kort som hölls över dem. Faraday såg ”kraftlinjerna” avslöjades således som rader av spänning i mediet, nämligen luft, som omger magneten, och han upptäckte snart lagen som bestämmer produktionen av elektriska strömmar med magneter: storleken på en ström berodde på antalet kraftlinjer som ledaren skär i enhetstiden. Han insåg genast att en kontinuerlig ström kunde produceras genom att rotera en kopparskiva mellan polerna på en kraftfull magnet och ta bort ledningarna från skivans kant och centrum. Utsidan av skivan skulle skära fler linjer än insidan, och det skulle således produceras en kontinuerlig ström i kretsen som förbinder fälgen till centrum. Detta var den första dynamon. Det var också den direkta förfadern till elmotorer, för det var bara nödvändigt att vända situationen, att mata en elektrisk ström till skivan, för att få den att rotera.