Faraday και ηλεκτρομαγνητισμός

Το 1791, ο Ιταλός ανατόμος Λουίτζι Γκαλβάνι (1737-98) ανακάλυψε κατά λάθος ότι οι μύες ενός βατράχου που είχε τεμαχιστεί συστέλλονταν αν τους ακουμπούσαν ταυτόχρονα ορείχαλκο και σιδερένιο καθετήρα. Ο Ιταλός φυσικός Alessandro Volta (1745-1827) απέδωσε αυτό το φαινόμενο στην επαφή δύο ανόμοιων μετάλλων.

Το 1800, σε μια επιστολή προς τον Πρόεδρο της Βασιλικής Εταιρείας, Τζόζεφ Μπανκς (1743-1820), ο Βόλτα ανακοίνωσε τη δημιουργία μιας συσκευής ικανής να παράγει συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό ήταν το λεγόμενο Ένας «βολταϊκός πόλος» που αποτελείται από εναλλασσόμενους δίσκους ψευδαργύρου και χαλκού που χωρίζονται από διαχωριστικά από χαρτόνι εμποτισμένα σε αλμυρό νερό.

Οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν αμέσως τη σημασία αυτής της εφεύρεσης. Σύντομα ο Άγγλος Humphrey Davy (1778-1829) ανέπτυξε μια πιο ισχυρή «κολόνα» που ονομάζεται γαλβανική μπαταρία, η οποία του επέτρεψε να απομονώσει για πρώτη φορά μια σειρά από χημικά στοιχεία: νάτριο, κάλιο, μαγνήσιο, ασβέστιο, στρόντιο και βάριο. Το 1813, ο Ντέιβι δέχτηκε έναν νεαρό άνδρα ονόματι Μάικλ Φαραντέι ως βοηθό στο Βασιλικό Ίδρυμα.

Ο Faraday, γιος ενός φτωχού σιδηρουργού, γεννήθηκε στις 22 Σεπτεμβρίου 1791 στο Newington του Surrey.Κατάφερε να πάρει μόνο πρωτοβάθμια εκπαίδευση και σε ηλικία 14 ετών μαθήτευσε σε έναν από τους βιβλιοδέτες του Λονδίνου. Το επάγγελμα του βιβλιοδέτη έδωσε στον νεαρό την ευκαιρία να διαβάσει βιβλία περνώντας από τα χέρια του. Ο Faraday εντυπωσιάστηκε ιδιαίτερα από το άρθρο για τον ηλεκτρισμό στην Εγκυκλοπαίδεια Britannica. Το 1810 εντάχθηκε στη φιλοσοφική κοινωνία της πόλης, η οποία του επέτρεψε να ακούει διαλέξεις και να διεξάγει πειράματα.

Όταν τελείωσε η μαθητεία του το 1812, ο Faraday εγκατέλειψε την καριέρα του ως βιβλιοδέτης. Ο Ντέιβι, ο οποίος ήταν προσωρινά τυφλός ως αποτέλεσμα μιας έκρηξης στο εργαστήριο, τον έκανε βοηθό του. Το 1813-15 Ο Ντέιβι τον πήγε σε ένα ταξίδι στη Γαλλία και την Ιταλία, όπου συνάντησαν πολλούς επιφανείς επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένων των Βόλτα και Αμπέρ.

Ηλεκτρισμός και μαγνητισμός

Το 1820, ο Δανός φυσικός Hans Oersted (1777-1851) ανακάλυψε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα που διέρρεε ένα σύρμα παρέσυρε μια βελόνα πυξίδας. Αυτή η ανακάλυψη προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρον και σύντομα στο Παρίσι ο Andre Ampere (1775-1836), βλέποντας μια επίδειξη αυτού του πειράματος που διεξήχθη από τον συμπατριώτη του François Arago (1786-1853), άρχισε να δημιουργεί μια θεμελιώδη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού.

Ο Ampere βρήκε ότι τα καλώδια που μεταφέρουν ρεύματα προς την ίδια κατεύθυνση έλκονται, τα καλώδια που φέρουν αντίθετα ρεύματα απωθούνται και ένα πηνίο σύρματος μέσω του οποίου ρέει το ρεύμα (το αποκαλεί σωληνοειδές) συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης. Πρότεινε επίσης τη χρήση της εκτροπής μιας κοντινής μαγνητικής βελόνας για τη μέτρηση του μεγέθους του ρεύματος - μια ιδέα που οδήγησε σύντομα στην εφεύρεση του γαλβανόμετρου.

Εκείνη την εποχή, ο Faraday εξέφρασε την ιδέα ότι σχηματίζονται κλειστές γραμμές δύναμης γύρω από έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα. Τον Οκτώβριο του 1821δημιουργεί μια συσκευή που δείχνει την περιστροφή ενός μαγνήτη γύρω από ένα καλώδιο που μεταφέρει ρεύμα ή ένα καλώδιο γύρω από έναν σταθερό μαγνήτη. Αυτή ήταν η πρώτη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική.

Τρέχουσα γενιά
Χωρίς να σταματήσει τη χημική έρευνα, ο Faraday ανακάλυψε πώς θα μπορούσε να δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο. Έκανε αυτή την ανακάλυψη τον Αύγουστο του 1831 σχεδόν τυχαία.

Προσπαθώντας να ανακαλύψει τη σχέση μεταξύ ενός μαγνητικού πεδίου και ενός ηλεκτρικού ρεύματος, τύλιξε δύο πηνία γύρω από μια σιδερένια ράβδο, στη συνέχεια συνέδεσε το ένα από αυτά σε μια μπαταρία για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο και έκλεισε το άλλο μέσω ενός γαλβανόμετρου. Ενώ έρεε ρεύμα το πρώτο πηνίο, τίποτα δεν συνέβη, αλλά ο Faraday παρατήρησε ότι η βελόνα του γαλβανόμετρου συσπάστηκε τη στιγμή που το ρεύμα εμφανίστηκε ή εξαφανίστηκε στο πρώτο πηνίο. Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το ρεύμα προκαλεί αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο.

Το 1824, ο Arago παρατήρησε ότι η περιστροφή του χάλκινου δίσκου παρέσυρε τη βελόνα της πυξίδας που βρισκόταν από πάνω του. Ο λόγος αυτής της επίδρασης δεν ήταν γνωστός. Ο Faraday πίστευε ότι η περιστροφή του δίσκου σε ένα μαγνητικό πεδίο προκαλούσε τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος σε αυτόν, το οποίο με τη σειρά του δημιούργησε ένα μαγνητικό πεδίο που εκτρέπει τη βελόνα.

Τον Οκτώβριο του 1831, κατασκεύασε μια παρόμοια συσκευή στην οποία ένας χάλκινος δίσκος περιστρεφόταν ανάμεσα στους πόλους ενός μαγνήτη πετάλου.

Το κέντρο και η άκρη του δίσκου συνδέθηκαν με ένα γαλβανόμετρο που έδειχνε τη ροή συνεχούς ρεύματος. Τρεις μήνες μετά από αυτή την ανακάλυψη, ο Faraday εφηύρε έναν μετασχηματιστή και μια ηλεκτρική γεννήτρια, ο σχεδιασμός των οποίων δεν έχει αλλάξει ριζικά μέχρι σήμερα.

Νόμοι της ηλεκτρόλυσης

Ο Faraday μπόρεσε να εφαρμόσει τις γνώσεις του για τον ηλεκτρισμό στη χημεία διατυπώνοντας τους βασικούς νόμους της ηλεκτρόλυσης.Εισήγαγε τους όρους «άνοδος», «κάθοδος», «κατιόν», «ηλεκτρόδιο» και «ηλεκτρολύτης» στην επιστημονική χρήση. Αφού μελέτησε τις ηλεκτροστατικές εκκενώσεις, έδειξε ότι αντιπροσωπεύουν ένα βραχύβιο ηλεκτρικό ρεύμα.

Το 1839, η υγεία του Faraday επιδεινώθηκε και σταμάτησε την ερευνητική εργασία, αλλά το 1845 την επανέλαβε, ενδιαφερόμενος για την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου στο πολωμένο φως. Ανακάλυψε ότι ένας ισχυρός ηλεκτρομαγνήτης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την περιστροφή του επιπέδου πόλωσης. Αυτό τον οδήγησε να δημιουργήσει την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του φωτός, η οποία αργότερα διατυπώθηκε σε μαθηματική μορφή από τον James Clerk Maxwell (1831-79).

Ο Faraday σταμάτησε να εργάζεται στο Βασιλικό Ίδρυμα το 1862, μετά από το οποίο έζησε απομονωμένος στα δωμάτια που του παραχώρησε η βασίλισσα Βικτώρια στο παλάτι του Hampton Court, όπου πέθανε στις 25 Αυγούστου 1867.