Michael Faraday ... ένας μεγάλος πειραματιστής

Σαν σήμερα, στις 22 Σεπτεμβρίου του 1791, γεννήθηκε ένας Άγγλος που έμελλε να γίνει ο μεγαλύτερος πειραματικός επιστήμονας, φυσικός και χημικός. 

Προσωπογραφία του Faraday. Χαρακτική σε  ξύλο

 

Michael Faraday  

(1791-1867)

 

Ο Faraday αποτελεί μια ιδιαίτερη περίπτωση στην ιστορία της Σύγχρονης Επιστήμης.

Πρόκειται για έναν -κατά γενική ομολογία- σπουδαίο ερευνητή, που όμως αγνοούσε την μαθηματική γλώσσα της επιστήμης του. Το σοβαρό αυτό μειονέκτημα και η αδυναμία του να εκτελεί αφαιρετικές διαδικασίες, αντισταθμίζονταν από την πλούσια φαντασία του και μία εξαιρετική αντίληψη του χώρου.  

Αυτοδίδακτος μια και σταμάτησε για οικονομικούς λόγους το σχολείο, άρχισε σε ηλικία 13 ετών να εργάζεται σ' ένα βιβλιοδετείο όπου είχε την ευκαιρία να διαβάζει πολλά βιβλία. Χάρις στη φιλομάθειά του και τη συστηματικότητά του έγινε το 1812  βοηθός του Humphry Davy  στο Βασιλικό Ίδρυμα του Λονδίνου όπου και παρέμεινε για σαράντα χρόνια, διαδεχόμενος κάποια στιγμή το δάσκαλό του στη διεύθυνσή του. Ως βοηθός    του Davy γνώρισε τους περισσότερους φυσικούς της εποχής του.

 

Πορτρέτο του Michael Faraday από τον Thomas Phillips, 1842

 

Το 1821 ο επιστημονικός επιμελητής του περιοδικού Χρονικά Φιλοσοφίας - "Annals of Philosophy" ζήτησε από τον Faraday  να συντάξει μια επισκόπηση των πειραμάτων και των θεωριών του ηλεκτρομαγνητισμού που ακολούθησαν την ανακάλυψη του Oersted που είχε γίνει ένα χρόνο νωρίτερα. 

Ο Faraday που δεν ήταν ακόμη γνωστός στους επιστημονικούς κύκλους της εποχής, ενδιαφέρθηκε  ιδιαιτέρως για το ζήτημα. Έτσι άρχισε η ενασχόλησή του με τον ηλεκτρομαγνητισμό η οποία διήρκησε μέχρι το 1839. Σήμερα, θεωρείται ο μεγαλύτερος πειραματικός φυσικός όλων των εποχών και ένας από τους θεμελιωτές των σύγχρονων αντιλήψεων για το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. 

 

 

Ο πρώτος κινητήρας του Faraday. Σκίτσο από το βιβλίο του  Faraday  Experimental Researches in Electricity, 1844

 

 

Το 1821 ο Faraday επινόησε μια απλή συσκευή στην οποία ένα ηλεκτροφόρο σύρμα περιστρεφόταν γύρω από έναν μαγνητικό πόλο και η μια άκρη του ήταν βυθισμένη σε μια λεκάνη με υδράργυρο. Όταν στο σύρμα διοχετεύτηκε ηλεκτρικό  ρεύμα, το μαγνητικό πεδίο ασκώντας του δύναμη, το ανάγκαζε να περιστραφεί γύρω από το μαγνήτη.

Διέκοψε τη σύνδεση του ρεύματος και η κίνηση σταμάτησε· την αποκατέστησε και η κίνηση... ξανάρχισε. Είχε τεθεί σε λειτουργία ο πρώτος ηλεκτρικός κινητήρας.

 

 

 

   Από τότε που ο Oersted απέδειξε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να παράγει μαγνητικά φαινόμενα, ο Faraday είχε σκεφτεί ότι πρέπει να ισχύει και το αντίστροφο, δηλαδή ένας μαγνήτης να παράγει ηλεκτρικά φαινόμενα. Η πορεία προς τη μεγάλη ανακάλυψη, ήταν μακρόχρονη και  βασανιστική. Στα ημερολόγιά του – που κυκλοφόρησαν στην Αγγλία πριν από μερικά  χρόνια- διαβάζουμε  για τις επινοήσεις του, για τις περιγραφές των δικών του νέων κατασκευών και   για τις επαναλήψεις των πειραμάτων του και μας εντυπωσιάζει  η υπομονή του και η πίστη που τον διακρίνει μολονότι  κάθε φορά  καταλήγει στο μονότονο "πάλι δεν έγινε τίποτα".  Ύστερα από δέκα χρόνια αποτυχημένων προσπαθειών, τελικά κατάφερε να μετατραπεί ο μαγνητισμός σε ηλεκτρισμό  όπως είχε σημειώσει το 1822 στο ημερολόγιό του. H ημερομηνία της 29ης Αυγούστου 1831 είναι η πιο σημαδιακή για τις προσπάθειες του Άγγλου πειραματιστή και διευθυντή πλέον του εργαστηρίου του Βασιλικού Ιδρύματος.

Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποίησε ήταν απλή: είχε τυλίξει δύο σπείρες σύρματος αντιδιαμετρικά, σε έναν δακτύλιο από μαλακό σίδηρο (επαγωγικός δακτύλιος του Faraday).  Διοχετεύοντας ηλεκτρικό ρεύμα στο ένα από τα δύο σύρματα, διαπίστωσε ότι και στο άλλο σύρμα εμφανίζεται ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά μόνο όταν το ρεύμα στο πρώτο σύρμα ξεκινά ή διακόπτεται.

Θεωρώντας ότι το ηλεκτρικό ρεύμα "επάγεται" στο δεύτερο σύρμα, η ονομασία που αποδόθηκε στο φαινόμενο ήταν "ηλεκτρομαγνητική επαγωγή" - electromagnetic induction.

Το πείραμα του Faraday που δείχνει το φαινόμενο της επαγωγής μεταξύ των πηνίων.  Όταν το μικρό πηνίο (Α) κινείται μέσα ή έξω από το μεγάλο πηνίο (Β) , δημιουργείται ένα ρεύμα το οποίο ανιχνεύεται από το γαλβανόμετρο (G). Χαρακτικό από το βιβλίο "Magnetism and Electricity: A Manual for Students in Advanced Classes" (1892).

  Ο Faraday δεν βιάστηκε να ανακοινώσει το εύρημά του, αλλά συνέχισε την έρευνα πραγματοποιώντας πολλά πειράματα στα οποία υπήρχε μια πηγή μαγνητικού πεδίου, είτε μαγνήτης, είτε ρευματοφόρο πλαίσιο.

Πολύ σύντομα, κατέληξε σε δύο σημαντικά συμπεράσματα: Πρώτον, η ύπαρξη του σιδερένιου πυρήνα δεν είναι απαραίτητη για να παρατηρηθεί το φαινόμενο. Δεύτερον, το ρόλο του πρώτου σύρματος μπορούσε να παίξει ένας απλός μαγνήτης. Το συμπέρασμα αυτό σηματοδοτούσε τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος από μαγνήτη δηλαδή τη μετάβαση από το μαγνητισμό στον ηλεκτρισμό.

Σε λίγες μόνο εβδομάδες ο Faraday ολοκλήρωσε την ποιοτική περιγραφή της ολοκαίνουριας, σπουδαίας φυσικής έννοιας: της Ηλεκτρομαγνητικής Επαγωγής. Η πρώτη γραπτή αποτύπωση για το θέμα αυτό, παραδόθηκε στην Βασιλική Εταιρεία, στις 21 Νοεμβρίου 1831, με τίτλο "Experimental Researches in Electricity".

Στη συνέχεια, ο Faraday αναζητώντας τους νόμους στους οποίους υπακούει το φαινόμενο, διατύπωσε και τον ομώνυμο νόμο της επαγωγής. (Νόμος του Faraday).

Την ανακάλυψη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής που ήταν πλέον πραγματικότητα, ακολούθησε εκείνη της πρώτης ηλεκτρογεννήτριας (δίσκος του  Faraday). Ήταν αναποτελεσματική, αλλά έδειξε τη δυνατότητα παραγωγής ενέργειας από το μαγνητικό πεδίο.

Ο δίσκος περιστρέφεται ανάμεσα στους πόλους ενός  πεταλοειδή μαγνήτη  και δημιουργείται μικρή συνεχής τάση. Χαρακτικό από το βιβλίο των Émile Alglave & J. Boulard (1884) "The Electric Light: Its History, Production, and Applications"

 

Ο Faraday ήταν εκείνος που πρώτος διαπιστώνει τη δεξιόστροφη φορά του Μαγνητικού πεδίου σε σχέση με τη φορά του ρεύματος που το παράγει ενώ  επινόησε και τον μετασχηματιστή. ( Ο επαγωγικός δακτύλιος του Faraday με τα δύο ανεξάρτητα πηνία ήταν ο πρώτος μετασχηματιστής).

Μία από τις σημαντικότερες συνεισφορές του στον Ηλεκτρομαγνητισμό ήταν η σύλληψη της ιδέας του "Πεδίου Δυνάμεων", που γεννήθηκε με την προσεκτική παρατήρηση της διάταξης των ρινισμάτων σιδήρου, υπό την επίδραση Μαγνητικού Πεδίου. Οι απόψεις του για το θέμα, συχνά πλησιάζουν τις σύγχρονες αντιλήψεις.

Ο Faraday  δούλεψε και σε φαινόμενα στατικού ηλεκτρισμού. Απέδειξε την "Αρχή Διατήρησης του Φορτίου"  και διαπίστωσε ότι κάθε υλικό χαρακτηρίζεται από τη δική του επαγωγική ικανότητα. Επίσης, έδειξε ότι κατά τη φόρτιση ενός αγωγού το ηλεκτρικό φορτίο κατανέμεται στην εξωτερική επιφάνεια. Με άλλα λόγια, οτιδήποτε βρισκόταν στο εσωτερικό του αγωγού δεν επηρεάζονταν από το ηλεκτρικό φορτίο και οι καλοί αγωγοί σχηματίζουν στο εσωτερικό τους ασπίδα  έναντι των ηλεκτρικών αλληλεπιδράσεων. Έτσι δημιούργησε τον γνωστό "Κλωβό του Φαραντέι"- Faraday cage.

Ο Faraday στο εργαστήριό του στο Βασιλικό Ίδρυμα ( Royal Institution of Great Britain). Ελαιογραφία της Harriet Jane Moore, 1850s

 Δεν ασχολήθηκε μόνο με το πεδίο της Φυσικής. 

 

Σημαντικές ερευνητικές επιτυχίες είχε και στη Χημεία.

Κατάφερε να υγροποιήσει το Χλώριο και άλλα αέρια, να παράγει βενζόλιο, να δημιουργήσει για πρώτη φορά στο εργαστήριο θερμοκρασία μικρότερη των (-15) βαθμών Κελσίου ενώ επινόησε την έννοια του αριθμού οξείδωσης των χημικών στοιχείων. 
Σπουδαία ήταν η δουλειά του στην ηλεκτρόλυση  όπου και ανακάλυψε τους νόμους της ηλεκτρόλυσης το 1832. Είναι επίσης  και αυτός που καθιέρωσε τους όρους "ηλεκτρόδιο", "ηλεκτρολύτης","ανιόν", "κατιόν", "άνοδος","κάθοδος. 

  

Ξεχωριστή θέση στις δραστηριότητες του Faraday στο Βασιλικό Ίδρυμα του Λονδίνου κατέχει μία σειρά από επιτυχημένες διαλέξεις χημείας και φυσικής. Οι διαλέξεις αυτές συνέβαλαν στην εκλαΐκευση της επιστήμης καθώς η ικανότητά του να παρουσιάζει με γλαφυρό τρόπο σύνθετες έννοιες ήταν παροιμιώδης. Μέχρι τις μέρες μας, μία σειρά διαλέξεων δίνεται κάθε Χριστούγεννα στο Βασιλικό Ίδρυμα, οι οποίες φέρουν το όνομα του.

 

Ο Michael Faraday δίνει διάλεξη στο  Royal Institution του Λονδίνου τα 

Χριστούγεννα του 1856, πίνακας του Alexander Blaikley

Ο Faraday, δεξιοτέχνης του πειράματος, καθ’ όλη τη διάρκεια της επιστημονικής του πορείας υποστήριζε πάντα τη δύναμη και την αλήθεια του πειράματος.

Η μεγάλη του ανακάλυψη -η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή - το 1831, σήμαινε ότι οι άνθρωποι βρήκαν επιτέλους τον τρόπο να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα άφθονο αλλά δημιούργησε και τη δυνατότητα, κάποτε στο επερχόμενο μέλλον,  να μεταφέρουν το αγαθό με καλώδια από τον τόπο της παραγωγής στην περιοχή της κατανάλωσης.

Ήταν η μεγαλύτερη ίσως ανακάλυψη του 19ου αιώνα, ένα γεγονός που έβαλε τον θεμέλιο λίθο της ηλεκτρικής βιομηχανίας του μέλλοντος και πέτυχε να  αλλάξει τη ζωή των ανθρώπων και να επηρεάσει ακόμα και τη νοοτροπία τους.

Λέγετε ότι όταν τον ρώτησε ένας πολιτικός πόσο χρήσιμες είναι οι ανακαλύψεις του, ο Faraday απάντησε: "Προς το παρόν δε γνωρίζω, αλλά μια μέρα θα μπορέσετε να τις φορολογήσετε!..."