Spis treści:
- 1 Michael Faraday – jeden z pionierów elektromagnetyzmu
- 2 Michael Faraday – przyjście na świat i początek ścieżki edukacyjnej
- 3 Michael Faraday – introligator ciekawy świata
- 4 Wejście w świat nauki i naukowców
- 5 Szczęście w nieszczęściu!
- 6 Royal Institution of Great Britain – dalszy rozwój kariery Michaela Faradaya
- 7 Odkrycia naukowe na koncie Michaela Faradaya
- 8 Rok 1821: obroty elektryczne Faradaya
- 9 Rok 1823: skroplenie i zamrożenie gazów
- 10 Rok 1825: odkrycie benzenu
- 11 Rok 1831: odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej
- 12 Rok 1834: prawo elektrolizy Faradaya
- 13 Rok 1836: klatka Faradaya
- 14 Rok 1845: efekt magnetooptyczny
- 15 Rok 1845: odkrycie diamagnetyzmu
- 16 Michael Faraday – życie prywatne, dziedzictwo i upamiętnienie
Źródło obrazu okładki: https://www.thoughtco.com/michael-faraday-inventor-4059933
Odkrycia naukowe – zarówno te małe, jak i te wielkie – stały się impulsem do dalszych badań. Oczywiście za tymi odkryciami stoją konkretni ludzie! Kim był Michael Faraday i co mu zawdzięczamy?
Michael Faraday – jeden z pionierów elektromagnetyzmu
W tym artykule przedstawiamy biografię angielskiego fizyka, chemika i wynalazcy Michaela Faradaya (1791–1867) i jego najważniejsze odkrycia naukowe. Choć Michael Faraday pochodził z bardzo biednej rodziny, stał się jednym z największych naukowców w historii – jego osiągnięcia były niezwykłe w czasach, gdy nauka była zazwyczaj domeną ludzi pochodzących z zamożnych rodzin. W artykule zostaną wspomniane także inne ważne nazwiska związane z odkryciami głównego bohatera.
Michael Faraday – przyjście na świat i początek ścieżki edukacyjnej
Michael Faraday urodził się 22 września 1791 roku w okolicach Londynu w Anglii. Był trzecim dzieckiem Jamesa i Margaret Faradayów. Jego ojciec był kowalem, który zmagał się ze słabym zdrowiem fizycznym. Przed ślubem jego matka była służącą.
Rodzina żyła w biedzie. Michael Faraday uczęszczał do lokalnej szkoły do 13. roku życia, gdzie otrzymał podstawowe wykształcenie. Aby zarobić na rodzinę, zaczął pracować jako kurier w księgarni. Po roku awansował na ucznia introligatora.
Michael Faraday – introligator ciekawy świata
Michael Faraday chciał dowiedzieć się więcej o świecie – nie ograniczał się jedynie do introligatorstwa. Po ciężkiej pracy spędzał wolny czas, czytając oprawione książki, szczególnie tomy o nauce. Urzekły go zwłaszcza dwie książki: Encyklopedia Britannica (jego główne źródło wiedzy na temat elektryczności i nie tylko) oraz Rozmowy o chemii Jane Marcet (600 stron o chemii opisane w niezwykle przystępny sposób).
Michael Faraday był tak zafascynowany nauką, że zaczął wydawać część swojej skromnej pensji na odczynniki chemiczne i aparaturę laboratoryjną, aby zbadać w praktyce prawdziwość tego, co wyczytał. Gdy dowiedział się więcej o nauce, usłyszał, że znany naukowiec John Tatum zamierza wygłosić serię publicznych wykładów na temat filozofii natury (fizyki). Za udział w wykładach opłata wynosiła jednego szylinga, co przekraczało możliwości finansowe Michaela. Jego starszy brat, kowal, będąc pod wrażeniem rosnącego zainteresowania Michaela nauką, dał mu potrzebnego szylinga.
Wejście w świat nauki i naukowców
Edukacja Faradaya poszła o kolejny krok, kiedy William Dance, klient księgarni, zapytał, czy chciałby bilety na wykład sir Humphry’ego Davy’ego wykładającego w Royal Institution. Humphry Davy był jednym z najbardziej znanych naukowców na całym świecie. Faraday skorzystał z okazji i wziął udział w czterech wykładach na temat jednego z najnowszych problemów w chemii – definiowania kwasowości. Obserwował, jak Humphry Davy przeprowadza eksperymenty praktyczne. To był świat, w którym chciał żyć. Podczas wykładów notował, a potem sporządził tak wiele uzupełnień do notatek, że stworzył 300-stronicową ręcznie napisaną książkę, którą zbindował i wysłał Davy’emu w hołdzie.
W tym czasie Faraday rozpoczął bardziej wyrafinowane eksperymenty na tyłach księgarni, budując baterię elektryczną z miedzianych monet i cynkowych dysków oddzielonych wilgotnym, słonym papierem. Używał swojej baterii do rozkładania chemikaliów, takich jak siarczan magnezu. To był rodzaj chemii, który zapoczątkował Humphry Davy. W październiku 1812 roku zakończyła się praktyka Faradaya i rozpoczął on pracę jako introligator u nowego pracodawcy, którego uznał za niezbyt przyjaznego człowieka.
Szczęście w nieszczęściu!
Niedługo potem nastąpił szczęśliwy dla Faradaya wypadek. Sir Humphry Davy został ranny w eksplozji podczas nieudanego eksperymentu, przez co tymczasowo nie mógł pisać. Faradayowi udało się znaleźć pracę na kilka dni u boku Davy’ego, który był pod wrażeniem przesłanej mu książki. W końcu bycie introligatorem miało swoje zalety! Kiedy skończył się czas zastępstwa, Faraday wysłał notatkę do Davy’ego z pytaniem, czy może zostać zatrudniony jako jego asystent. Wkrótce potem jeden z asystentów laboratoryjnych Davy’ego został zwolniony za niewłaściwe postępowanie, a naukowiec wysłał wiadomość do Faradaya z pytaniem, czy chciałby objąć posadę asystenta chemicznego. Odpowiedź mogła być tylko jedna!
Royal Institution of Great Britain – dalszy rozwój kariery Michaela Faradaya
1 marca 1813 roku Faraday w wieku 21 lat rozpoczął pracę w Royal Institution of Great Britain. Jego pensja była już całkiem dobra, a do mieszkania przydzielono mu pokój na strychu Royal Institution. Jego pierwszym zadaniem jako asystenta chemicznego było przygotowywanie aparatury do eksperymentów i wykładów. Wiązało się to z pracą z chlorkiem azotu (III), materiałem wybuchowym, przez który Davy miał wypadek. Sam Faraday na krótko stracił przytomność w wyniku kolejnej eksplozji substancji, a następnie Davy został ponownie ranny, co doprowadziło do zaprzestania badań nad tym materiałem.
Po zaledwie siedmiu miesiącach pracy w Royal Institution Davy zabrał Faradaya jako swojego sekretarza w 18-miesięczną podróż po Europie. W tym czasie Faraday spotkał wielkich naukowców, takich jak André Marie Ampère i Alessandro Volta. Pod pewnymi względami wycieczka działała jak edukacja uniwersytecka, a Faraday wiele się podczas niej nauczył. Był jednak nieszczęśliwy przez większość trasy, ponieważ oprócz pracy naukowej i sekretarskiej musiał być osobistym sługą Davy’ego i jego żony, co mu się nie podobało. Żona Davy’ego odmówiła traktowania Faradaya jak równego sobie, ponieważ pochodził z rodziny niższej klasy.
Jednak w Londynie sytuacja znów zaczęła wyglądać lepiej. Instytucja Królewska odnowiła kontrakt Faradaya i podwyższyła jego pensję. Davy zaczął nawet doceniać go w artykułach naukowych, pisząc m.in. „Jestem wdzięczny panu Michaelowi Faradayowi za możliwą pomoc…”.
W 1816 w wieku 24 lat Faraday wygłosił swój pierwszy wykład na temat właściwości materii dla Miejskiego Towarzystwa Filozoficznego. W „Quarterly Journal of Science” opublikował on swój pierwszy w historii artykuł naukowy, omawiający analizę wodorotlenku wapnia. W 1821 roku w wieku 29 lat awansował na Nadinspektora Domu i Laboratorium Instytucji Królewskiej. W tym samym roku ożenił się z Sarą Barnard. Mieszkali w pokojach w Royal Institution przez większość następnych 46 lat – nie na poddaszu, ale w wygodnym apartamencie, który kiedyś zamieszkiwał sam Humphry Davy. W 1824 roku w wieku 32 lat został wybrany do Towarzystwa Królewskiego, co było dowodem uznania dla jego osiągnięć naukowych. W 1825 roku został dyrektorem Laboratorium Instytucji Królewskiej. W 1833 roku w wieku 41 lat został utytułowany profesorem chemii Fullerian w Królewskim Instytucie Wielkiej Brytanii. Pełnił tę funkcję do końca życia. W 1848 roku i ponownie w 1858 roku zaproponowano mu przewodnictwo w Towarzystwie Królewskim, ale odrzucił ofertę.
Odkrycia naukowe na koncie Michaela Faradaya
Łatwo byłoby napisać osobną książkę zawierającą najdrobniejsze szczegóły wszystkich odkryć Faradaya – zarówno w chemii, jak i w fizyce. To nie przypadek, że Albert Einstein trzymał w swoim gabinecie zdjęcia trzech naukowców: Isaaca Newtona, Jamesa Clerka Maxwella i właśnie Michaela Faradaya. Co zabawne, chociaż za życia Faradaya ludzie zaczęli używać słowa fizyk, sam Faraday nie lubił tego słowa i zawsze określał się mianem filozofa. Był człowiekiem oddanym odkrywaniu poprzez eksperymenty i słynął z tego, że nigdy nie rezygnował z pomysłów wynikających z jego naukowej intuicji. Jeśli uważał, że pomysł jest dobry, eksperymentował, zaliczając liczne niepowodzenia, dopóki nie osiągnął rezultatu, którego oczekiwał, lub dopóki fizyka nie wykazała, że jego intuicja się myli – ale w przypadku Faradaya było to rzadkie. Przyjrzyjmy się teraz przekrojowo najsłynniejszym odkryciom naukowym dokonanym przez Michaela Faradaya.
Rok 1821: obroty elektryczne Faradaya
Obroty elektryczne Faradaya były czymś na miarę O obrotach sfer niebieskich Mikołaja Kopernika! Owo doświadczenie ostatecznie doprowadziło do wynalezienia silnika elektrycznego, opartego na odkryciu Hansa Christiana Ørsteda, według którego drut przewodzący prąd elektryczny ma właściwości magnetyczne. W prądnicy Faradaya miedziany dysk obracany w polu magnetycznym magnesu stałego powodował powstawanie siły elektromotorycznej (napięcia), wywołując przepływ prądu w przewodach.
Rok 1823: skroplenie i zamrożenie gazów
W 1802 roku John Dalton wyraził przekonanie, że wszystkie gazy można skroplić przy użyciu niskich temperatur lub wysokich ciśnień. Faraday dostarczył twardych dowodów na twierdzenie Daltona, kiedy użył wysokiego ciśnienia do wyprodukowania pierwszych płynnych próbek chloru i amoniaku. Wykazanie, że amoniak można skroplić pod ciśnieniem, a następnie odparować, aby spowodować ochłodzenie, doprowadziło do powstania chłodnictwa komercyjnego. Skraplanie amoniaku było przedmiotem dalszego zainteresowania, ponieważ Faraday zauważył, że ponowne odparowanie amoniaku powodowało ochłodzenie. Zasada chłodzenia przez sztuczne parowanie została publicznie zademonstrowana przez Williama Cullena w Edynburgu w 1756 roku. Cullen użył pompy do obniżenia ciśnienia nad kolbą z eterem, powodując szybkie odparowanie eteru i ochłodzenie. Na zewnątrz kolby utworzył się lód w wyniku kontaktu wilgoci z powietrza. Znaczenie odkrycia Faradaya polegało na tym, że pokazał on, iż pompy mechaniczne mogą przekształcić gaz w temperaturze pokojowej w ciecz. Ciecz mogła następnie zostać odparowana, schładzając jej otoczenie, a powstały gaz mógł być zebrany i sprężony ponownie za pomocą pompy do cieczy, po czym cały cykl można było powtórzyć. To podstawa działania nowoczesnych lodówek, zamrażarek i chłodni. W 1862 roku Ferdinand Carré zademonstrował pierwszą na świecie komercyjną maszynę do wytwarzania lodu na Wystawie Powszechnej w Londynie. Maszyna jako chłodziwo wykorzystywała amoniak i produkowała lód z szybkością 200 kg/h.
Rok 1825: odkrycie benzenu
Historycznie benzen (C6H6) jest jedną z najważniejszych substancji w chemii organicznej zarówno w sensie praktycznym, czyli przy wytwarzaniu nowych materiałów, jak i w sensie teoretycznym – w rozumieniu wiązań chemicznych. Michael Faraday odkrył benzen w oleistej pozostałości po produkcji gazu do oświetlania latarni ulicznych w Londynie.
Rok 1831: odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej
Było to niezwykle ważne odkrycie dla przyszłości zarówno nauki, jak i technologii. Faraday odkrył, że zmienne pole magnetyczne wywołuje przepływ prądu w obwodzie elektrycznym. Na przykład przesuwanie magnesu podkowiastego po drucie wytwarza prąd elektryczny, ponieważ ruch magnesu powoduje zmienne pole magnetyczne. Wcześniej ludzie mogli wytwarzać prąd elektryczny tylko za pomocą ogniwa elektrochemicznego (baterii). Faraday wykazał, że ruch mechaniczny można zamienić w elektryczność – lub, mówiąc bardziej naukowo, energię kinetyczną można zamienić na energię elektryczną. Poruszanie magnesem powoduje przepływ prądu, co można zaobserwować, wykorzystując odpowiednio czuły amperomierz. Im silniejszy magnes, tym większy prąd.
Wciśnięcie magnesu sztabkowego w zwój drutu może generować większy prąd (tzw. wzmacniacz magnetyczny). Większość energii elektrycznej, która jest dostarczana do domów i fabryk, jest wytwarzana zgodnie z tą zasadą. Obracanie turbin w elektrowniach wodnych, wiatrowych, węglowych, gazowych i atomowych powoduje wprawienie w ruch wirnika, co wzbudza zmienne pole magnetyczne w stojanie i wytwarza napięcie elektryczne. Zwykle w kolejnym etapie dochodzi do podniesienia napięcia do poziomu sieci elektroenergetycznej przez transformator, który również działa na zasadzie indukcji Faradaya. Dotyczy to także transformatorów obniżających napięcie do poziomu napięcia odbiorcy końcowego. Na podstawie prawa Faradaya działają też przetworniki elektroakustyczne w gitarach elektrycznych i organach Hammonda, układy zapłonowe silników benzynowych i wiele innych urządzeń zawierających elementy indukcyjne.
Rok 1834: prawo elektrolizy Faradaya
Faraday był jednym z głównych naukowców tworzących nową naukę – elektrochemię, która bada zdarzenia na styku elektrod z substancjami jonowymi. Elektrochemia wyprodukowała akumulatory litowo-jonowe i akumulatory niklowo-wodorkowe zdolne do zasilania nowoczesnej technologii mobilnej. Prawa Faradaya mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia reakcji w ogniwach elektrochemicznych i elektrodach.
Rok 1836: klatka Faradaya
Faraday odkrył, że kiedy jakikolwiek przewodnik elektryczny zostaje naładowany, cały dodatkowy ładunek znajduje się na zewnątrz przewodnika. Oznacza to, że dodatkowy ładunek nie pojawia się na wewnętrznej stronie pomieszczenia lub klatki wykonanej z metalu. Taką własność wykorzystano do produkcji ubrań ochronnych przeznaczonych do pracy w agresywnych środowiskach elektromagnetycznych (np. dla elektromonterów pracujących na napowietrznych liniach elektroenergetycznych wysokich i najwyższych napięć). Ponadto w klatce Faradaya można umieścić obiekty uczestniczące w eksperymentach elektrycznych lub elektrochemicznych, aby zapobiec zakłóceniom spowodowanym przez zewnętrzne pola elektromagnetyczne, które mogłyby zafałszować wyniki eksperymentu.
Klatki Faradaya mogą również tworzyć martwe strefy dla bezprzewodowych sieci teletechnicznych – takie zjawisko można zaobserwować podczas próby wykonania połączenia telefonicznego w metalowej windzie, która nie pozwola na przejście fal radiowych. Także metalowe nadwozia samochodów działają jak klatka Faradaya – w czasie burzy karoseria ochroni przed potencjalnymi wyładowaniami atmosferycznymi.
Rok 1845: efekt magnetooptyczny
Był to kolejny ważny eksperyment w historii nauki, pierwszy, który połączył elektromagnetyzm i światło – związek ostatecznie w pełni został opisany przez równania Jamesa Clerka Maxwella w 1864 roku, które ustaliły, że światło jest falą elektromagnetyczną. Z tego względu prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya wraz z prawem Ampère’a i prawem Gaussa dla pola elektrycznego i magnetycznego stanowi o równaniach Maxwella. Faraday odkrył, że pole magnetyczne powoduje obrót płaszczyzny polaryzacji światła. Gdy przeciwne względem siebie bieguny magnetyczne znajdowały się po tej samej stronie, miały one wpływ na spolaryzowany promień światła, co dowodziło, że siła magnetyczna i światło są ze sobą powiązane.
Rok 1845: odkrycie diamagnetyzmu
Najpopularniejszym rodzajem materiałów magnetycznych są ferromagnetyki, ale Faraday odkrył, że wszystkie substancje są diamagnetyczne – większość słabo, niektóre silnie. Diamagnetyzm przeciwstawia się kierunkowi przyłożonego pola magnetycznego. Na przykład, przytrzymując północny biegun magnesu w pobliżu obiektu o właściwościach silnie diamagnetycznych, ten zostałby odepchnięty przez magnes. Diamagnetyzm w materiałach, indukowany przez bardzo silne nowoczesne magnesy, może być wykorzystany do wywołania lewitacji. Nawet żywe stworzenia, takie jak żaby, są diamagnetyczne – i mogą lewitować w silnym polu magnetycznym.
Michael Faraday – życie prywatne, dziedzictwo i upamiętnienie
Michael Faraday zmarł 25 sierpnia 1867 roku w Londynie w wieku 75 lat. Jego żona Sarah zmarła w 1879 roku. Małżeństwo pozostało bezdzietne. Przez całe swoje życie Michael Faraday był pobożnym chrześcijaninem, należącym do sandemanianów – małej sekty protestanckiej. Jego oddanie wierze i praktykom religijnym było równie wielkie, co poświęcenie karierze naukowca. Jeszcze za życia zaproponowano mu pochówek w Opactwie Westminsterskim wraz z brytyjskimi królami i królowymi oraz naukowcami na miarę Izaaka Newtona. Faraday odrzucił tę propozycję na rzecz skromniejszego miejsca spoczynku. Jego grób, w którym pochowana jest również jego żona Sarah, wciąż można zobaczyć na londyńskim cmentarzu Highgate.
Jednostka pojemności elektrycznej nosi nazwę farad na cześć nazwiska Michaela Faradaya i jest oznaczana wielką literą „F”.
