Μάικλ Φαραντέι

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

O Μάικλ Φαραντέι

Ο Μάικλ Φαραντέι (22 Σεπτεμβρίου 1791 – 25 Αυγούστου 1867) ήταν ένας Άγγλος επιστήμονας με σημαντική συμβολή στην εξέλιξη του ηλεκτρομαγνητισμού και της ηλεκτροχημείας.

Ο Φαραντέι θεωρείται ένας από τους κορυφαίους επιστήμονες που η ανθρωπότητα έχει αναδείξει. Κατέχει ξεχωριστή θέση (την πρώτη για αρκετούς ιστορικούς της επιστήμης) όσον αφορά το πειραματικό κομμάτι των φυσικών επιστημών, καθώς ήταν ιδιαίτερα παραγωγικός όσον αφορά στην επινόηση, το σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός μεγάλου πλήθους πειραμάτων.

Μέσα στις εφευρέσεις του συμπεριλαμβάνεται η πρώτη έκδοση της συσκευής που αργότερα θα γινόταν γνωστή ως λυχνία Bunsen και η οποία χρησιμοποιείται παγκοσμίως σε εργαστήρια επιστημών ως μία αρκετά αποδοτική πηγή θερμότητας. Είναι επίσης γνωστός για τις εργασίες που πραγματοποίησε πάνω στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, των οποίων αποτέλεσμα είναι ο νόμος που περιγράφει το φαινόμενο και φέρει το όνομα του. Η μονάδα μέτρησης τηςχωρητικότητας στο SI, φέρει προς τιμήν του την ονομασία farad^[1].

Ο Φαραντέι γεννήθηκε το 1791 στο Σάρεϋ, στο νότιο Λονδίνο. ήταν γόνος οικογένειας που ανήκε στην εργατική τάξη της εποχής (ο πατέρας του ήταν σιδεράς). Ακολουθώντας τη μοίρα όλων των παιδιών της κοινωνικής του τάξης, έλαβε ελάχιστη μόρφωση. Σε ηλικία 14 ετών ξεκίνησε να δουλεύει ως βοηθός ενός βιβλιοδέτη της περιοχής, θέση την οποία διατήρησε για 7 χρόνια.Όπως διηγούνταν σε ένα φίλο του αργότερα στο Λονδίνο του 1810 η βιβλιοδεσία είχε ένα πλεονέκτημα: υπήρχαν πολλά βιβλία και τα διάβαζε. Κατά περιόδους, περνούσε μόνος τα απογεύματα κάτω από το φως των κεριών ή της λάμπας, διαβάζοντας δεμένα φύλλα των δεκαέξι ή τριάντα δυο σελίδων.  Με αυτό το τρόπο ενημερώθηκε εκτενώς για τις εξέλιξης της εποχής στους τομείς της φυσικής και της χημείας. Παράλληλα, ξεκίνησε να εκτελεί απλά πειράματα: χρησιμοποιώντας παλιές φιάλες και κομμάτια ξύλου κατασκεύασε μια αυτοσχέδια ηλεκτροστατική γεννήτρια, ενώ αργότερα ανέπτυξε μια ασθενή βολταϊκή στήλη με τη βοήθεια της οποίας πραγματοποίησε μια σειρά ηλεκτροχημικών πειραμάτων.Σ’ αυτό τον ενθάρρυνε και το Αφεντικό του, ενώ ένας πελάτης του έδωσε προσκλήσεις για τις διαλέξεις του Humphry Davy.

Ο σερ Χάμφρι Ντέιβι μιλούσε για τον ηλεκτρισμό και για τις κρυφές δυνάμεις που πρέπει να υπήρχαν κάτω από την επιφάνεια του ορατού σύμπαντος μας. Ο Φαραντέι πήγε και συνειδητοποίησε ότι του είχε φανερωθεί η φευγαλέα εικόνα μιας καλύτερης ζωής από εκείνη που θα είχε δουλεύοντας στο βιβλιοδετείο. Αλλά πώς μπορούσε να ενταχθεί σ' αυτή; Δεν είχε φοιτήσει στην Οξφόρδη ή στο Κέμπριτζ, στην πραγματικότητα δεν είχε παρακολουθήσει τίποτε περισσότερο από αυτό που εμείς αποκαλούμε δευτεροβάθμιο σχολείο δεν είχε περισσότερα χρήματα από αυτά που του έδινε ο σιδεράς πατέρας του -δηλαδή δεν είχε καθόλου χρήματα- και οι φίλοι του ήταν το ίδιο φτωχοί μ' αυτόν.
Αλλά μπορούσε να δέσει ένα εντυπωσιακά όμορφο βιβλίο. Ο Φαραντέι συνήθιζε πάντα να κρατά σημειώσεις όταν μπο¬ρούσε και είχε φέρει στο βιβλιοδετείο σημειώσεις που είχε κρατήσει από τις διαλέξεις του Ντέιβι. Τις αντέγραψε και πα¬ρενέβαλε μερικά σχέδια από το μηχανισμό που είχε παρουσιάσει ο Ντέιβι. Στη συνέχεια ξανάγραψε το χειρόγραφο όλα του τα σχέδια διατηρούνται σήμερα με την προσοχή που αποδίδεται σε ιερά λείψανα στη υπόγεια Αίθουσα Αρχείων του Βασιλικού Ινστιτούτου του Λονδίνου, χρησιμοποίησε δέρμα, βελόνες και εργαλεία εγχάραξης και το έδεσε σε ένα θαυμάσιο βιβλίο.
Έτσι μια χειμωνιάτικη ημέρα του 1812, ένας νεαρός είκοσι ετών παρουσιάστηκε στο Βασιλικό Ίδρυμα του Λονδίνου ζητώντας συνέντευξη από τον διάσημο διευθυντή του, σερ Χάμφρι Ντέιβι. Μαζί του είχε αυτές τις σημειώσεις του Ντέιβι που του έκαναν μεγάλη εντύπωση , ο οποίος είχε κατά τύχη μια κενή θέση βοηθού. Λίγες μέρες μετά τον προσέλαβε.
Οι παλιοί συνάδελφοι του Φαραντέι ίσως να εντυπωσιάστηκαν, αλλά η καινούρια δουλειά του δεν ήταν τόσο ιδανική όσο έλπιζε.. Το 1813 ο σερ Χάμφρι Ντέιβι και η κυρία του αποφάσισαν να ταξιδέψουν στην Ευρώπη και πήραν μαζί τους τον Φάραντεϊ ως γραμματέα, αλλά και με καθήκοντα οικιακού υπηρέτη. Το ταξίδι διάρκεσε 18 μήνες και είχε μεγάλη εκπαιδευτική σημασία για τον Φάραντεϊ. Συνάντησε πολλούς διάσημους επιστήμονες όπως οι Αμπέρ, Βόλτα, Γκαίθ Λουσάκ και έγινε φίλος με τον Γκιστάβ ντε Λα Ριβ ο οποίος λειτούργησε σαν γραφείο διαλογής ιδεών και αλληλογραφούσε σταθερά με τον Φάραντεϊ.

Το 1821 ο επιστημονικός επιμελητής του περιοδικού Χρονικά Φιλοσοφίας ζήτησε από τον Φαραντέι να συντάξει μια επισκόπηση των πειραμάτων και των θεωριών του ηλεκτρομαγνητισμού που ακολούθησαν την ανακάλυψη του Χανς Κρίστιαν Έρστεντ που είχε γίνει ένα χρόνο νωρίτερα. Ο Φαραντέι δεν ήταν ακόμη γνωστός στους επιστημονικούς κύκλους της εποχής, ενδιαφέρθηκε όμως ιδιαιτέρως για το ζήτημα.
Μέχρι τότε, όλοι γνώριζαν ότι ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός ήταν τόσο άσχετοι μεταξύ τους όσο μπορούσαν να είναι οποιεσδήποτε δύο δυνάμεις. Όμως, αυτός ο ερευνητής που έκανε διαλέξεις στην Κοπεγχάγη είχε βρει τώρα ότι εάν διοχετεύσεις ρεύμα σε ένα ηλεκτρικό καλώδιο, η βελόνα της πυξίδας που τοποθετείται στην κορυφή του καλωδίου στρέφεται ελαφρά προς το πλάι.
Κανείς δεν μπορούσε να το εξηγήσει. Πώς ήταν δυνατό η δύναμη του ηλεκτρισμού σε ένα μεταλλικό καλώδιο να ξεφεύγει και να κάνει τη βελόνα μιας μαγνητικής πυξίδας να στρέφεται; Ο Μάικλ άρχισε να δουλεύει, μελετώντας τη σχέση ανάμεσα στον ηλεκτρισμό και το μαγνητισμό στα τέλη του καλοκαιριού 1821. Προβληματίστηκε γι’ αυτό περίπου 10 χρόνια. Έκανε πολυάριθμα πειράματα, όλα όμως, αρνητικά. Το καλοκαίρι του 1831 όμως όλα άλλαξαν.
Ο Φάραντεϊ στήριξε ένα μαγνήτη. Με αφετηρία τις θρησκευτικές του αντιλήψεις, φαντάστηκε ένα στρόβιλο αόρατων κυκλικών γραμμών να στριφογυρίζει γύρω από αυτόν. Εάν είχε δίκιο, τότε ένα χαλαρά κρεμασμένο σύρμα θα μπορούσε να τραβηχτεί, παγιδευμένο σ' αυτούς τους μυστικιστικούς κύκλους, όπως ένα πλοιάριο παγιδεύεται σε μια δίνη. Συνέδεσε την μπαταρία.
Και αμέσως έκανε την ανακάλυψη του αιώνα. Ανακάλυψε την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, το φαινόμενο στο οποίο στηρίζεται η κατασκευή των γεννητριών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Αργότερα, όπως λέει η απόκρυφη ιστορία μετά τις ανακοινώσεις, αφότου ο Φάραντεϊ έγινε μέλος της Βασιλικής Εταιρείας- ο πρωθυπουργός της εποχής τον ρώτησε τι καλό θα προκαλούσε αυτή η εφεύρεση και ο Φάραντεϊ απάντησε: «Το ότι, πρωθυπουργέ, κάποτε μπορείτε να τη φορολογήσετε». Και πράγματι σήμερα στο τιμολόγιο της ΔΕΗ έχουμε ΦΠΑ…
Ο κουνιάδος του Φάραντεϊ, Τζορτζ Μπάρναρντ, θυμόταν τον Φάραντεϊ τη στιγμή της ανακάλυψης: «Αμέσως άρχισε να ξεφωνίζει "Βλέπεις, βλέπεις, βλέπεις Τζορτζ;", καθώς το σύρμα άρχισε να περιστρέφεται... Δεν θα ξεχάσω ποτέ τον ενθουσιασμό που υπήρχε στο πρόσωπο του και τη λάμψη στα μάτια του!»
Ο Φάραντεϊ έλαμπε γιατί είχε κάνει μια μεγάλη ανακάλυψη. Οι αόρατες στροβιλιζόμενες γραμμές του Φάραντεϊ ήταν η σήραγγα -ο αγωγός- μέσω του οποίου ο μαγνητισμός μπορούσε να ξεχύνεται σε ηλεκτρισμό και αντίστροφα. Η πλήρης έννοια της «Ενέργειας» δεν είχε ακόμη σχηματιστεί, αλλά η ανακάλυψη του Φάραντεϊ ότι αυτά τα δύο διαφορετικά είδη ενέργειας συνδέονταν την έφερε ακόμη πιο κοντά.

[

Η πρώτη λοιπόν ανακάλυψη του Φαραντέι στον ηλεκτρομαγνητισμό έγινε (σύμφωνα με τα προσεγμένα αρχεία που διατηρούσε) στις 3 Σεπτεμβρίου 1821, αφού είχε επαναλάβει το πείραμα του Έρστεντ. Ο Φαραντέι παρατήρησε την αλλαγή στον προσανατολισμό της μαγνητικής βελόναςόταν αυτή πλησίαζε ευθύγραμμο ρευματοφόρο αγωγό, κάτι που είχε ήδη επισημάνει ο Έρστεντ. Επιχειρώντας όμως να αναπαραστήσει τη δύναμη που προκαλούσε αυτή την αλλαγή σε διάφορα σημεία γύρω από τον ευθύγραμμο αγωγό, διαπίστωσε ότι η αναπαράσταση που προέκυπτε είχε την μορφή ομόκεντρων κύκλων με κέντρο τον άξονα του αγωγού. Αυτός ο τρόπος απεικόνισης ενός μαγνητικού πεδίου χρησιμοποιείται ευρύτατα στον ηλεκτρομαγνητισμό: πρόκειται για τις γνωστές δυναμικές γραμμές. Σημειώνεται ότι και ο όρος 'μαγνητικό πεδίο' ('magnetic field') αποδίδεται στον Φαραντέι. Βασισμένος στην παραπάνω διαπίστωση, ο Φαραντέι κατασκεύασε τον ηλεκτρομαγνητικό στροφέα μία συσκευή που εκμεταλλευόταν την κυκλική μορφή του μαγνητικού πεδίου γύρω από τον ρευματοφόρο αγωγό και προκαλούσε τηνπεριστροφή μιας μαγνητικής ράβδου.

Οπλισμένος με το 'εργαλείο' των δυναμικών γραμμών, ο Φαραντέι συνέχισε τις έρευνες του γύρω από τον ηλεκτρομαγνητισμό επιδιώκοντας να εντοπίσει κάποιο τρόπο να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα με τη χρήση μαγνητών. Για αρκετά χρόνια οι προσπάθειες του παρέμεναν άκαρπες. Αναφερόμενος σε διάφορες πειραματικές διατάξεις, συμπληρώνει στο ημερολόγιό του μία σειρά από αναφορές που καταλήγουν σε σχόλια του τύπου 'δεν υπήρξε αντίδραση' ή 'κανένα αποτέλεσμα'...

Κύκλωμα παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποίησε ο Μάικλ Φαραντέι στη μελέτη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής

Η ημερομηνία της 29ης Αυγούστου του 1831 είναι η πιο σημαδιακή για τις προσπάθειες του Άγγλου πειραματιστή, όταν αυτός στο μεταξύ εργαζόταν ως διευθυντής του εργαστηρίου του Βασιλικού Ιδρύματος. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποίησε ήταν απλή: είχε τυλίξει δύο σπείρες σύρματος αντιδιαμετρικά, σε έναν δακτύλιο από μαλακό σίδηρο (βλ. σχήμα). Διοχετεύοντας ηλεκτρικό ρεύμα στο ένα από τα δύο σύρματα, διαπίστωσε ότι στο άλλο σύρμα εμφανίζεται πράγματι 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 'επαγωγή'. Πολύ σύντομα, συνεχίζοντας τα πειράματα ο Φαραντέι κατέληξε σε δύο σημαντικά συμπεράσματα. Πρώτον, η ύπαρξη του σιδερένιου δακτυλίου δεν είναι απαραίτητη για να παρατηρηθεί το φαινόμενο. Δεύτερον, το ρόλο του πρώτου σύρματος μπορούσε να παίξει και ένας ισχυρός μαγνήτης. Αυτό το συμπέρασμα ήταν ιδιαίτερα αξιοσημείωτο, αφού σηματοδοτούσε τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος από μαγνήτη, με άλλα λόγια τη μετάβαση από τον μαγνητισμό στον ηλεκτρισμό.

• Την ανακάλυψη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής που ήταν πλέον πραγματικότητα ακολούθησε εκείνη της ηλεκτρογεννήτριας.

• Πρώτος διαπιστώνει τη δεξιόστροφη φορά του Μαγνητικού πεδίου σε σχέση με τη φορά του ρεύματος που το παράγει.

• Επίσης ο Φαραντέι επινόησε και τον μετασχηματιστή.

  Το 1825 προτάθηκε για τη θέση του Διευθυντή στο Βασιλικό Ίδρυμα από το σερ Χάμφρεϋ, ο οποίος ένα χρόνο πριν σε μια στιγμή ζήλιας και ανθρώπινης ματαιοδοξίας αντιτάχθηκε στην εκλογή του ως μέλος της Βασιλικής εταιρίας. Εκείνη τη χρονιά έλαβε ένα τιμητικό πτυχίο από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Τον Φεβρουάριο του 1833, εξελέγη καθηγητής Χημείας στο Βασιλικό Ίδρυμα. Περαιτέρω τιμητικές διακρίσεις, όπως το Βασιλικό μετάλλιο και το μετάλλιο Copley, τόσο από τη Royal Society, επρόκειτο να ακολουθήσει. Το 1836 που έγινε μέλος της Συγκλήτου του Πανεπιστημίου του Λονδίνου.

[]Ο Φαραντέι και η χημεία

Ο Φαραντέι, επηρεασμένος και από τις δουλειές του Ντέιβι, ασχολήθηκε και με ερωτήματα που αφορούσαν τον τομέα της χημείας. Παρασκεύασε τις πρώτες γνωστές ενώσεις άνθρακα και χλωρίου (C₂Cl₆ και C₂Cl₄) και κατόρθωσε να υγροποιήσειαρκετά αέρια. Εργάστηκε πολλά έτη πάνω στη δημιουργία του ανοξείδωτου ατσαλιού. Το 1825, στα πλαίσια μιας εργασίας του για το φωταέριο, ανακάλυψε το βενζόλιο και έδωσε μια περιγραφή των ιδιοτήτων του. Επίσης, επινόησε την έννοια τουαριθμού οξείδωσης των χημικών στοιχείων.

Μεγάλο μέρος των πειραμάτων του Φαραντέι σχετίζονταν με το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης. Πέρα από την ανακάλυψη των νόμων της ηλεκτρόλυσης, ο Φαραντέι διεύρυνε τη χρήση όρων που σχετίζονται με την ηλεκτρόλυση και χρησιμοποιούνται ευρέως μέχρι σήμερα. Τέτοιοι όροι είναι οι άνοδος, κάθοδος, ηλεκτρόδιο και ιόν.

[]Άλλες εργασίες

Το εξώφυλλο της έκδοσης Η Χημική Ιστορία ενός Κεριού ('The Chemical History of a Candle')

Ο Φαραντέι δούλεψε και σε φαινόμενα στατικού ηλεκτρισμού. 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 επηρεαζόνταν από το ηλεκτρικό φορτίο.

Ξεχωριστή θέση στις δραστηριότητες του Φαραντέι στο Βασιλικό Ίδρυμα του Λονδίνου κατέχει μία σειρά από επιτυχημένες διαλέξεις χημείας και φυσικής. Σε αυτές τις διαλέξεις βασίστηκε η έκδοση Η Χημική Ιστορία ενός Κεριού (1861). Μέχρι τις μέρες μας, μία σειρά διαλέξεων δίνεται κάθε Χριστούγεννα στο Βασιλικό Ίδρυμα, οι οποίες φέρουν το όνομα του Φαραντέι.

[]Σημειώσεις

• Ταυτόχρονα με τον Φαραντέι έκανε την ίδια ανακάλυψη και ο Αμερικανός φυσικός συνάδελφός του Τζόζεφ Χένρι (1797-1878).

1. ↑ Προς τιμήν του Φαραντέι, παλαιότερα χρησιμοποιούταν και η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου, το 'φαραντέι' (faraday). Στις μέρες μας, το φαραντέι έχει αντικατασταθεί από το coulomb (1 φαραντέι είναι ίσο με το φορτίο ενόςmole ηλεκτρονίων, δηλαδή περίπου 96485.3415 coulomb).