Σάββατο, 26 Αυγούστου 2017

Σαν σήμερα ... 1867, πέθανε ο Michael Faraday, ίσως ο σπουδαιότερος εμπειρικός πειραματικός φυσικός.


O  Michael Faraday το1860 (περίπου)

Σαν σήμερα, στις 25 Αυγούστου 1867, πέθανε στο σπίτι του στο Hampton Court του Λονδίνου ο Michael Faraday (Μάικλ Φαραντέι), ένας από τους κορυφαίους επιστήμονες που 
έχει αναδείξει η ανθρωπότητα. Η συμβολή του στην εξέλιξη του ηλεκτρομαγνητισμού και της ηλεκτροχημείας ήταν καθοριστική. 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.

Ο Φαραντέι γεννήθηκε στις 22 Σεπτεμβρίου 1791 στο Newington Butts στο νότιο Λονδίνο, τότε προάστιο του Surrey. Ήταν γόνος οικογένειας που ανήκε στην εργατική τάξη της εποχής (ο πατέρας του ήταν σιδεράς). Η οικογένειά του ανήκε στη Χριστιανική σέχτα των Sandemanians.  Ακολουθώντας τη μοίρα όλων των παιδιών της κοινωνικής του τάξης, έλαβε ελάχιστη μόρφωση. Σε ηλικία 14 ετών ξεκίνησε να δουλεύει ως βοηθός του George Riebauενός βιβλιοδέτη της περιοχής, θέση στην οποία εργάστηκε μέχρι το 1812.

Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου μελέτησε αρκετά από τα βιβλία που περνούσαν από τα χέρια του, κυρίως επιστημονικού περιεχομένου. Με αυτό τον τρόπο ενημερώθηκε εκτενώς για τις εξελίξεις 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.

Το 1812, ο Φαραντέι παρακολούθησε στο Λονδίνο ομιλίες του διακεκριμένου Βρετανού χημικού Humphry Davy που εργαζόταν για το Royal Institution (Βασιλικό Ινστιτούτο) και τη Royal Society (Βασιλική Ένωση), όπως και του John Tatum, ιδρυτή της City Philosophical Society (Φιλοσοφική Ένωση του City). Τις προσκλήσεις γι' αυτές τις ομιλίες είχε δώσει στον Φαραντέι ο William Dance, ένας από τους ιδρυτές της Royal Philharmonic Society (Βασιλική Φιλαρμονική Ένωση). Στη συνέχεια ο Φαραντέι έστειλε στον Davy ένα βιβλίο 300 σελίδων που το περιεχόμενό τους είχε βασιστεί σε σημειώσεις που είχε κρατήσει στη διάρκεια των διαλέξεών του. Η αντίδραση του Davy ήταν άμεση και πολύ υποστηρικτική. 
Τον επόμενο χρόνο (1 Μαρτίου 1813), ο Davy, έχοντας τραυματιστεί στο μάτι του από ένα εργαστηριακό ατύχημα, κάλεσε τον Φαραντέι να εργαστεί ως βοηθός παρασκευαστής στο εργαστήριό του στο Βασιλικό Ινστιτούτο του Λονδίνου. Με αυτή την ιδιότητα ο Φαραντέι συνόδεψε τον Davy σε επιστημονικό ταξίδι του ανά την Ευρώπη, από τον Οκτώβριο του 1813 μέχρι τον Απρίλιο του 1815.

Ο Michael Faraday (αρισ.) με τον John Frederic Daniell (δεξ.)

Το 1821 ο επιστημονικός επιμελητής του περιοδικού Annals of Philosophy (Χρονικά Φιλοσοφίας) ζήτησε από τον Φαραντέι να συντάξει μια επισκόπηση των πειραμάτων και των θεωριών του ηλεκτρομαγνητισμού που ακολούθησαν την ανακάλυψη του Δανού φυσικού Hans Christian Oersted (Χανς Κρίστιαν Έρστεντ) που είχε γίνει ένα χρόνο νωρίτερα. Ο Φαραντέι δεν ήταν ακόμη γνωστός στους επιστημονικούς κύκλους της εποχής, ενδιαφέρθηκε όμως ιδιαίτερα για το ζήτημα. Σύντομα διαπίστωσε ότι δεν θα περιοριζόταν σε μια απλή αναφορά των πεπραγμένων των άλλων επιστημόνων, αλλά αποφάσισε να επαναλάβει πολλά από τα πειράματα, να επεξεργαστεί δικές του θεωρίες για να ερμηνεύσει τις παρατηρήσεις του και να σχεδιάσει καινούργια πειράματα.

Το 1825 διορίσθηκε διευθυντής των εργαστηρίων του Βασιλικού Ινστιτούτου και το 1833 ισόβιος καθηγητής Χημείας στο ίδιο Ινστιτούτο, χωρίς την υποχρέωση να παραδίδει μαθήματα. Ο Φαραντέι στερούμενος μαθηματικής μόρφωσης και αυτοδίδακτος, προικισμένος όμως με καταπληκτική φαντασία και παρατηρητικότητα, κατάφερε να αναδειχθεί σε κορυφαίο επιστήμονα συμβάλλοντας όσο λίγοι στην ανάπτυξη των σημερινών γνώσεων της Χημείας και της Φυσικής, κυρίως όμως στον Ηλεκτρισμό. Οι υπέροχες εργασίες του περί του ηλεκτρισμού χρονολογούνται από το 1821.

Ο Μάικλ Φαραντέι στο εργαστήριό του (περίπου 1850)

Η πρώτη ανακάλυψη του Φαραντέι στον ηλεκτρομαγνητισμό έγινε (σύμφωνα με τα προσεγμένα αρχεία που διατηρούσε) στις 3 Σεπτεμβρίου 1821, αφού είχε επαναλάβει το πείραμα του ΈρστεντΟ Φαραντέι παρατήρησε την αλλαγή στον προσανατολισμό της μαγνητικής βελόνας όταν 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 είναι με τη βοήθεια των γνωστών δυναμικών γραμμών. 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 την περιστροφή μιας μαγνητικής ράβδου.

Το πηνίο με το οποίο πειραματιζόταν ο Faraday

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'...
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. 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.

Ο Michael Faraday μιλώντας για τον Ηλεκτρισμό και τον Μαγνητισμό
στο Βασιλικό Ινστιτούτο στις 23 Ιανουαρίου 1846

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.
Όλα αυτά τα πειράματα τα περιέγραψε σε δύο εργασίες που παρουσίασε στην Βασιλική Ένωση στις 24 Νοεμβρίου 1831 και στις 12 Ιανουαρίου 1832 κάτω από τον τίτλο "Experimental researches into electricity" ("Πειραματικές έρευνες στον ηλεκτρισμό")
Την ανακάλυψη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής που ήταν πλέον πραγματικότητα ακολούθησε εκείνη της ηλεκτρογεννήτριας.
Ακόμη, πρώτος διαπίστωσε τη δεξιόστροφη φορά του μαγνητικού πεδίου σε σχέση με τη φορά του ρεύματος που το παράγει.
Επίσης ο Φαραντέι επινόησε και τον μετασχηματιστή.

Ο Φαραντέι, επηρεασμένος και από τις δουλειές του Davy, ασχολήθηκε και με ερωτήματα που αφορούσαν τον τομέα της χημείας. Παρασκεύασε τις πρώτες γνωστές ενώσεις άνθρακα και χλωρίου (C2Clκαι C2Cl4) και κατόρθωσε να υγροποιήσει αρκετά αέρια. Εργάστηκε πολλά χρόνια 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 του αριθμού 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.

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 του επιφάνεια. Με άλλα λόγια, οτιδήποτε βρισκόταν στο εσωτερικό του αγωγού δεν επηρεαζόταν από το ηλεκτρικό φορτίο.

Ξεχωριστή θέση στις δραστηριότητες του Φαραντέι στη Βασιλική Ένωση 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 Ινστιτούτο, οι οποίες φέρουν το όνομα του Φαραντέι.

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

Σε κάποια απ' τις πρώτες διαλέξεις του, ο Φαραντέι μάγεψε το κοινό επιδεικνύοντας τις καινούριες δυνάμεις που διέθετε. Πυροδότησε μια ποσότητα πυρίτιδας με τη δύναμη του ηλεκτρισμού. Ανεβασμένος σε μια καρέκλα, που του παρείχε μόνωση από το έδαφος, άναψε με το δάκτυλό του τη φλόγα αερίου γκαζιού, ενώ στο άλλο του χέρι κρατούσε ένα καλώδιο με ηλεκτρισμό. Το νεανικό κοινό ενθουσιάστηκε βλέποντας ζωντανά πώς αυτή η αόρατη "δύναμη" του ηλεκτρισμού μπορούσε να υπηρετήσει στόχους εντελώς απρόσιτους με τις τότε δυνάμεις του ανθρώπου. 
Το 1845 ο Φαραντέι ανακάλυψε τον διαμαγνητισμό.

Το 1865, ο Φαραντέι διέκοψε την εργασία του στο Βασιλικό Ινστιτούτο μετά από 50 χρόνια αδιάκοπης υπηρεσίας. 

Προς τιμήν του Φαραντέι έχει δοθεί το όνομά του στη μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας ενός πυκνωτή (1 Farad) στο σύστημα SI. Παλαιότερα χρησιμοποιείτο η μονάδα 'φαραντέι' ως μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου.

Περιήγηση στο πολύ ενδιαφέρον μουσείο Faraday στο Βασιλικό Ινστιτούτο του Λονδίνου.

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου