20 lat życia Michała Faradaya (fizyka)

Plan Pracy



I. Wstęp
II. Dwadzieścia lat z życia
1. Pierwsze prace
2. Wielki dzień
3. Dalsze odkrycia
III. Podsumowanie
IV. Bibliografia

Wstęp
Na wschód od Westminster, w niewielkiej odległości od Tamizy, która w tym miejscu płynie prostopadle na północ, przed stu sześćdziesięciu laty istniała wioska Newington Butts, później jedno z przedmieść rozrastającego się Londynu. Dziś po niej została tylko nazwa, którą nosi przedłużenie ulicy Kensington Park. W wiosce tej na skrzyżowaniu dróg stała stara, sklecona ze zmurszałych desek kuźnia Jamesa Faradaya, warsztat jego pracy i źródło utrzymania licznej rodziny. Nie opodal kuźni wznosił się dom otoczony kamiennym płotem. W tej skromnej siedzibie ujrzał światło dzienne Michał Faraday.
Stało się to 22 września 1791 roku, a więc w tym samym roku, w którym kilka miesięcy wcześniej uchwalona została w Polsce Konstytucja Trzeciego Maja.
Mały Michał, jedno z dziewięciorga dzieci kowala Faradaya, przyszły wielki uczony nie skończył nawet szkoły początkowej. Aby uzupełnić szczupłe dochody rodziny, musiał przerwać naukę i wstąpić do terminu do introligatora. Jakkolwiek doskonale opanował umiejętności introligatorskie, treść książek interesowała go w znacznie większym stopniu aniżeli oprawa. Pragnąc uzupełnić swoje braki w wykształceniu, dużo czytał, ponadto zaś zaczął regularnie uczęszczać na wieczorowe i niedzielne odczyty o treści, jakbyśmy dziś powiedzieli, popularnonaukowej. Zachęcał go do tego jego starszy brat, który dawał mu pieniądze na opłacanie biletów wstępu.
Młodzieńcem, który przejawiał ogromne zamiłowanie do nauki, zainteresował się jeden z klientów introligatorni, niejaki Dence. Dence umożliwił Faradayowi wysłuchanie czterech wykładów prowadzonych przez wielkiego chemika Davy’ego. Stało się to przełomowym momentem w życiu Faradaya. Był akurat rok 1812; Faraday po zakończeniu terminu miał uzyskać dyplom mistrzowski. Jednakże praca w rzemiośle nie pociągała go wtym stopniu co nauka. Zdobył się więc na śmiałość i napisał list do Davy’ego – prosząc o przyjęcie go do laboratorium.
Tak się zaczął drugi termin Faradaya i choć nie w warsztacie rzemieślnika, lecz w pracowni uczonego, termin najprawdziwszy.
Faraday pomagał chemikowi w laboratorium , sprzątał tam zmywał naczynia, a zarazem pomagał pani Davy w najrozmaitszych pracach domowych.

20 lat

Z bogatego życiorysu Faradaya wybrałem okres 20 lat podczas których uczony dokonał epokowych odkryć rzutujących na rozwój fizyki. Te 20 lat przypada na lata 1820 – 1840.
Z okresu gdy Faraday pracował pod okiem Davy’ego (zajmując się między innymi skraplaniem gazów) nie można pominąć milczeniem bardzo ważnego faktu: Michał zawiera w 1820 roku związek małżeński z Sarą Barnard. Małżeństwo to było niezwykle szczęśliwe. Uczony znalazł w swojej żonie oddanego, serdecznego przyjaciela.
W grudniu 1821 roku , gdy Faraday był jeszcze asystentem w pracowni Królewskiego instytutu w Londynie zademonstrował lady Davy eksperyment który stanowił pierwszy etap jego prac nad elektrycznością. Poległa o na tym, że do szklanej rurki, zamkniętej z obu stron korkami. Przez korek dolny przechodzi sztabka namagnesowana. Na korek ten nalał rtęci, tak że tylko część magnesu wystaje nad poziom cieczy. Rtęć połączył drutem z jednym biegunem stosu, którego drugi biegun jest za pomocą drutu, przechodzącego przez górny korek, połączony z drutem platynowym wiszącym na haczyku umocowanym w górnym korku. Drut platynowy zwisa nad rtęcią. Po zetknięciu drucika platynowego z rtęcią nastąpiło zamknięcie obwodu. Przy przechodzeniu prądu drut platynowy zaczyna obracać się dookoła wystającego bieguna magnesu. Dowodzi to, że wzajemne oddziaływanie elektryczności i magnetyzmu wytwarza ruch.

Wróćmy wszakże do doświadczenia Faradaya. Nie możemy z całą pewnością stwierdzić, czy oznaczało ono wtedy w jego pojęciu przewrót w dziedzinie praktycznego zastosowania elektryczności. Dziś jednak, gdy oceniamy tę próbę, wiemy doskonale, że to małe urządzenie było pierwszym swojego rodzaju silnikiem elektrycznym. Faraday przekształcił dzięki niemu energię prądu elektrycznego w energię ruchu. Było to więc przekształcenie energii w pracę.
Jeżeli o tym wspominamy, powinniśmy również wyrazić wdzięczność Oerstedowi, który swoim odkryciem zapoczątkował owocne badania w dziedzinie praktycznego zastosowania zjawisk elektrycznych.
Od tego momentu zaczyna się nowy etap w dziejach ludzkości. Oersted bowiem otworzył drogę prowadzącą w świat silników elektrycznych, prądnic i urządzeń, którym zawdzięczmy światło i tanią, powszechnie stosowaną energię elektryczną. Bez niej trudno byłoby sobie wyobrazić ogólny rozwój cywilizacji.
I tu właśnie przypada olbrzymia rola Michałowi Faradayowi, który swymi badaniami uwieńczył to, co zaczął Galvani, Volta, Oersted i Ampère. Właśnie jego odkrycia umożliwiły budowę potężnych źródeł prądu, które tak szerokie zastosowanie mają obecnie w życiu codziennym.
Jeżeli dziś powszechnie korzystamy z prądu elektrycznego, jeżeli dzięki niemu oświetlamy nie tylko domy i ulice naszych miast, lecz także wsie, jeżeli wiek XX jeszcze w dalszym ciągu nazywamy wiekiem elektryczności, to w wielkim stopniu zawdzięczmy to Michałowi Faradayowi.

Wielki dzień


Pewnego dnia u Faradaya zagościł pan Wollaston, który od kilku miesięcy usiłował w pracowni Davy’ ego otrzymać prąd elektryczny za pomocą magnesu. Wszelkie jednak próby tego uczonego nie dawały pożądanego wyniku. Faraday, pracując w tym samym laboratorium, był oczywiście świadkiem badań Wollastona, jednakże nie poświęcał im większej uwagi. Później wszakże zagadnienie zaczęło go zaciekawiać, wreszcie opanowało uczonego całkowicie. Co chwilę popadał w zadumę. Stale powracała myśl – magnetyzm przeobrazić w elektryczność.
Faraday postanawia powtórzyć nazajutrz doświadczenia Wollastona. Uczony podejmując tę decyzję nie przypuszczał na pewno, że usiłowania jego uwieńczy pomyślny skutek dopiero po dziesięciu latach.
Pierwsza seria doświadczeń trwa prawie trzy lata. Faraday, by rozwiązać postawione sobie w 1821 roku zadanie, buduje obwód składający się z przyrządu pomiarowego i solenoidu, który swego czasu wynalazł Ampère. Przez solenoid uczony próbuje przesuwać namagnesowaną sztabkę. Prądu niestety w obwodzie nie zauważył. Faraday bynajmniej tym się nie zraża. W rok później, ściśle zaś w listopadzie i grudniu 1825 r., powraca do tej sprawy. Usiłuje odpowiedzieć na następujące pytanie: Czy prąd płynący w jednym obwodzie nie wzbudza prądu w innym, sąsiednim obwodzie? Niestety i tym razem doświadczenie daje odpowiedź przeczącą.
W kwietniu 1828 r. ponawia próby. Jest to już czwarta seria bezowocnych poszukiwań. W maju 1831 roku powraca do zagadnienia po raz piąty. Pcha go niepowstrzymana ciekawość, zachęca wola, wiedzie niejasne, niezrozumiałe przeczucie. Wierzy, że w końcu zadanie, które sobie postawił przed dziesięciu laty, rozwiąże.
W tym samym roku poleca swojemu asystentowi, Andersonowi, przygotować pierścień z miękkiego żelaza i nawinąć na niego dwa zwoje drutu. Pierścień ten postanawia wypróbować w doświadczeniu 29 sierpnia 1831 roku.
Na czym polegały doświadczenia Faradaya przeprowadzone owego historycznego dnia?
By na to pytanie odpowiedzieć, sporządźmy zwojnicę zwaną inaczej solenoidem, to znaczy, na cylinder z kartonu nawińmy cewkę z drutu dołączmy ją do zacisków galwanometru. Powstanie w ten sposób obwód. Z kolei przeprowadźmy bardzo prosty eksperyment polegający na wsunięciu magnesu w postaci pręta przez otwór cewki do jego wnętrza. W tym momencie obserwujmy uważnie wskazówkę przyrządu pomiarowego (galwanometru). Wskazówka wychyli się i natychmiast, gdy sztabka magnesowa przestanie się poruszać, wróci na dawne miejsce. Galwanometr więc wykazał, że w cewce powstał chwilowy prąd .
Jeżeli magnes będziemy wielokrotnie wsuwali do zwojnicy i wyjmowali go, spostrzeżemy, że każdorazowo w solenoidzie powstaje prąd. Ponadto zauważmy jeszcze jedno zjawisko. Mianowicie ulega zmianie kierunek przepływu prądu. Kierunek ten zależy od tego, który koniec magnesu wprowadzamy do solenoidu, poza tym podczas wyjmowania magnesu z cewki zmienia się on zawsze na przeciwny.
Faraday na tym wszakże nie poprzestał. Powtarza jeszcze raz doświadczenia. Zajmuje mu to cały miesiąc. Wreszcie 23 listopada 1831 roku kończy obszerny, składający się ze stu trzydziestu dziewięciu punktu referat z opisem dużej ilości eksperymentów potwierdzających odkrycie indukcji elektromagnetycznej. Indukcję w tym referacie określił uczony jako zjawisko wywołane poprzez „ Krzywe magnetyczne” , którymi określał Farady „znane linie, wzdłuż których układają się w pobliżu magnesu opiłki żelazne”.
Referat swój wygłasza Faraday 24 listopada 1831 r. w wielkiej Sali Rogal Society.
Teraz już można przekształcić magnetyzm w elektryczność – zakończył swe przemówienie nagrodzone długotrwałą burzą oklasków.

Dalsze odkrycia

Michał Faraday nie poprzestał w swych pracach badawczych nad znakomitym i tak brzemiennym w skutki odkryciu indukcji elektromagnetycznej. Nie przerwał swych doświadczeń, nie zaniechał poszukiwań. Codziennie w laboratorium Instytutu Królewskiego przeprowadzał dalsze eksperymenty, chcąc dogłębnie poznać zaobserwowane w 1831 roku zjawisko. W wyniku żmudnych dociekań, które trwały okrągłe cztery lata, stwierdza istnienie indukcji własnej, zwanej inaczej samoindukcją. To nowe wielkie odkrycie jest ukoronowaniem długich badań w tym zakresie.
Samoindukcja pojawia się w momentach zamykania i otwierania obwodu elektrycznego, a także podczas powiększania się w nim lub zmniejszania natężenia prądu. W chwili zamykania obwodu powstaje prąd przeciwdziałający prądowi zasadniczemu. Toteż upływa pewien, wprawdzie bardzo krótki, okres czasu, zanim natężenie prądu osiągnie swoją właściwą wartość. Podczas otwierania obwodu prąd samoindukcji ma ten sam kierunek co prąd zasadniczy, toteż wyraźnie wzmacnia go i jednocześnie odsuwa moment przerwania prądu.
Z tego powodu prąd otwarcia daje jaskrawą iskrę przeskakującą w miejscu przerwania obwodu.



W latach 1833 – 1834 uczony przeprowadził olbrzymią ilość doświadczeń polegających na przepuszczeniu tego samego prądu elektrycznego przez kilka różnych cieczy. Faraday wiedział, iż prąd elektryczny działa na elektrolity w ten sposób, że rozkładają się one pod jego wpływem na składniki.
Spostrzeżenie to doprowadziło uczonego do sformułowania prawa, nazwanego później II prawem elektrolizy. Głosi ono, że masy różnych substancji, wydzielane na elektrodach podczas przepływu jednakowej ilości elektryczności, są wprost proporcjonalne do ich równoważników elektrochemicznych.
Gdy z kolei Faraday zaczął przez jeden i ten sam roztwór przepuszczać prąd, zmieniając jego natężenie oraz czas przepływu, znowu zaobserwował pewną prawidłowość.
Otóż gdy natężenie prądu przepływającego przez wodny roztwór siarczanu miedzi wzrosło dwukrotnie, dwukrotnie zwiększyła się również masa miedzi osadzonej na katodzie. Ponadto masa miedzi wydzielonej na katodzie zależała od czasu przepływu prądu.
Dziś prawo to w ujęciu podręcznikowym ma następującą postać: „Masa substancji wydzielonej w wyniku elektrolizy na anodzie lub katodzie woltomierza jest wprost proporcjonalna do natężenia przepływającego prądu i czasu jego przepływu”.
Przytoczone prawo jak wiemy, może również przybrać bardzo lakoniczną formę wzoru literowego zwanego wzorem Faradaya:
m=k*i*t

Podany wzór stanowi zatem matematyczną postać I prawa elektrolizy.


Wszystkie swe spostrzeżenia dotyczące zjawisk elektrolizy, poparte dużą ilością doświadczeń, Faraday ujął w szeroką rozprawę, którą zatytułował „Zasady elektrochemiczne”. Złożył ją w dniu 9 stycznia 1834 koku Towarzystwu Królewskiemu w Londynie.
A już w trzy lata później, Michał Faraday w wyniku obszernych badań pierwszy sformułował twierdzenie, że wszystkie ciała bez wyjątku ciała posiadają w większym lub mniejszym stopniu własności magnetyczne.
Badając te zjawisko doszedł do wniosku, że różne substancje odznaczają się różną „przenikliwością magnetyczną”. Prócz tego śledząc oddziaływanie wzajemne ciał naelektryzowanych i magnesów pierwszy wykazał znaczenie ośrodka przedzielającego te ciała.
„Siły elektryczne i magnetyczne nie mogą działać na odległość bez pośrednictwa jakiegoś ośrodka” – pisał w rozprawie.
Niestety, uczony nie zdążył już wykazać, jaki to ośrodek i w jaki sposób przekazuje on działanie sił elektrycznych i magnetycznych. Wyobrażał sobie tylko, że takimi przekaźnikami są tak zwane linie sił.
Wzdłuż takich właśnie linii sił, jak wiemy, układają się opiłki żelazne, gdy posypiemy nimi papier i ułożymy na magnesie. Wzdłuż takich samych linii sił ułożą się także opiłki żelazne, jeżeli przez karton, na którym się te opiłki znajdują, przetkniemy pionowy przewodnik z prądem.
W cewce, do której wsuwa się magnes i w której powstaje prąd elektryczny, linie sił magnetycznych przecinają zwoje. To samo zjawisko występuje również we wszystkich przypadkach indukcji, gdy rolę magnesu odgrywają przewodniki z prądem.
Faraday stwierdził ponadto, że im gęstsze jest pole linii sił i im prędzej przecina je przewodnik, tym silniejszy prąd zostaje w nim wzbudzony.
Uczony otrzymał w szybko obracającej się ramce z drutu prąd elektryczny nawet bez żadnego magnesu. Prąd indukcyjny powstał w niej, gdyż znajdowała się ona w przestrzeni wypełnionej liniami magnetycznymi kuli ziemskiej.
W wyniku tych doświadczeń i obserwacji zrodziła się teoria elektrycznych i magnetycznych linii sił, będąca jednym z ostatnich wielkich sukcesów naukowych Michała Faradaya.


Zakończenie



Odkryte przez Michała Faradaya zjawisko elektrolizy, podobnie zresztą jak zjawisko indukcji elektrycznej, znalazło wkrótce wiele zastosowań praktycznych. Jednym z podstawowych kierunków tych zastosowań jest elektrolityczne pokrywanie różnych przedmiotów metalami odpornym na działanie powietrza i wilgoci. Drugim kierunkiem jest tak zwana rafinacja metali, czyli otrzymywanie metali chemicznie czystych, głownie miedzi. Trzecim wreszcie szczególnie ważnym jest otrzymywanie w drodze elektrolizy takich metali, jak sód, potas, przede wszystkim zaś glin, czyli aluminium.
Rzecz zdumiewająca, że odkrycia elektrolizy, odkrycia tak doniosłego dla rozwoju przemysłu, dokonał Faraday jak gdyby w przerwie miedzy zasadniczymi zajęciami, którymi były badania zjawisk indukcji. Jednakże przestajemy się dziwić, gdy śledzimy wytrwałość tego badacza, gdy obserwujemy jego niezwykłą pracowitość i przede wszystkim jego oryginalność. Czegokolwiek bowiem się dotknął, zawsze potrafił dostrzec najistotniejsze cechy zjawiska, zawsze umiał przewidzieć to, co innym na myśl nie przychodziło. A jego odkrycie umożliwiło budowę potężnych źródeł prądu, które mają szerokie zastosowanie po dziś dzień.
Jeszcze należy zauważyć, ze w różnych zjawiskach fizycznych ogromnie pomocna bywa teoria matematyczna, pozwalająca opisywać zjawiska za pomocą wzorów matematycznych i z tych wzorów wyciągać różne wnioski. Faraday jednak matematyki nigdy się nie uczył i nie umiał, pozbawiony był więc możności posługiwania się ty potężnym środkiem; wystarczała mu natomiast genialna intuicja i bogata nad wyraz wyobraźnia, pozwalająca tak jasno przedstawiać sobie wewnętrzną stronę zjawisk że w obrazach tych orientował się lepiej jeszcze niż najbieglejszy matematyk we wzorach. Trudno sobie wyobrazić, do jakich wniosków doszedł by Faraday gdyby w swoich pracach badawczych dysponował takim doskonałym narzędziem jak matematyka. Jedno w każdym razie jest pewne: dziełem tego uczonego były niewątpliwie wspaniałe odkrycia, które zapewniły mu stałe miejsce w historii fizyki.












1. „Poczet wielkich fizyków” Ryszrda Sobisiaka
2. „Historia fizyki. Od czasów najdawniejszych do współczesności” Andrzeja Wróblewskiego
3. Złota Encyklopedia PWN
4. www.interia.pl
5. www.servis.pl