Faraday Ο καλύτερος πειραματικός φυσικός

Faraday Ο καλύτερος πειραματικός φυσικός

Σαν σήμερα, στις 22 Σεπτεμβρίου το 1791, γεννήθηκε στο Σάρεϋ στο νότιο Λονδίνο ένας από τους μεγαλύτερους πειραματικούς φυσικούς όλων των εποχών, ο Michael Faraday. Ήταν γόνος οικογένειας που ανήκε στην εργατική τάξη της εποχής. Ο πατέρας του ήταν ένας σιδεράς από το Yorkshire της Αγγλίας.
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.ήταν μια δίοδος διαφυγής από τη φτώχεια. 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 φΰλλα των δεκαέξι ή τριάντα δυο σελί­δων. 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 Φάραντεϊ 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 Φάραντεϊ συνήθιζε πάντα να κρατά σημειώσεις όταν μπο­ρούσε και είχε φέρει στο βιβλιοδετείο σημειώσεις που είχε κρατήσει από τις διαλέξεις του Ντέιβι. Τις αντέγραψε και πα­ρενέβαλε 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 Φάραντεϊ ίσως να εντυπωσιά­στηκαν, αλλά η καινούρια δουλειά του δεν ήταν τόσο ιδανι­κή όσο έλπιζε. Μερικές φορές ο Ντέιβι συμπεριφερόταν σαν ένα θερμός μέντορας, αλλά άλλες φορές, όπως ο Φάραντεϊ έγραψε στους φίλους του, ο Ντέιβι φαινόταν θυμωμένος και τον αποθάρρυνε. Αυτό απογοήτευε πολύ τον Φάραντεϊ, για­τί είχε προσελκυστεί στην επιστήμη κυρίως εξαιτίας των ευ­γενικών λόγων του Ντέιβι- των υπαινιγμών του ότι εάν μόνο ένας είχε την ικανότητα και μπορούσε να διακρίνει εκείνο που ως τότε ήταν κρυμμένο, τότε όλες οι εμπειρίες μας θα μπορούσαν όντως να συνδεθούν. 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 (Annals of Philosophy) 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. Ο ηλεκτρισμός ήταν ο θόρυβος και το σύριγ­μα που έβγαινε από τις μπαταρίες. Ο μαγνητισμός ήταν δια­φορετικός, μια μη ορατή δύναμη που έκανε τις βελόνες της πυξίδας των ναυτικών να έλκονται με δύναμη ή τραβούσε τα ρινίσματα του σιδήρου σε ένα μαγνήτη. Ο μαγνητισμός δεν μπορούσε να γίνει νοητός ως τμήμα των μπαταριών και των κυκλωμάτων. 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; Όταν ζητήθηκε από τον Φάραντεϊ, που τώρα πλησίαζε τα τριάντα, να εργαστεί για να βρει πώς συνδέο­νταν αυτά τα φαινόμενα, τα γράμματα του έγιναν ξάφνου πο­λύ πιο χαρούμενα.
Σύντομα διαπίστωσε ότι δεν θα περιοριζόταν σε μια απλή αναφορά των πεπραγμένων των άλλων επιστημόνων: αποφάσισε να επαναλάβει πολλά από τα πειράματα, να επεξεργάζεται δικές του θεωρίες για να ερμηνεύσει τις παρατηρήσεις του και να σχεδιάζει καινούργια πειράματα.
Στα μέσα του 1821, όταν ο Φάραντεϊ ήταν είκοσι εννέα χρο­νών, παντρεύτηκε. Ο Φάραντεϊ έγινε επίσημα μέλος της εκκλησίας στην οποία ανήκε η οικογένεια του επί χρόνια. Ήταν μια ομάδα πράων και μορφωμένων ανθρώπων που α­ποκαλούνταν Σαντεμανίτες, από το όνομα του Ρόμπερτ Σάντεμαν, ο οποίος είχε φέρει την αίρεση στην Αγγλία. Περιέργως, η περιορισμένη τυπική εκπαίδευση του Φά­ραντεϊ αποδείχτηκε το μεγάλο του πλεονέκτημα. Αυτό δεν συμβαίνει συχνά, διότι όταν ένα επιστημονικό αντικείμενο φτάνει σε προηγμένο επίπεδο, η έλλειψη εκπαίδευσης συνήθως εμποδίζει τους μη γνώστες να ασχοληθούν μ' αυτό· οι πόρτες είναι κλειστές και οι εργασίες δεν μπορούν να δια­βαστούν. Αλλά σε εκείνες τις πρώιμες εποχές κατανόησης η ενέργεια ήταν μια διαφορετική ιστορία. Οι περισσότεροι φοιτητές είχαν εκπαιδευτεί να αποδεικνύουν ότι οποιαδή­ποτε πολύπλοκη κίνηση μπορούσε να αναλυθεί σε ένα μείγ­μα ωθήσεων και έλξεων που λειτουργούσε γραμμικά. Ήταν φυσικό γι' αυτούς, κατά συνέπεια, να προσπαθούν να δουν εάν υπήρχαν οποιεσδήποτε γραμμικές έλξεις μεταξύ μα­γνητών και ηλεκτρισμού. Αλλά αυτή η προσέγγιση δεν έ­δειχνε πώς η δύναμη του ηλεκτρισμού μπορούσε να διοχε­τευτεί στο χώρο για να επηρεάσει το μαγνητισμό.
Επειδή ο Φάραντεϊ δεν είχε τέτοιες προκαταλήψεις, να σκέφτεται γραμμικά δηλαδή, μπορούσε να στραφεί στη Βί­βλο για έμπνευση. Η θρησκευτική ομάδα των Σαντεμανιτών στην οποία ανήκε πίστευε σε ένα διαφορετικό γεωμε­τρικό πρότυπο: στον κύκλο. Οι άνθρωποι είναι ιεροί, έλεγαν, και όλοι οφείλουμε μια υποχρέωση ο ένας στον άλλο, υπο­χρέωση που βασίζεται στην ιερότητα της φύσης μας. Θα σε βοηθήσω και εσύ θα βοηθήσεις τον άλλο και αυτός θα βοη­θήσει κάποιον άλλο και ούτω καθεξής μέχρις ότου ολοκλη­ρωθεί ο κύκλος. Αυτός ο κύκλος δεν ήταν απλώς μια αφη­ρημένη ιδέα. Ο Φάραντεϊ είχε ξοδέψει πολύ από τον ελεύ­θερο χρόνο του επί χρόνια είτε στην εκκλησία μιλώντας γι' αυτή την κυκλική σχέση είτε ασκώντας τη φιλανθρωπία και την αμοιβαία βοήθεια που χρειάζεται για να εκπληρωθούν τα φιλανθρωπικά καθήκοντα.
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.
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».
Αυτό που είχε ανακαλύψει ο Φάραντεϊ στο υπόγειο εργα­στήριο του ήταν η βάση της ηλεκτρικής μηχανής. Ένα μο­ναδικό κρεμασμένο σύρμα που περιστρέφεται συνεχώς δεν φαίνεται κάτι το σπουδαίο. Αλλά ο Φάραντεϊ είχε μόνο ένα μικρό μαγνήτη και διοχέτευε πολύ μικρή ηλεκτρική δύναμη. Αυξήστε την ταχύτητα περιστροφής του και αυτό το στροβι­λιζόμενο σύρμα θα ακολουθεί ακόμη πεισματικά τα κυκλικά πρότυπα που ο Φάραντεϊ χαρτογράφησε σε φαινομενικά κε­νό αέρα. Τελικά κάποιος θα μπορούσε να προσαρμόζει βα­ριά αντικείμενα σε ένα παρόμοιο σύρμα και αυτά να έλκονται κατά μήκος του επίσης - έτσι δουλεύει μια ηλεκτρική μηχα­νή. Δεν έχει σημασία εάν είναι ένας ασήμαντος περιστρεφό­μενος δίσκος ενός υπολογιστή ή αντλίες που διοχετεύουν τό­νους καυσίμου μέσα σε μια αεριωθούμενη μηχανή.
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 και γιατί αυτή φαινόταν να δείχνει πράγματι πως οι βαθύτερες ιδέες της θρησκείας του ήταν αληθινές. Ο θόρυβος του ηλεκτρισμού και τα σιωπηλά δυναμικά πεδία ενός μαγνήτη -και τώρα ακόμη και η επιταχυνόμενη κίνηση ενός χάλκινου σύρματος που περιστρέφεται με ταχύτητα- φαινόταν να συνδέονται. Στο βαθμό που αυξανόταν η ποσότητα του ηλεκτρισμού, έπεφτε ο διαθέσι­μος μαγνητισμός. 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. 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. Τότε ο Faraday, εισήγαγε μια σειρά διαλέξεων κάθε Παρασκευή βράδυ, θεσμός που διατηρείται μέχρι τις μέρες μας. Θέσπισε ειδικές διαλέξεις για τα παιδιά τα Χριστούγεννα στο Βασιλικό Ίδρυμα στο 1826. Σε αυτές τις διαλέξεις βασίστηκε η έκδοση Η Χημική Ιστορία ενός Κεριού ('The Chemical History of a Candle') (1861). Μέχρι τις μέρες μας, μία σειρά διαλέξεων δίνεται κάθε Χριστούγεννα στο Βασιλικό Ίδρυμα, οι οποίες φέρουν το όνομα του Φάραντεϊ. Το 1832 άρχισε να λαμβάνει τιμητικές διακρίσεις για τις σημαντικές συνεισφορές στην επιστήμη. 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, που ήταν ένα ραντεβού Crown.
Λόγω της υπερβολικής εργασίας του και το 1839 έπαθε ένα νευρικό κλονισμό που του πήρε μέχρι το 1845 για να συνέλθει πλήρως και να επανακάμψει. Το έργο που ανέλαβε αυτή τη φορά ήταν το αποτέλεσμα του μαθηματικού εξελίξεις στο θέμα. Οι ιδέες του Faraday για τις δυναμικές γραμμές είχαν λάβει μια μαθηματική επεξεργασία από τον William Thomson. Έγραψε λοιπόν στον Faraday, στις 6 Αυγούστου 1845 και να του πει του μαθηματικές προβλέψεις ότι ένα μαγνητικό πεδίο θα πρέπει να επηρεάζει το επίπεδο των πολωμένο φως. Ο Faraday, είχε προσπαθήσει να ανιχνεύσει αυτό το πειραματικά πολλά χρόνια νωρίτερα αλλά χωρίς επιτυχία. Τώρα, με την ιδέα ενισχυμένη από την Thomson, προσπάθησε και πάλι στις 13 Σεπτεμβρίου του 1845 και ήταν επιτυχής. Έδειξε ότι ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να περιστρέψει το επίπεδο της πόλωσης, και, επιπλέον, ότι η γωνία περιστροφής ήταν ανάλογη με τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου . Ο Faraday έγραψε:
«ήταν ένα φαινόμενο που προκλήθηκε στο πολωμένο φως κι έτσι αποδείχτηκε ότι η μαγνητική δύναμη και το φως σχετίζονται. Το γεγονός αυτό θα αποδειχτεί, το πιθανότερο, εξαιρετικά καρποφόρο και μεγάλης σημασίας για την έρευνα των καταστάσεων της φυσικής δύναμης…»
Ο διαμαγνητισμός ήταν η επόμενη ανακάλυψη.
Ωστόσο θα πρέπει να σημειώσουμε ότι ο Faraday, σε καμία περίπτωση δεν ήταν μαθηματικός και το σύνολο σχεδόν των βιογράφων του τον περιγράφουν ως "μαθηματικά αναλφάβητο". Ποτέ δεν έμαθε μαθηματικά και τις τυχόν εισφορές για την ηλεκτρική ενέργεια ήταν καθαρά πειραματικές. Παρόλα αυτά το έργο του Faraday, οδήγησε στις βαθιά μαθηματικές θεωρίες του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού. Ειδικότερα οι αξιοσημείωτες μαθηματικές θεωρίες που αναπτύχθηκαν και οδήγησαν στις εξισώσεις του Maxwell δεν θα ήταν δυνατές χωρίς τον Faraday. Αυτό είναι ένα σημείο το οποίο ο ίδιος ο Μάξγουελ τόνισε σε αρκετές περιπτώσεις.
Τα τελευταία χρόνια της ζωής του ήταν αδύναμος λόγω της προοδευτικής απώλειας μνήμης. Πέθανε το 1867, σε ηλικία 76 ετών.

Τέλος επειδή πάντα το οπτικοακουστικό υλικό αφήνει μια ξεχωριστή γεύση ας δούμε τον κλωβό Faraday στα παρακάτω videos.

Α) Faraday Cage Protects from 100,000 V

Β) Στο Top Gear γίνεται αναπαράσταση του κλωβού Faraday σε αυτοκίνητο που το χτυπάει κεραυνός

Η εξήγηση είναι:

Στους απομονωμένους αγωγούς τα ηλεκτρικά φορτία κατανέμονται μόνο στην εξωτερική επιφάνεια. Το ίδιο ισχύει και για τα φορτία που εμφανίζονται όταν ο αγωγός βρεθεί σε ηλεκτρικό πεδίο και εκδηλωθεί φαινόμενο ηλεκτροστατικής επαγωγής. Τα φορτία θα βρίσκονται μόνο στην εξωτερική επιφάνεια. Την ιδιότητα αυτή τη χρησιμοποιούμε όταν θέλουμε να θωρακίσουμε ορισμένους χώρους από την επίδραση ηλεκτρικών πεδίων. Για να το καταφέρουμε περικλείουμε το χώρο με κάποιο μεταλλικό πλέγμα ή περίβλημα (Κλωβός Faraday).

Πηγές:
1. Bodanis,D,(2003), E=mc2, Η βιογραφία της πιο διάσημης εξίσωσης στον κόσμο, Εκδ.Λιβάνη,Αθήνα
2. Segre,E,(2001),Ιστορία της Φυσικής, τόμος Α΄, Δίαυλος, Αθήνα
3. Φυσική Ενιαίου Πολυκλαδικού βιβλίου,(1996)ΟΕΔΒ
4. http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Printonly/Faraday.html
5. http://el.wikipedia.org/wiki/%CE%9C%CE%AC%CE%B9%CE%BA%CE%BB_%CE%A6%CE%B1%CF%81%CE%B1%CE%BD%CF%84%CE%AD%CE%B9

Και επειδή ο Faraday είναι ο πατέρας του ηλεκτροκινητήρα ας δούμε κάποια videos πως μπορούμε να κάνουμε απλές συσκευές και στην ενότητα μικροί μάγοι κάποια στιγμή θα επανέλθω και θα τα εξηγήσω.

The simplest motor of the world

How to build a simple electric motor, plus how it works.

Όποιος θέλει περισσότερες λεπτομέρειες για την κατασκευή του ηλεκτροκινητήρα ας δει προηγούμενο post σε τούτο το blog: http://gkatsikogiorgos.blogspot.com/2008/08/blog-post_8833.html