Temat: Faraday i elektromagnetyzm
W początku XIX stulecia zaczęto tworzyć nowy dział fizyki - elektromagnetyzm. Po latach badania nad elektromagnetyzmem przyniosły owoce w postaci upowszechnienia energii elektrycznej.
Zjawisko elektryczności statycznej znane było już starożytnym Grekom 600 lat p.n.e. Nowoczesne badania eksperymentalne nad zjawiskiem tym przeprowadzono w XVII i XVIII stuleciu. Nagromadzenie się dużej ilości ładunku elektrycznego manifestuje się zwykle wyładowaniem - gwałtownym i krótkotrwałym przepływem ładunku w postaci prądu o dużym natężeniu. Generowanie prądu elektrycznego w sposób ciągły było nierealne aż do początku XIX wieku.
W 1791 r. Włoski fizjolog Luigi Galvani (1737-1798) zaobserwował zupełnie przypadkowo podczas sekcji żaby, że mięśnie oddzielonej od tułowia żabiej nogi kurczą się, gdy dotknąć ich jednocześnie żelaznym i mosiężnym przedmiotem. Według niego związane to było z „elektrycznością zwierzęcą”, jednak jego włoski kolega, fizyk Alessandro Volta (1745-1827) stwierdził, że efekt był rezultatem oddziaływania między dwoma metalami. W 1800 r. Volta napisał do przewodniczącego Towarzystwa Królewskiego w Londynie, Josepha Banksa (1743-1820) list, w którym dał opis konstrukcji urządzenia zdolnego do wytworzenia elektryczności w sposób ciągły. Był to „stos Volty” lub inaczej ogniwo galwaniczne złożone z ułożonych na przemian cynkowych i srebrnych płytek oddzielonych warstwami papieru nasączonego wodnym roztworem soli kuchennej.
Naukowcy natychmiast zrozumieli, jak potężne narzędzie badań naukowych uzyskali dzięki temu odkryciu. Humphry Davy (1778-1829) rozwinął konstrukcję „stosu Volty” (nazwanego później baterią), dzięki czemu w ciągu 8 lat zdołał metodami elektrolitycznymi wyodrębnić nowe pierwiastki: sód, potas, magnez, wapń, stront oraz bar. W roku 1813 Davy zatrudnił młodego asystenta. Nazywał się on Michael Faraday.
Michael Faraday
Michael Farady urodził się 28 września 1791 roku w Newington w Surrey w Anglii w rodzinie ubogiego kowala. Jego wykształcenie było bardzo skromne. Gdy miał 14 lat, zaczął terminować u londyńskiego introligatora. Praca ta dała mu możliwość przeczytania wielu interesujących książek. Szczególnie zainteresował go artykuł o elektryczności we współczesnym wydaniu encyklopedii. W roku 1810 wstąpił do Miejskiego Towarzystwa Filozoficznego. Mógł tam uczęszczać na zajęcia i wykonywać proste doświadczenia. Słuchał także wykładów Davy'ego wygłaszanym w Towarzystwie Królewskim, sporządzając skrupulatne notatki w swoim pięknie prowadzonym zeszycie.
Kiedy w 1812 roku jego terminowanie dobiegło końca, Faraday zrezygnował z pracy introligatora. Jednocześnie wskutek niezwykłego zbiegu okoliczności, Davy, oślepiony przypadkową eksplozją w laboratorium, poprosił młodego entuzjastę o pomoc w pracy doświadczalnej. Gdy Davy odzyskał wzrok, Faraday pokazał mu swój notatnik. Głęboko poruszony Davy zaproponował mu wówczas stałą posadę. Gdy w latach 1813-1815 Davy wybrał się w podróż po Europie, zabrał ze sobą młodego Faraday'a. Odwiedzili wówczas wielu znanych naukowców, m.in. Voltę i Ampere'a. Po powrocie do Anglii Faraday zajął się głównie pracami w dziedzinie chemii, jednak jego zainteresowanie elektrycznością pozostało. Właśnie odkrycia w dziedzinie elektryczności przyniosły mu największą sławę.
Elektryczność i magnetyzm.
W 1820 roku Duńczyk Hans Oersted (1777-1851) zauważył, że przepływ prądu przez drut powoduje odchylenie umieszczonej w pobliżu drutu igły magnetycznej. Wieści o odkryciach naukowych rozpowszechniały się wówczas szybko i niedługo potem pracujący w Paryżu Andre Ampere (1775-1836) ujrzał pokaz nowego zjawiska w wykonaniu swego rodaka Francois Arago (1786-1853). W ciągu kilku tygodni Ampere rozpoczął prace nad teorią elektromagnetyzmu.
Wkrótce ustalił, że dwa przewody, przez które przepływa prąd w tym samym kierunku przyciągają się, lecz gdy kierunki przepływu prądu są w nich przeciwne, przewody odpychają się. Zaobserwował także, że zwinięta cewka z drutu przewodząca prąd - nazwał ją solenoidem - zachowuje się tak jak stały magnes sztabkowy. Przedstawił ideę, że odchylenie umieszczonej w pobliżu przewodu igły magnetycznej może być miarą natężenia płynącego w przewodzie prądu. Pomysł ten wkrótce został wykorzystany przy konstruowaniu galwanometru.
W tym samym czasie Faraday wydedukował, że linie sił pola magnetycznego wokół drutu z przepływającym przezeń prądem elektrycznym mają kształt okręgów. W 1821 roku skonstruował przyrząd, w którym swobodny magnes kręcił się wokół drutu z prądem, lub odwrotnie - swobodny drut z prądem kręcił się wokół zamocowanego magnesu. Była pierwsza demonstracja zmiany energii elektrycznej na energię kinetyczną związaną z ruchem makroskopowego ciała. Jednocześnie Michael Faraday twierdził, że możliwe jest indukowanie przepływu prądu w przewodniku za pomocą pola magnetycznego.
Indukcja elektromagnetyczna.
Podczas swych badań chemicznych Faraday nie ustawał w próbach uzyskania prądu indukowanego polem magnetycznym. W sierpniu 1831 roku udało mu się to prawie przez przypadek. Nawinął mianowicie dwie cewki na wspólny żelazny rdzeń i podłączył jedną z nich do baterii, by generować w ten sposób pole magnetyczne, a drugą do galwanometru. Gdy przez cewkę podłączoną do baterii płynął prąd, galwanometr nawet nie drgnął, wskazówka galwanometru wychylała się, gdy włączał i wyłączał przepływ prądu przez pierwotną cewkę. Natychmiast zrozumiał, że to zmiana pola magnetycznego indukuje prąd elektryczny.
Faraday skonstruował transformator. Ten sam efekt został w tym samym czasie zauważony przez amerykańskiego fizyka Josepha Henry'ego (1791-1878), jednak nie publikował on swych odkryć.
W 1842 roku Arago stwierdził, że igła magnetyczna umieszczona nad obracającym się miedzianym dyskiem odchyla się. Faraday po swym odkryciu pojął, że obracając miedziany dysk w polu magnetycznym, indukujemy w nim prąd, który wytwarza własne pole magnetyczne. Właśnie to pole powodowało odchylenie igły magnetycznej.
W październiku 1831 roku Faraday wykonał podobne doświadczenie, obracając miedziany dysk w polu wytwarzanym przez podkowiasty magnes. Jednocześnie wyprowadził przewody z centrum i obwodu dysku i przyłączył je do galwanometru. Miernik pokazał przepływ prądu. W ciągu 3 miesięcy skonstruował transformator oraz generator prądu. Oba te urządzenia do dziś funkcjonują na tej samej zasadzie.
Późniejsze dokonania.
Przy następnych odkryciach Faraday wykorzystał wiedzę z zakresu chemii i elektromechaniki. Sformułował podstawowe prawa elektrolizy, sam przy tym stworzył terminologię, wprowadzając takie terminy jak anion, kation, anoda, katoda, elektroda i elektrolit. Następnie powrócił do elektrostatyki, wykazując, że ładunki statyczne nie różnią się właściwościami od prądu elektrycznego. Rozwinął również molekularną teorię elektryczności. W 1839 roku stan jego zdrowia znacznie się pogorszył i mimo długiej rekonwalescencji nie powrócił nigdy do pełni sił. W 1845 roku przekonano go, by zajął się wpływem elektryczności na polaryzację światła. Odkrył, że silny magnes skrzywia płaszczyznę polaryzacji światła, co naprowadziło go na pomysł potraktowania światła jako oscylacji elektromagnetycznej.
W 1862 roku Faraday zrezygnował z czynnego życia naukowego i osiadł w podarowanym mu przez królową Wiktorię apartamencie w pałacu Hampton Court. Zmarł tam 25 sierpnia 1867 roku.
Wygenerowano: 04-10-2003 07:44:29