Michael Faraday (1791-1867)

Faraday apja kovácsmester volt, aki munkát keresve vándorolt Észak-Angliából London környékére. A négygyermekes család szegénységben élt. A kis keresztény Sandeman-felekezethez tartoztak, s Faraday egész élete során hû maradt ehhez a közösséghez, amely igen nagy hatással volt szellemiségére. Írni, olvasni, számolni a vasárnapi egyházi iskolában tanult meg. Már gyermekkorában dolgozott, újságkihordó volt egy könyvkereskedô és könyvkötô mellett, majd 14 éves korától ugyanitt könyvkötôtanonc. Rendszeresen olvasta a kötésre hozott könyveket, különösen megragadta az Encyclopaedia Britannica elektromosságról szóló cikke. Mindenféle kacatokból elektrosztatikus generátort épített, és elektrokémiai kísérleteket is végzett.

Londonban alkalma nyílt meghallgatni Sir Humphry Davy kémiai elôadásait. Az elôadásokról készített bekötött jegyzeteit megküldte Davynek, és állást kért tôle. Akkor nem volt üres hely, de Davy nem feledkezett meg a fiatalemberrôl, és késôbb laboratóriumi asszisztensi állást ajánlott fel neki. Davy a kor legnagyobb kémikusai közé tartozott, de van némi igazság abban az állításban, hogy legnagyobb felfedezése Faraday volt. Davy akkoriban forradalmasította kora kémiáját. Felfezte a nátriumot, a káliumot, a klórt. A sósav elemzésével megcáfolta azt a tévhitet, hogy minden savban van oxigén. Felismerte, hogy a kémiai tulajdonságokban nemcsak az elemi összetétel, hanem a molekulák felépítése is szerepet játszik. Hatott rá a XVIII. századi Ruggiero Giuseppe Boscovich atomelmélete. Faraday késôbbi elképzeléseit is döntôen befolyásolta az a felismerés, hogy az atomok közti "kötések" csak nagy erôvel szakíthatók szét. Faraday 1812-tôl 1820-ig tanult Davy mellett. Ezalatt mindenkinél képzettebb vegyésszé vált. Nagy gyakorlatot szerzett a kémiai analízisben és a laboratóriumi technikákban, kialakultak elméleti nézetei. Felfedezések sorával lepte meg a tudományos világot.

Kémiai analitikusként bírósági szakértô volt; olyan ügyfélkört alakított ki, hogy a díjakból a Royal Institution támogatására is jutott. 1820-ban elsôként állított elô szén-klór vegyületeket (C₂Cl₆-ot és C₂Cl₄-et) oly módon, hogy az etiléngázban a hidrogént klórral helyettesítette; ezek voltak az elsô helyettesítési reakciók. 1825-ben izolálta és írta le a benzolt. Acélötvözetek vizsgálataival sokban hozzájárult a metallurgia és metallográfia tudományának megalapozásához. A londoni Royal Society megbízásából a teleszkópokban alkalmazott optikai üveg minôségének javításán fáradozott, rendkívül nagy törésmutatójú üveget állított elô, ez vezette el 1845-ben a diamágnesség felfedezéséhez. 1821-ben megnôsült, a Royal Institution állandó munkatársa lett, és megkezdte a fizikát forradalmasító kutatásait, az elektromos és mágneses jelenségek vizsgálatát.

H. C. Ørsted 1820-ban felfedezte, hogy egy huzalon átfolyó áram mágneses teret kelt a huzal környezetében. André-Marie Ampère megmutatta, hogy a huzal körül henger alakú mágneses tér alakul ki. Ilyen körkörös erôt korábban nem észleltek. Faraday ismerte fel elsôként ennek következményeit: sikerült megépítenie az elsô elektromotort, olyan szerkezetet, amely az elektromos energiát mechanikai energiává alakítja át.

Faradayt foglalkoztatni kezdte az elektromosság természete. Kortársai úgy vélték, hogy az elektromosság anyagi fluidum, amely úgy folyik a huzalban, mint a víz a csôben. Velük ellentétben Faraday rezgésnek vagy erônek képzelte el az áramot, amely valahogyan a vezetôben keltett feszültségek révén továbbítódik. Az 1820-as években megpróbálta kísérletileg igazolni ezt az elképzelést, de próbálkozásai eredménytelenek maradtak.

Faraday 1831 tavaszán egy másik rezgési jelenség, a hang elméletével kezdett foglalkozni C. Wheatstone társaságában. Különösen elbûvölték a Chladni-ábrák: ezek a minták a vaslemezre szórt könnyû porban alakulnak ki, ha a lemezt egy hegedûvonóval rezgésbe hozzák. Itt tehát egy dinamikus ok hoz létre statikus hatást, és Faraday meggyôzôdése szerint ilyesmi megy végbe az áramot vezetô huzalban is. Még inkább megragadta az a megfigyelés, hogy a minták úgy is elôállíthatók egy lemezen, hogy egy másik lemezt rezgetnek meg a közelében. Ez az akusztikus indukció húzódik meg Faraday leghíresebb kísérlete mögött. 1831. augusztus 29-én egy vastag vasgyûrû egyik oldalára szigetelt huzalt tekercselt, és ezt egy telephez kötötte. A gyûrû másik oldalára tekercselt huzalhoz galvanométert kapcsolt. Arra számított, hogy a telepre kapcsolt áramkör zárásakor "hullám" keletkezik, és ennek a hatására a második áramkörben a galvanométer kitér. Zárta az elsô áramkört, örömmel és megelégedéssel látta a galvanométer mutatójának kilendülését. Az elsô, primer tekercs áramot indukált a második, szekunder tekercsben. Az áramkör megszakításakor viszont Faraday meglepetéssel tapasztalta a galvanométer mutatójának ellenkezô irányú kimozdulását. Valamiért az áram kikapcsolása is áramot indukált a szekunder körben, ennek a nagysága egyenlô, iránya ellentétes volt az eredeti áraméval. Faraday ennek a jelenségnek az alapján vetette fel a huzalban levô részecskék "elektrotonikus" állapotának a létezését; ezt egyfajta feszültségállapotnak tekintette. Úgy vélte, az áram képes ilyen feszültség létrehozására és megszüntetésére. Ámbár nem talált bizonyítékot az elektrotonikus állapot létezésére, de teljesen sohasem adta fel ezt az elképzelést, s ez kihatott legtöbb késôbbi munkájára.

Faraday 1831 ôszén megpróbálta meghatározni az indukált áram keletkezésnek módját. Eredeti kísérletében erôs elektromágnest használt, ezt a primerköri tekercseléssel hozta létre. Most állandó mágnessel próbált meg áramot létrehozni. Felfedezte, hogy egy állandó mágnes ki-be mozgatásának hatására a tekercsben áram indukálódik. Tudta, hogy a mágneseket körülvevô erôk egyszerûen láthatóvá tehetôk, ha a föléjük tartott kartonlapra vasport szórunk. Faraday az így láthatóvá tett "erôvonalakat" a közeg feszültségének vonalaiként értelmezte, ahol a közeg a mágnest körülvevô levegô. Hamarosan felfedezte a mágnesekkel való áramkeltés törvényét: az áram nagysága a vezetô által idôegység alatt átmetszett vonalak számától függ. Azonnal felismerte, hogy egy erôs mágnes pólusai közé helyezett rézkorong forgatásával – ha a korong peremére és a közepére vezetékeket kötnek – folyamatosan lehet áramot elôállítani. A korong széle több erôvonalat metsz, mint a belseje, így a peremet a középpel összekötô áramkörben állandó áram keletkezik. Ez volt az elsô áramgenerátor. Ugyanez a szerkezet az elektromotor közvetlen elôdje is, mert csak meg kellett fordítani a helyzetet: a korong a belétáplált elektromos áram hatására forgásba jött.

Miközben Faraday ezeket a kísérleteket végezte, és eredményeit a tudományos világ elé tárta, sokan kételkedtek abban, hogy az elektromosság különbözô észlelt megjelenései azonosak-e. Az elektromos angolna és más villamos halak által kibocsátott elektromos "folyadék", a sztatikus elektromos generátor által keltett elektromosság, a galvánelem és az új elektromágneses generátor "folyadéka" vajon ugyanaz-e, vagy ezek különbözô törvényeknek engedelmeskedô különbözô fluidumok? Faraday meggyôzôdése szerint nem fluidumok, hanem ugyanannak az erônek a formái, de elismerte, hogy ezt az azonosságot nem sikerült kísérletileg kielégítôen kimutatnia. 1832-ben megkezdett kísérleteitôl azt várta: igazolni fogják, hogy különbözô elektromosságoknak pontosan azonosak a tulajdonságai, ugyanazokat a hatásokat váltják ki; az alapvetô jelenségnek az elektrokémiai bontást tekintette. A problémában elmélyülve két meglepô felfedezésre jutott. A régóta élô feltételezéstôl eltérôen az elektromos erôk nem a távolból hatva okozzák a molekulák felbomlását, hanem az váltja ki, hogy az elektromosság folyékony vezetô közegen halad át. A második felfedezés: a bomlás mértéke egyszerû kapcsolatban áll a folyadékon áthaladó elektromosság mennyiségével. Kísérletei alapján fogalmazta meg Faraday az elektrokémia két alaptörvényét. Az elektrolitikus cella elektródjain kiváló anyag mennyisége egyenesen arányos a cellán áthaladó elektromosság mennyiségével. A második törvény szerint egy adott mennyiségû elektromosság hatására kivált különbözô elemek mennyiségei úgy aránylanak egymáshoz, mint kémiai egyenértéksúlyaik.

Faraday 1839-re megalkotta az elektromos hatás új, általános elméletét. Az elektromosság, bármi is az, feszültségeket hoz létre az anyagban. A feszültségek erôsödése, gyengülése, újabb erôsödése hullámszerûen halad elôre a közegben, az ilyen anyagok a vezetôk. A szigetelôk részecskéi rendkívüli menyiségû feszültséget képesek elviselni. A szigetelôben az elektrosztatikus töltés egyszerûen a felhalmozódott feszültség mértéke. Minden elektromos hatás a testekben elôidézett feszültségek következménye.

A nyolcévi állandó kísérleti és elméleti munka túlságosan megterhelte Faradayt, 1839-tôl egészsége megromlott. A következô hat évben kevés alkotó munkát végzett.

A késôbbi évek. Faraday kezdettôl hitt a természet erôinek egységében. Úgy tartotta, a természetben az összes erô egyetlen univerzális erô megnyilvánulása, épp ezért az erôknek egymásba alakíthatóknak kell lenniük. Egy ismeretterjesztô elôadásában fogalmazta meg elôször, hogy a pontszerû atomokhoz társuló elektromos és mágneses erôvonalak tulajdonképpen azt a közeget jelenthetik, amelyben a fényhullámok terjednek. Évekkel késôbb Maxwell erre a feltevésre építette elektromágneses térelméletét.

Az aktív kutatáshoz visszatérô Faradayt 1845-tôl ismét régi problémája, a feltételezett elektrotonikus állapotok foglalkoztatták. Kísérletei ezúttal sem jártal sikerrel. Ebben az idôben egy ifjú skót, William Thomson (a késôbbi Lord Kelvin) azt javasolta Faradaynek, hogy inkább a mágneses erôvonalakkal kísérletezzék, mert ezek az elektrosztatikus vonalaknál sokkal nagyobb erôsségben állíthatók elô. Faraday megfogadta a javaslatot. Az 1820-as években általa kifejlesztett, nagy törésmutatójú optikai üvegen síkpolarizált fényt bocsátott át, majd bekapcsolt egy elektromágnest, amelynek erôvonalai párhuzamosak voltak a fénysugárral. A kísérlet sikeres volt. A polarizáció síkja elfordult, ez mutatta, hogy feszültség lépett fel az üveg molekuláiban. Faraday ezúttal is felfigyelt egy váratlan eredményre. A fény irányát megfordítva a rotáció iránya nem változott, ebbôl helyesen arra következtetett, hogy a feszültség nem az üveg molekuláiban, hanem a mágneses erôvonalakban jelentkezik.

Ez a felfedezés megerôsítette hitét az erôk egységében. Merészen továbbhaladt, biztos volt abban, hogy minden anyagnak valamilyen módon reagálnia kell a mágneses térre. Ez igaznak is bizonyult, de váratlan módon. Bizonyos anyagok, például a vas, a nikkel, a kobalt és az oxigén úgy álltak a mágneses térbe, hogy kristály- vagy molekulaszerkezetük hossztengelye párhuzamos volt az erôvonalakkal, más anyagok az erôvonalakra merôlegesen rendezôdtek el. Az elsô csoport anyagai az erôsebb mágneses tér irányába mozogtak, a másik csoport anyagai pedig a kisebb térerô felé mozdultak el. Faraday az elsô csoportot paramágnesesnek, a másodikat diamágnesesnek nevezte. További vizsgálatok alapján arra jutott, hogy a paramágneses anyagok a környezetüknél jobban, a dimágnesesek rosszabbul vezetik a mágneses erôvonalakat. 1850-re Faraday radikálisan új tér- és erôfelfogást alakított ki. A tér nem "semmi", nem a testek és erôk puszta helye, hanem olyan közeg, amely képes az elektromos és mágneses erôk hatásainak fenntartására. Az energiák nincsenek azokba a részecskékbe szorítva, melyekbôl kilépnek, inkább a részecskéket körülvevô térben találhatók meg. Maxwell késôbb elismerte, hogy saját, az elektromos és mágneses tereket leíró elméletének alapötletei Faradaytôl erednek, ô a klasszikus téregyenletekkel csak matematikai formába öntötte Faraday elképzeléseit.

Az 1850-es évek közepén Faraday elméje hanyatlani kezdett, de a tudós idônként még végzett kísérleteket. Egyik kísérletében olyan elektromos hatást keresett, amely képes nehéz súlyt felemelni. Úgy vélte, hogy a gravitáció a mágnességhez hasonlóan átalakítható más erôvé, leginkább elektromos erôvé. Várakozásai ezúttal nem teljesültek, a Royal Society visszautasította negatív eredményeinek közlését. Faradayn egyre inkább aggkori gyengeség vett erôt. Viktória királynô a tudománynak szentelt élete jutalmául egy házat adott neki használatra Hampton Courtban, a lovagi címet is felajánlotta. Faraday a házat hálásan elfogadta, de a lovagi rangot visszautasította, mint mondta, élete végéig egyszerûen Mr. Faraday szeretne maradni. A londoni Highgate temetôben nyugszik.