Wywiad z Jocelyn Bell Burnell /Interview with Jocelyn Bell Burnell

 

Michael Faraday (1791 – 1867) – z londyńskich slumsów ku epokowym odkryciom

                                                                 Zdjęcie Michaela Faradaya - domena publiczna

 Urodził się dokładnie 229 lat temu, 22 września 1791 roku w rodzinie ubogiego kowala. James Faraday często niedomagał i był niezdolny do pracy, więc młody Michael bardzo wcześnie, w wieku 13 lat, musiał porzucić szkołę i pomóc w utrzymaniu rodziny. Może dobrze się stało, bo przez swoją wadę wymowy nie miał łatwego życia w szkole. Szczęśliwie trafił jako praktykant do introligatora – dzięki temu biedny chłopak ze slumsów miał dostęp do książek, na które normalnie nie było go stać. Szczególnie zainteresowały go książki z dziedziny chemii i fizyki, zawierające opisy wielu fascynujących doświadczeń. Za uciułane ze skromnej pensji pieniądze kupował pierwsze narzędzia do przeprowadzania własnych eksperymentów. Artykuł na temat elektryczności, który ciekawski nastolatek znalazł w Encyklopedii Britannica chyba dosłownie go… „zelektryzował”, bo chwilę później pobiegł do domu i zbudował swoją wersję stosu Volty, urządzenia, które po raz pierwszy zostało zaprezentowane raptem kilka lat wcześniej i które zapoczątkowało lawinę odkryć w dziedzinie magnetyzmu i elektryczności.

Jak to z tą elektrycznością było?

Dzisiaj fakt, że w naszych domach funkcjonuje cała gama urządzeń zasilanych prądem elektrycznym, uważamy za coś oczywistego. Jednakże zrozumienie zjawiska elektryczności i zaprzęgnięcie go do pracy na rzecz postępu technicznego i naszej wygody zajęło ludziom kilkanaście stuleci. Już Tales z Miletu, grecki matematyk żyjący na przełomie VII i VI wieku p.n.e., wykonywał ponoć takie doświadczenie: kawałek bursztynu, czyli skamieniałej żywicy, pocierał mocno wełną bądź skrawkiem futra, a następnie przybliżał do niego coś lekkiego, np. piórko, które natychmiast do bursztynu przylegało. Bursztyn to po grecku elektron, stąd nazwa zjawiska: elektryczność. Potrzyjcie balonem o sweter i otrzymacie ten sam efekt: tarcie spowoduje przeskok pewnej liczby elektronów ze swetra na balon. Balon będzie wówczas naładowany ujemnie, dlatego kiedy zbliżymy go do ściany, łatwo do niej przylgnie. Na pewno nie raz tego doświadczaliście: jeśli przez chwilę pochodzimy po dywanie ze sztucznego tworzywa, a następnie dotkniemy metalowego przedmiotu, poczujemy dość mocne „kopnięcie” – można nawet wówczas zaobserwować przeskok iskry. To sytuacja podobna do tej z balonem: szurając stopami po dywanie, gromadzimy na sobie ładunki, które metal chętnie przyjmuje. To tzw. elektryczność statyczna, czyli taka, która nie jest związana z uporządkowanym ruchem ładunków elektrycznych.

Badania nad zjawiskiem elektryczności nabrały tempa dopiero w XVIII wieku. Benjamin Franklin, wybitny amerykański polityk, filozof i naukowiec, przeprowadzał doświadczenia z piorunami: podczas burzy puszczał latawiec, umieściwszy uprzednio metalowy klucz na końcu mokrego sznurka. Kiedy następowało wyładowanie, można było zaobserwować iskry przeskakujące z klucza do ziemi. W pierwszej połowie XVIII wieku uczeni wiedzieli już, jak uzyskać iskrę, lecz wciąż pozostawała zagwozdka: jak tę energię magazynować, a następnie sprawić, by można ją było przesyłać. I nie było to łatwe zadanie! Urządzenie do przechowywania ładunków elektrycznych nazywamy kondensatorem, a pierwszym pojemnikiem służącym temu celowi była tzw. butelka lejdejska. Jej nazwa pochodzi od holenderskiego miasta Lejda, gdzie została wynaleziona w 1746 roku, choć podobny przyrząd zaprezentowany został mniej więcej w tym samym czasie przez innego wynalazcę w Kamieniu Pomorskim, będącym wówczas częścią Królestwa Prus. Butelka lejdejska była szklanym naczyniem, wypełnionym wodą i zatkanym korkiem, przebitym na wylot miedzianym drutem. Ładowano ją elektrycznie poprzez zetknięcie drutu z naładowanym ciałem.

Prawdziwy przełom nastąpił w 1800 roku, kiedy włoski fizyk i wynalazca Alessandro Volta skonstruował wspomniany stos Volty. Składał się on z trzech rodzajów krążków, ułożonych naprzemiennie: cynkowych, tekturowych oraz miedzianych. Tektura nasączona była roztworem soli lub kwasu, np. octu. Obserwując eksperymenty Luigiego Galvaniego z tzw. zwierzęcą elektrycznością, łebski Volta wykombinował, że wystarczy wziąć dwa różne rodzaje metalu i zanurzyć je w kwasie – elektrolicie – by wywołać przepływ prądu elektrycznego. W jego zmyślnym urządzeniu między metalami a kwasem zachodzą reakcje elektrochemiczne, w wyniku których atomy cynku tracą elektrony, stając się dodatnio naładowanymi jonami. Jony te (kationy) następnie przechodzą do kwasu, pozostawiając po sobie elektrony na płytce. Na płytce miedzianej zachodzi proces odwrotny: miedź bowiem oddaje elektrony na rzecz obecnych w roztworze jonów dodatnich, czyli cząsteczek, w których jest niedobór elektronów w atomach. Pod wpływem reakcji chemicznych z roztworem płytka miedziana staje się więc naładowana dodatnio. Warto wiedzieć, że metale różnią się między sobą m.in. tym, na ile są zdolne przyłączać lub oddawać elektrony. I tak właśnie jest z cynkiem i miedzią. Metalowe elementy w stosie Volty nazywamy elektrodami, a kwas, z którym reagują, to wspomniany elektrolit. Teraz wystarczy połączyć płytki drutem, a elektrony zaczną płynąć z miejsca, gdzie jest ich nadmiar, tam, gdzie jest ich niedobór. Stos Volty był w istocie prekursorem współczesnych baterii. Sami możecie się o tym przekonać i zbudować swój własny model – wystarczy do tego kilka podkładek ocynkowanych i miedzianych, które można kupić w sklepie hydraulicznym. Do tego wytnijcie kilka krążków z tektury o takiej samej średnicy, co wasze podkładki, namoczcie w occie i ułóżcie to wszystko, tak, jak na rysunku. Za pomocą miernika uniwersalnego sprawdźcie, czy wasz stos działa.

 

 

Duński fizyk i chemik Hans Christian Ørsted posługiwał się w swoich badaniach podobnym przyrządem. Jego działanie demonstrował także na licznych prowadzonych przez siebie wykładach – wieść głosi, że był pierwszorzędnym nauczycielem, który uwielbiał spotkania ze studentami. 21 kwietnia 1820 roku, tuż przed porannym wykładem, Hans ustawiał aparaturę do doświadczeń i po połączeniu obu końców swojej baterii przewodem zauważył, że pod wpływem przepływającego przez przewód prądu elektrycznego igła kompasu ustawionego w pobliżu aparatury odchyla się. Odchylenie to było niezauważalne dla siedzących w sali studentów, dla Ørsteda był to jednak wymowny sygnał, że między elektrycznością i magnetyzmem istnieje ścisły związek. Na tym eksperymencie oczywiście się nie skończyło – Ørsted powtórzył go jeszcze wielokrotnie, używając do tego różnych rodzajów przewodów i w każdym przypadku igła kompasu konsekwentnie się odchylała. Praca Ørsteda na ten temat była sensacją wśród fizyków, stanowiąc zachętę dla kolejnych eksperymentatorów. Francuski fizyk i matematyk André Ampère wkrótce potwierdził tezę, że prąd płynący przez cewkę zbudowaną ze zwojów miedzianego drutu wytworzy pole magnetyczne – innymi słowy, cewka wykaże takie właściwości, jakie ma magnes trwały. Niedługo potem skonstruowano pierwszy elektromagnes – urządzenie składające się z dwóch zwojów drutu miedzianego oraz żelaznego rdzenia w kształcie podkowy. Po włączeniu prądu pole magnetyczne wokół drutu powodowało, że element żelazny zachowywał się jak magnes. Po wyłączeniu prądu właściwości magnetyczne zanikały.

Wykorzystane szanse, wielkie odkrycia

Głodny wiedzy Faraday wykorzystał każdą sposobność, by mieć kontakt z nauką. Pod tym względem los był dla niego dość łaskawy, bo co i rusz takie okazje mu podsuwał, że wspomnę choćby robotę w introligatorni w otoczeniu książek. W 1812 roku dwudziestoletniemu Faradayowi wpadł w ręce bilet na wykłady z chemii prowadzone w Londyńskiej Royal Institution przez znamienitego chemika, Sir Humphry Davy’ego. Faraday oczywiście na wykład poszedł, a tam dosłownie chłonął wszystko, co usłyszał. Wszystko to także skrupulatnie notował, a kiedy wrócił do warsztatu, notatki starannie oprawił i wysłał Davy’emu wraz z prośbą o przyjęcie do pracy. Davy był pod wrażeniem i niemal natychmiast odpisał skromnemu introligatorowi. Niestety, posady zaproponować nie mógł, ale dobrze go sobie zapamiętał. Kiedy kilka miesięcy później jeden z jego asystentów został zwolniony za awanturnictwo, Faraday zajął jego miejsce.

                                                                 Humphry Davy, domena publiczna

Humphry Davy był przystojny, błyskotliwy, nieco impulsywny, miał niespożytą energię i niezwykle bujną wyobraźnię. Pisał wiersze, rysował, zbierał i badał minerały. No i odkąd jako kilkunastolatek zaczął terminować u aptekarza, stał się nieustraszonym chemikiem-eksperymentatorem. A to się sztachnął jakimś gazem, np. podtlenkiem azotu (gazem rozweselającym), żeby sprawdzić, jakie ma działanie na ludzki organizm; a to sobie przygotował mieszankę, która okazała się wybuchowa i oczywiście eksplodowała, niemal pozbawiając go wzroku (i życia). Na początku XIX wieku, tuż po tym, jak Alessandro Volta skonstruował swój stos Volty, Humphry Davy zajął się elektrolizą. Szybko dostrzegł, że doprowadzając do różnych roztworów lub stopionych soli prąd elektryczny, da się ze związków chemicznych wyizolować poszczególne pierwiastki chemiczne. To jemu zawdzięczamy odkrycie sodu, potasu, magnezu, wapnia, strontu, baru. To on także uważany jest za odkrywcę boru i to on udowodnił, że chlor to pierwiastek chemiczny, a nie związek chemiczny, jak dotychczas sądzono. Pod okiem Davy’ego Faraday doskonalił swoją wiedzę chemiczną, w szczególności w dziedzinie elektrolizy – dwadzieścia lat później sformułował dwa prawa elektrolizy, zwane prawami elektrolizy Faradaya. W latach 20. XIX wieku Faraday odkrył benzen, skroplił kilka gazów, w tym chlor, badał stale stopowe oraz wytwarzał różne rodzaje szkła do produkcji soczewek. Najważniejsze jednak miało dopiero nadejść.

Skąd ten prąd?

Świeżo odkryte i badane przez starszych kolegów, m.in. Ørsteda i Ampère’a, zjawiska związane z magnetyzmem i elektrycznością zainspirowały Michaela Faradaya do własnych doświadczeń. Kilka lat i setki mniej lub bardziej udanych eksperymentów później, w 1831 roku przeprowadził doświadczenie, które na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać całkiem niepozorne: do wewnątrz niewielkiej, zamkniętej pętli wykonanej z metalowego drutu uczony wsuwał, a następnie wysuwał z niej magnes. Tylko tyle i aż tyle: okazało się, że poruszający się magnes wywoływał przepływ prądu elektrycznego. To samo zjawisko można zresztą zaobserwować, „odwracając” porządek tego doświadczenia: gdybyśmy umieścili zawinięty w pętlę drut miedziany pomiędzy biegunami magnesu trwałego, a następnie zaczęli obracać zwojnicę, jej ruch w polu magnetycznym spowoduje przepływ prądu. Tak właśnie działają prądnice, począwszy od prostego dynama rowerowego, na ogromnych generatorach prądu w elektrowniach skończywszy. Odkryte przez Faradaya zjawisko nosi nazwę indukcji elektromagnetycznej, która polega na tym, że zmieniające się pole magnetyczne powoduje przepływ prądu elektrycznego. Niedługo po tym odkryciu Faraday skonstruował pierwszy generator prądu elektrycznego, składający się z metalowego dysku (wykonanego np. z miedzi) umieszczonego pomiędzy biegunami magnesu podkowiastego. To proste urządzenie to prekursor prądnic i generatorów używanych dzisiaj w elektrowniach, dzięki którym możliwe jest wytwarzanie i przesyłanie energii elektrycznej do milionów domów i fabryk.

                                                Dysk Faradaya, domena publiczna

Dynamo rowerowe to taki mini-generator prądu elektrycznego. Kiedy użyjemy umieszczonego z boku dynama przycisku, wokół widocznego w środku uzwojenia będzie poruszał się magnes trwały. Dzięki temu lampka zacznie świecić!

Co jeszcze od Faradaya? Długo by wymieniać: to m.in. skonstruowanie pierwszego silnika elektrycznego oraz przeprowadzenie doświadczeń wykazujących związek pomiędzy światłem i magnetyzmem i odkrycie tzw. zjawiska magnetooptycznego. To Faradayowi zawdzięczamy wprowadzenie do fizyki pojęć „pola” oraz „linii sił pola”. Ten wielki eksperymentator–samouk z powodu swojego pochodzenia i braku formalnego wykształcenia miał duże niedostatki wiedzy matematycznej. Ścisłą matematyczną formę jego odkryciom nadał inny wielki fizyk, James Clerk Maxwell - badania Faradaya stanowiły podstawę jego elektromagnetycznej teorii światła. Swoją wiedzą Michael Faraday chętnie się dzielił – w latach 20. XIX wieku zapoczątkował serie pokazów i wykładów bożonarodzeniowych dla dzieci i młodzieży, które kontynuował do 1860 roku. Ta tradycja została podchwycona przez późniejszych uczonych – popularyzatorów nauki i trwa do dziś.

Inny gigant nauki, Ernest Rutherford powiedział o nim: “Kiedy rozważymy rozmiar i zasięg jego odkryć oraz ich wpływ na postęp w nauce i przemyśle, nie sposób wyobrazić sobie adekwatnego symbolu upamiętnienia Faradaya, jednego z największych naukowych odkrywców wszechczasów”. Za każdym razem, kiedy włączacie światło, radio, telewizor lub odbieracie telefon, koniecznie przypomnijcie sobie o Michaelu Faradayu, ubogim chłopaku z londyńskich slumsów.

P.S. O Faradayu i wielu innych wybitnych uczonych przeczytacie w moich książkach o których wspominam w opisie profilu. Ilustracje do tego artykułu pochodzą z książki "Fizyka dla laika", a autorem rysunków jest Jacek Kenig.

Koniecznie zajrzyjcie na blog teoriaelektryki.pl, jeśli chcecie, by zagadnienia elektryczności i magnetyzmu przestały być dla was tajemnicą i szukacie medium, gdzie wszystko jest tłumaczone krok po kroku przystępnym językiem.