Ο Michael Faraday και ο ηλεκρομαγνητικός στροφέας

 

Ο Michael Faraday και ο ηλεκρομαγνητικός στροφέας

 

O Michael Faraday γεννήθηκε στις 22 Σεπτεμβρίου του 1791 στο Newington Butts κοντά στο Λονδίνο, όπου οι γονείς του είχαν μετοικίσει από το Yorkshire που ζούσαν και ο πατέρας του εργαζόταν ως σιδεράς. Κατά την εφηβεία του ο Faraday εργάστηκε ως βοηθός βιβλιοδέτη για οκτώ χρόνια, όπου εκεί προσπάθησε να καλύψει το χαμηλό επίπεδο των σπουδών του στο σχολείο με πολύ διάβασμα από τα βιβλία που έβρισκε διαθέσιμα στο βιβλιοδετείο. Ανέπτυξε ένα ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον για την μελέτη του «βιβλίου της φύσης» (Cantor et al. 1991) και τους επιστημονικούς πειραματισμούς κάθε είδους και ιδιαίτερα στο πεδίο του ηλεκτρισμού που τον συνεπήρε από την αρχή της ζωής του (Russell, 2000). Στάθηκε τυχερός όταν ένας ευγενής, που ήταν πελάτης του βιβλιοδετείου, του προσέφερε προσκλήσεις για τις διαλέξεις του περίφημου Sir Humphrey Davy (1788-1929) στο Βασιλικό Ινστιτούτο (Royal Institution) του Λονδίνου. Παρακολουθούσε τις διαλέξεις του Davy για 3 χρόνια με μεγάλο ενδιαφέρον και κρατούσε λεπτομερείς σημειώσεις, που έφτασαν τις 300 σελίδες, τις οποίες στη συνέχεια του παρέδωσε σε ένα καλαίσθητα δεμένο τόμο, ζητώντας του να γίνει βοηθός του στο εργαστήριο του. O Davy εκτίμησε τη χειρονομία του Faraday, αλλά δεν τον δέχτηκε αμέσως, παρά μόνο όταν μια δυσμενή συγκυρία τραυματισμού του το επέβαλε (Cantor et al. 1991; Gribbing & Gribbin, 1997). Το 1813, όταν ο Faraday ήταν στα 21 του χρόνια, έγινε βοηθός του Davy, και για τα επόμενα τρία χρόνια τον συνόδεψε σε ταξίδια του στην Ευρώπη, όπου γνώρισε από κοντά όλους τους μεγάλους επιστήμονες τις εποχής και έμαθε πολλά πράγματα, παρά τις δυσκολίες που του επέφερε η υποτιμητική σχέση με τη σύζυγο του Davy, η οποία τον αντιμετώπιζε περισσότερο ως υπηρέτη παρά ως επιστημονικό βοηθό (Gooding & James, 1985). Το 1816, ο Faraday κάνει την πρώτη του επιστημονική δημοσίευση για την καυστική άσβεστο της Τοσκάνης και δείχνει ενδιαφέρον για περαιτέρω μελέτες στη χημεία αλλά και στον ηλεκτρισμό. Όμως, η πρώτη ανεξάρτητη μελέτη που διεξάγει είναι εκείνη για τον «ηλεκτρομαγνητικό στροφέα» το Σεπτέμβριο του 1821, λίγες μέρες έπειτα από το γάμο του με τη Sarah Barnard και την προσχώρησή του στην Εκκλησία των Sandemanian, μια μικρή αίρεση της Εκκλησίας της Σκωτίας, που φαίνεται να επηρέασε τον ασκητικό τρόπο ζωής του και την επιμονή στη σαφήνεια και την απλότητα της σκέψης του (Russell, 2000).

Τον Απρίλιο του 1820 ο Hans Christian Oersted (1777–1851) παρουσιάζοντας πειράματα σε ένα εργαστήριο με τους φοιτητές του στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, παρατήρησε ότι καθώς περνούσε ηλεκτρικό ρεύμα από ένα λεπτό σύρμα πλατίνας που ήταν πάνω από μια πυξίδα, είχε μια επίδραση στην πυξίδα, που την έκανε να στρέφεται προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά, ανάλογα με την πολικότητα της σύνδεσης του καλωδίου με την ηλεκτρική στήλη (μπαταρία). Αυτή ήταν μια πρώτη προσέγγιση της διασύνδεσης του ηλεκτρισμού με το μαγνητισμό, αφού το ηλεκτροφόρο καλώδιο αποκτούσε «μαγνητικές ιδιότητες» και έστρεφε τη μαγνητική βελόνα, χωρίς να μπορεί να δώσει μια εξήγηση για το περίεργο αυτό φαινόμενο, το οποίο μάλιστα δεν εντυπωσίασε ιδιαίτερα και τους φοιτητές του σ’ εκείνο το εργαστήριο, πιθανότατα διότι η αρχική επίδραση ήταν αμυδρή (Cropper, 2001). Την ίδια χρονιά στο Παρίσι, επιστήμονες όπως ο François Arago (1786-1853) και ο André-Marie Ampère (1775-1836), ακολουθούν τις μελέτες του Oersted και διατυπώνουν την προσέγγιση ότι οι μαγνητικές δυνάμεις του διαρρεόμενου αγωγού ήταν κυκλικές, προσδίδοντας μια επίδραση «κυλινδρικού μαγνητισμού» γύρω από το καλώδιο. Δεν είχε παρατηρηθεί ξανά μέχρι τότε μια τέτοια «κυκλική δύναμη» (Nersessian, 1984; Gooding, 1990b; Cropper, 2001).

Πίσω στο Λονδίνο, την ίδια περίοδο (1820-21), ο Davy (κοντά του και ο Faraday), συνέχιζε τις έρευνές του επαναλαμβάνοντας πειράματα του Arago και του Ampère, όπως κι εκείνο όπου είχαν διαπιστώσει ότι ο διαρρεόμενος αγωγός μπορεί να έλκει ρινίσματα σιδήρου. Μόνο που ο Davy, είχε την ιδέα να διασκορπίσει τα ρινίσματα σιδήρου σε ένα χαρτόνι, μέσα από το οποίο περνούσε κατακόρυφα το καλώδιο (αγωγός) και παρατήρησε να σχηματίζεται μια δομή ομόκεντρων κύκλων, κάθετη στο ηλεκτρικό ρεύμα (Gooding & James, 1985). Επίσης, ο William Hyde Wollaston (1766-1828), φίλος και συνεργάτης του Davy, είχε υποστηρίξει την ιδέα ότι το ηλεκτρικό ρεύμα διατρέχει ένα καλώδιο με «σπειροειδή τρόπο» (όπως το σχήμα μίας βίδας) και έτσι, έκανε την πρόβλεψη (υπόθεση) ότι εάν το καλώδιο μπορούσε να κινείται ελεύθερα θα περιστρεφόταν γύρω από τον άξονά του, με την παρουσία ενός μαγνήτη. Οι προσπάθειές του όμως να το αποδείξει πειραματικά ήταν αποτυχημένες, αν και ο Ampère το κατάφερε την επόμενη χρονιά (Gooding, 1990a).

Το καλοκαίρι του 1821, ο Faraday επαναλαμβάνει και εξετάζει τα πειράματα που έχουν γίνει μέχρι τότε, προκειμένου να κάνει μια «ιστορική σκιαγράφησή τους» και να τα κατανοήσει σε βάθος (δημοσιεύει τη μελέτη αργότερα, Faraday 1821-22; Nersessian, 1984; Gooding, 1990a). Σημειώνει τις παρατηρήσεις του στο «Ημερολόγιο» (Diary), το οποίο αποτελεί μια πραγματικά θαυμαστή οργάνωση διερεύνησης και δημιουργικής επιστήμης (Tweney, 1991).

 

Στις 3 Σεπτεμβρίου του 1821, ξεκινά τους πειραματισμούς και τις σημειώσεις του, εξετάζοντας τη συμπεριφορά μαγνητικών βελόνων-μαγνητών και διαρρεόμενων αγωγών, σε διάφορες θέσεις μεταξύ τους, σε οριζόντιο και κατακόρυφο επίπεδο. Φαίνεται να έφτανε στην άποψη ότι η επίδραση του μαγνήτη δεν θα έκανε το καλώδιο να περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του, όπως ισχυριζόταν ο Wollaston, αλλά θα το έκανε να κινείται παράπλευρα, από τη μία και την άλλη μεριά. Κατάφερε να αποδείξει αυτή την ιδέα του με ένα ευφάνταστο πείραμα. Κατασκεύασε μια διάταξη όπου ένα κατακόρυφο σύρμα ήταν στην πάνω μεριά γαντζωμένο και βυθισμένο σε δοχείο με υδράργυρο και στην κάτω μεριά, μέσα σε ένα άλλο δοχείο, πάλι με υδράργυρο. Έτσι, το σύρμα μπορούσε να στρέφεται ελεύθερα και επίσης να συνδέεται με μία ηλεκτρική στήλη (μπαταρία). Όταν έφερνε ένα μαγνήτη κοντά στο σύρμα (καλώδιο), εκείνο, είτε πλησίαζε προς το μέρος του είτε απομακρυνόταν, ανάλογα με τον πόλο του μαγνήτη που προσέγγιζε. Όταν στη συνέχεια λύγισε το σύρμα σε σχήμα «Π», ώστε ο μαγνήτης να μπορεί να μπαίνει μέσα στο σύρμα, κοντά στη μέση του άξονά του, τότε εκείνο στρεφόταν έτσι, ώστε να πλησιάσει προς το μαγνήτη. Όταν αντέστρεφε γρήγορα το μαγνήτη, προσεγγίζοντας τον άλλο πόλο του στο σύρμα, εκείνο απομακρυνόταν γρήγορα (βλ. παραπάνω εικόνα, Russell, 2000, σ. 63). Εκτελώντας συνεχώς αυτή την εναλλαγή με το μαγνήτη, κατάφερνε μια συνεχή κίνηση του λυγισμένου σύρματος. Αυτή ήταν και η πρώτη προσέγγιση του ηλεκτρομαγνητικού στροφέα (Gooding, 1990a; 1990b; Russell, 2000). Σημειώνει επίσης στο Ημερολόγιό του τον ισχυρισμό για τα καλώδια ότι «… αυτά καταδεικνύουν κινήσεις σε κύκλους γύρω από κάθε πόλο» του μαγνήτη. Αυτό φαίνεται να είναι μια διαίσθηση που θα επιβεβαίωνε μέσα από το επόμενο διάσημο πείραμα, που μάλλον όμως προέκυψε μέσα από εκείνα που μάθαινε και κατέγραφε στην πορεία των πειραμάτων αυτής της ημέρας (Gooding & James, 1985; Gooding, 1990b).

 

Στις επόμενες δύο σελίδες του Ημερολογίου της ίδιας μέρας (πρβλ. Εικ. 1) κατασκευάζει μία διάταξη για να διαπιστώσει αν ένα ηλεκτροφόρο καλώδιο μπορεί να περιστρέφεται γύρω από ένα σταθερό μαγνήτη (Martin, 1932-36/2008; Gooding, 1990b). Στερεώνει κατακόρυφα ένα κομμάτι σύρμα, πάνω σε ένα οριζόντιο άξονα, γαντζωμένο μέσα σε ένα δακτύλιο, προκειμένου να έχει δυνατότητα περιστροφής. Τοποθετεί ένα μαγνήτη μέσα σε ένα δοχείο και τον σταθεροποιεί στο κέντρο του με λίγο κερί. Στη συνέχεια, γαντζώνει ένα δεύτερο σύρμα μέσα στο δοχείο στο πλάι του και ρίχνει μέσα υδράργυρο μέχρι λίγο πιο κάτω από το ύψος του μαγνήτη. Συνδέει τον ένα πόλο της μπαταρίας με το μεταλλικό οριζόντιο άξονα στήριξης που κρέμεται το καλώδιο και τον άλλο πόλο με το γαντζωμένο καλώδιο, που βρίσκεται στο πλάι του δοχείου που περιέχει το μαγνήτη και τον υδράργυρο. Το κατακόρυφο σύρμα, που η άκρη του είναι βυθισμένη μέσα στον υδράργυρο και βρίσκεται σε μικρή ακτίνα μακριά από το μαγνήτη, αρχίζει να περιστρέφεται γύρω του! (βλ. ένα αρχικό του σκίτσο στην αριστερή εικόνα). Ενθουσιάζεται, μάλλον, ο Faraday, αλλά σημειώνει στο Ημερολόγιό του με νόημα «πολύ ικανοποιητικό, αλλά να φτιάξω μια πιο κατανοητή συσκευή» (την επόμενη χρονιά κατασκεύασε κι εκείνη που υπάρχει στην Εικ. 3). Φαίνεται ότι, ακόμα και την επόμενη στιγμή αυτής της μεγάλης επιτυχίας του, σκέφτεται πώς θα κάνει κατανοητό στην κοινότητα το εύρημά του. Όντως κατασκευάζει μια βελτιωμένη συσκευή την επόμενη μέρα και λίγο αργότερα ένα μοντέλο μέσα σε ένα σωλήνα (βλ. αντίστοιχα Εικ. 2 δεξιά), στο οποίο αρκεί η προσθήκη υδράργυρου και η σύνδεση με μία μπαταρία για να δουλέψει (Gooding & James, 1985; Gooding, 1990b).

 

Ο Faraday φαίνεται να έχει επίγνωση ότι η μελέτη αυτή θα του φέρει μεγάλη διεθνή αναγνώριση και καταξίωση και συνεχίζει να εργάζεται εντατικά για να δημοσιεύσει (Steinle, 1995). Μέσα σε μία εβδομάδα (11 Σεπτεμβρίου 1821) ολοκληρώνει μία 20σελίδη εργασία για δημοσίευση (Faraday, 1821). Ίσως πάνω στη βιασύνη του, λησμονεί να παραπέμψει στις αρχικές ιδέες του Wollaston περί περιστροφής του καλωδίου, αν και η ιδέα εκείνου αναφερόταν γύρω από τον άξονά του, ενώ ο Faraday ενδιαφερόταν και διατύπωνε εικασίες για άλλα, πρωτόγνωρα είδη κινήσεων περιφοράς του καλωδίου, έξω από το γνωστό πλαίσιο της εποχής (Nersessian, 1984; Steinle, 1995). Έτσι, κατηγορείται για πλαγιαρισμό και ασέβεια προς τον Wollaston. Αντιμετωπίζει συνετά τις κατηγορίες, με αλληλογραφία και συναντήσεις και το ζήτημα παραμερίζεται, ακόμα και από τον ίδιο τον Wollaston. Όμως, ο Davy, δύο χρόνια αργότερα (1823), δημοσιεύει και πάλι για το ζήτημα του πλαγιαρισμού και παράλληλα βάζει εμπόδια για την εκλογή του Faraday στη Royal Society, αλλά τελικά, ο άλλοτε βοηθός και συνεργάτης του, εκλέγεται πανηγυρικά ως μέλος, ίσως με μόνη τη δική του καταψήφιση (Russell, 2000; Cropper, 2001).

Δείτε παρακάτω το ενδιαφέρον βίντεο "Ο Λουκουμάς του Faraday", από τη σειρά "Τα έξι πειράματα που άλλαξαν τον κόσμο", με ελληνικούς υπότιτλους από την προβολή του στη ΝΕΤ