مایکل فارادی (Michael Faraday)

مایکل فارادی (Michael Faraday) دانشمند بریتانیایی قرن ۱۸ و ۱۹ بود که دستاوردهای بزرگی در علوم فیزیک و شیمی داشت. امروزه او بیش از همه به‌خاطر تحقیقات در حوزه‌های الکترومغناطیس و الکتروشیمی شناخته می‌شود. از بزرگ‌ترین دستاوردهای فارادی می‌توان به تدوین مفاهیم القاء الکترومغناطیسی، مواد دیامغناطیس و الکترولیز اشاره کرد.

دانشمند پیش‌گام الکترومغناطیس تحصیلات رسمی زیادی نداشت، اما یکی از تأثیرگذارترین افراد در تاریخ علم محسوب می‌شود. او مفهوم میدان مغناطیسی را از طریق آزمایش و با مشاهده‌ی تغییرات رساناهای حامل جریان مستقیم درک کرد. به‌علاوه فارادی تأثیر مغناطیس بر تابش نور را نیز کشف کرد و ارتباط بین آن‌ها را پدیده‌ای محتمل در فیزیک دانست. نوآوری‌های و اختراعات او در حوزه‌ی تجهیزات چرخشی الکترومعناطیسی، پایه‌های علم و صنعت مهمی به‌نام موتورهای الکتریکی را تشکیل داد.

ارادی علاوه‌بر تحقیقات و دستاوردهای متعدد در فیزیک، آزمایش‌ها و مطالعات بسیاری هم در حوزه‌ی شیمی داشت. مایع بنزن، هیدرات گازی کلر، چرغ بونزن، سیستم اعداد اکسیداسیون، اصطلاحات علمی آند، کاتد، الکترود و یون همگی از دستاوردهای دانشمند بریتانیایی در حوزه‌ی شیمی هستند. فعالیت‌های شیمی فارادی به‌حدی مهم و تأثیرگذار بود که او درنهایت به‌عنوان اولین و برترین استاد Fullerian انجمن سلطنتی علوم لندن در شاخه‌ی شیمی انتخاب شد.

دانشمندان بزرگی در طول تاریخ احترام زیادی برای فارادی قائل بوده‌اند و به‌نوعی با استفاده از دستاوردهای او، شاخه‌های مهم علوم را شکل داده‌اند. جیمز کلارک مکسول یکی از آن‌ها بود که با ادامه‌ی فعالیت‌های علمی فارادی، مفاهیم الکترومغناطیس را علمی‌تر کرد و فرمول‌های مهم آن را توسعه داد. آلبرت انیشتن در اتاق کار خود در کنار عکس ایزاک نیوتن و مکسول، تصویری از فارادی را نصب کرده بود. ارنست رادرفورد، مفاهیم مغناطیس و دستاوردهای بزرگ آن در تاریخ بشر را همگی مدیون فارادی می‌دانست.

 

 

اولین دستاوردهای علمی

فارادی سال‌های ابتدایی فعالیت علمی خود را در شیمی شروع کرد. اعتبار فارادی به‌عنوان یک شیمی‌دان تحلیلی، چهره‌ای حرفه‌ای برای شهادت دادن در پرونده‌های حقوقی مرتبط به او داده بود. او مشتریان متعددی در این موضوع داشت و از درآمدش برای کمک به انجمن سلطنتی علوم لندن هم استفاده می‌کرد. اولین دستاورد مهم آزمایشگاهی فارادی در سال ۱۸۲۰ شکل گرفت. او توانست اولین ترکیب پایدار کربن و کلر را تولید کند. ترکیب مذکور با جایگزینی کلر به‌جایهیدروژن در اتیلن به دست آمدند که اولین واکنش جایگزینی تاریخ هم نام گرفت. دستاورد بزرگ دیگر کشف بنزن بود که در جریان تحقیقات سال ۱۸۲۵ پیرامون گازهای درخشان کسب شد.

یکی از مهم‌ترین تأثیرات فارادی در تاریخ صنعت، در دهه‌ی ۱۹۲۰ و جریان تحقیقات او پیرامون آلیاژها‌ی فولاد ایجاد شد. دانشمند بریتانیایی در جریان شناخت انواع آلیاژهای موجود از این طلای صنعتی، پایه‌های اولیه‌ی متالورژی علمی و متالوگرافی را شکل داد. پروژه‌ی مهم بعدی، بهبود کیفیت شیشه‌های اپتیکی تلسکوپ بود که از سوی انجمن سلطنتی به فارادی ابلاغ شد. او در جریان این پروژه توانست شیشه‌ای با ضریب شکست بالا تولید کند که در دهه‌های بعد و کشف دیامغناطیس نقشی حیاتی داشت.

هانس کریسشن اورستاد در سال ۱۸۲۰ از کشف میدان مغناطیسی خبر داد. او ادعا می‌کرد که با عبور جریان مستقیم از یک سیم، میدان مغناطیسی در اطراف آن ایجاد می‌شود. آندره ماری آمپر نظریه را پیشرفت داد و نیروی ایجادشده در اطراف سیم را دایره‌ای خواند. او اثر نیرو را به‌صورت یک استوانه‌ی توخالی در اطراف سیم شرح داد. تا پیش از این کشفیات، هیچ نیروی دایره‌‌ای در علم فیزیک مطرح نشده بود و فارادی تأثیرات کشف جدید را بسیار بالا می‌دانست.

فارادی با بررسی کشفیات دانشمندان قبلی تصور کرد که با ثابت نگه‌داشتن یک قطب مغناطیسی می‌توان آن را به‌صورت دورانی در اطراف یک سیم حامل جریان مستقیم به گردش درآورد. هوش بالا و توانایی‌های آزمایشگاهی او باعث شد تا نمونه‌ای اولیه از دستگاهی برای اثبات این نظریه بسازد. دستگاه مذکور که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کرد، اولین موتور الکتریکی تاریخ بود.

دستاورد بزرگ الکتریکی-مکانیکی، فارادی را به اندیشیدن هرچه بیشتر پیرامون طبیعت الکتریسیته تشویق کرد. او برخلاف دانشمندان زمان خود با تفسیر الکتریسیته به‌عنوان ماده موافق نبود. در آن سال‌ها تصور دانشمندان بر این بود که الکتریسیته در سیم، ماده‌ای است که شبیه به آب در لوله حرکت می‌کند. فارادی در مقابل تعریف‌های مرسوم تصور می‌کرد که الکتریسیته نیرو یا لرزشی است که بر اثر یک کشش در رسانا، به جریان در می‌آید.

فارادی پس از کشف بزرگ در حوزه‌ی دوران الکترومغناطیسی، به آزمایش‌های مرتبط با نور و مغناطیس علاقه‌مند شد. او جریانی از نور پولاریزه را از محلولی عبور داد که یک تجزیه‌ی الکتروشیمیایی در آن در جریان بود. هدف از این آزمایش، تشخیص کشش‌‌های بین مولکولی در محلول بود. فارادی اعتقاد داشت عبور جریان الکتریکی باعث ایجاد چنین تنش‌هایی می‌شود. به‌هرحال آزمایش‌های مذکور موفقیت‌های چندانی برای او به‌همراه نداشتند و در طول دهه‌ی ۱۹۲۰ چندین بار تکرار شدند.

چارلز ویتستون همکار بزرگ بعدی در زندگی فارادی بود که از سال ۱۸۳۱ با او وارد همکاری شد. آن‌ها روی نظریه‌ی صوت به‌عنوان یکی دیگر از پدیده‌های لرزشی تحقیقات انجام می‌دادند. آزمایش روی نظریه‌ی صوت، هیجان زیادی را در فارادی به‌همراه داشت و نظریه‌ی ایجاد اثر استاتیکی بر اثر نیروی دینامیکی را تقویت می‌کرد. همین نظریه، تصور فارادی از جربان الکتریسیته در سیم را تقویت می‌کرد. پدیده‌ی مهم دیگر، اثر آکوستیک صدا روی اجسام مجاور بود که باز هم روی نظریه‌های انقلابی فارادی تأثیر گذاشت.

 

یکی از مهم‌ترین آزمایش‌های فارادی در حوزه‌ی الکتریسیته در ۲۹ اوت سال ۱۸۳۱ رخ داد. او یک حلقه‌ی ضخیم آهنی را از یک سو با سیم عایق متصل به باتری و از سوی دیگر با سیم متصل به گاوانومتر پوشاند. فارادی انتظار داشت که با بسته شدن مدار باتری، یک موج ایجاد شده و اثر آن روی گالوانومتر دیده شود. پس از بسته شدن مدار، انتظار او رخ داد و سوزن گالوانومتر به بالا پرید. درنتیجه با ایجاد جریان در اولین سیم‌پیچ، جریانی در سیم‌پیچ دوم القا شده بود.

فارادی در ادامه‌ی آزمایش القایی خود نتیجه‌ی قابل‌توجهی کسب کرد. او پس از باز کردن مدار متوجه حرکت سوزن گالوانومتر در جریان عکس شد. درواقع قطع کردن جریان هم نوعی جریان القایی ایجاد کرده بود که برابر و در جهت مخالف جریان اولیه بود. پدیده‌ی جدید فارادی را بر آن داشت تا مفهوم جدیدی در الکتریسیته مطرح کند و حالتی «الکترونیکی» ذرات موجود در سیم، به‌عنوان حالتی از تنش معرفی شد. فارادی درنهایت جریان را نتیجه‌ی ایجاد یا از بین رفتن حالت تنش مذکور خواند. به‌هرحال با‌اینکه او نتوانست توضیحی تجربی برای فاز الکترونیکی مطرح کند، هیچ‌گاه از نظریه‌های مرتبط عقب‌نشینی نکرد و سهم عمده‌ای از فعالیت‌های بعدی‌اش، وابسته به همین آزمایش بود.

آزمایش‌ها در جهت کشف هرچه بیشتر ماهیت جریان القایی در سال ۱۸۳۱ و تا پاییز ادامه پیدا کردند. آزمایش اصلی او شامل یک آهن‌ربای الکتریکی قوی بود که با سیم‌پیچ تولید شد. فارادی در آزمایش جدید تلاش کرد تا با استفاده از یک آهن‌ربای دائمی، جریان ایجاد کند. او متوجه شد که وقتی یک آهن‌ربای دائمی به داخل و خارج از یک سیم‌پیچ حرکت کند، در آن جریان القا می‌‌کند.

فارادی می‌دانست که آهن‌ربا با خطوط نیرویی احاطه می‌شود و می‌توان با آزمایش‌هایی ساده متشکل از براده‌ی آهن و کاغذ، شکل نیروی آن را نشان داد. او خطوط نیروی اطراف آهن‌ربا را به خطوط تنش در محیط (همان هو) تشبیه کرد و به‌سرعت به قانون تولید جریان الکتریکی با آهن‌ربا دست یافت. قانون مذکور می‌گوید: «اندازه‌ی جریان وابسته به تعداد خط‌های نیرویی است که در واحد زمان توسط ماده‌ی رسانا قطع می‌شوند».

 

 

ادامه‌ی آزمایش‌های فارادی با آهن‌ربا و جریان الکتریسیته، منجر به دستاوردهای مهم دیگر شد. در آزمایش‌های بعدی یک دیسک مسی بین قطب‌های مثبت و منفی یک آهن‌ربا به گردش درآمد که منجر به تولید جریان شد. در این آزمایش لبه‌های دیسک خطوط بیشتری را نسبت به داخل آن قطع می‌کردند و درنتیجه با ایجاد مداری از خارج تا داخل دیسک، جریان دائمی برقرار شد. نتیجه‌ی این آزمایش، ساخت اولین دینام توسط فارادی بود که به‌عنوان نسل اول موتورهای الکتریکی هم شناخته شد.

زمایش‌های فارادی در حوزه‌ی الکتروشیمی، زمینه‌ی لازم را برای تحقیقات بیشتر در حوزه‌ی القای الکتریکی استاتیکی فراهم کرد. در آزمایش اول متوجه شدیم که مقدار الکتریسیته‌ی جاری از میان یک محیط رسانا همچون سلول الکترولیتی، مقدار ماده‌ی جمع‌شده در الکترودها را مشخص می‌کرد. درنتیجه شاید بتوان مقدار الکتریسیته‌ی القاشده در یک رسانا را نیز وابسته به ماده‌ی تشکیل‌دهنده‌ی آن دانست. در تعریف ساده، نظریه‌ی فارادی ادعا می‌کرد که هر ماده می‌تواند ظرفیت القایی منحصربه‌فرد داشته باشد. درنهایت نظریه‌ی او اثبات شد و امروز فارادی به‌عنوان کاشف این حقیقت شناخته می‌شود.

فارادی در سال ۱۸۳۹ نظریه‌ی جدید و جامعی درباره‌ی الکتریسیته و تأثیرات آن ارائه کرد. او ادعا کرد که الکتریسیته صرف‌نظر از تعریف نهایی منجر به ایجاد تنش در ماده می‌شود. وقتی تنش‌ها به‌حدی غیرقابل تحمل در ماده برسند، زنجیره‌ای از رخدادها در آن ایجاد می‌شود که به‌صورت یک موج جریان پیدا می‌کند. ماده‌ی موردنظر در این تعاریف، همان ماده‌ی رسانا است. در تعریف فارادی، ماده‌ی عایق به ماده‌ای گفته می‌شود که توانایی تحمل تنش‌های بی‌شمار را دارد و جریان موجی در آن ایجاد نمی‌شود. در چنین موادی، بار الکترواستاتیکی همان مقدار تنش جمع‌شده است.

سال‌های پایانی و مرگ

مایکل فارادی هشت سال تحقیق و آزمایش فشرده را برای بررسی نظریه‌های الکترومغناطیسی خود در پیش گرفت. وضعیت سلامت او در نتیجه‌ی همین فشارها در سال ۱۸۳۹ رو به وخامت رفت و در سال‌های آتی، دستاوردهای خلاقانه‌اش بسیار کمتر شد. او پس از ۶ سال بار دیگر توانست به روند مطالعات بازگردد و برخی از نظریه‌های قدیمی خود را توسعه دهد.

بزرگ‌ترین دانشمند تجربی تاریخ از اولین سال‌های فعالیت علمی به اتحاد نیروهای طبیعت اعتقاد داشت. به‌بیان‌دیگر فارادی می‌گفت همه‌ی نیروهای طبیعت، بروزی از یک نیروی واحد هستند و به‌همین‌دلیل می‌توان آن‌ها را به هم تبدیل کرد. او در سال ۱۸۴۶ سخنرانی‌هایی برگزار کرد و این ایده‌ی خود را روشن‌تر شرح داد.

انجمن سلطنتی علوم لندن در میانه‌ی قرن ۱۹ جلساتی با تمرکز بر بحث و گفت‌وگو پیرامون مسائل علمی انجام می‌داد و فارادی هم با هدف افزایش شهرت و محبوبیت علم، آن‌ها را مدیریت می‌کرد. در یکی از جلسه‌ها که هیچ استادی حضور نداشت، او خودش مبحثی مرتبط با اتم‌ها و میدان‌های بی‌نهایت نیرویی آن‌ها را مطرح کرد. صحبت‌های ابتدایی او بعدها پایه‌های مطالعاتی مکسول را شکل دادند که نظریه‌ی میدان مغناطیسی را براساس آن‌ها تدوین کرد.

فاز الکترونیکی، موضوع مطالعه و چالش فارادی در سال‌های پایانی عمر علمی بود. او هنوز به وجود چنین حالتی اعتقاد داشت، اما نمی‌توانست ابزار مناسب برای آزمایش و اثبات آن را ارائه کند. مدتی بعد لرد کلوین نامه‌ای به فارادی نوشت و از عقیده‌ی مشابه در بحث تنش‌های داخل ماده صحبت کرد. او آزمایشی دیگر با استفاده از خطوط نیرویی مغناطیسی را به فارادی پیشنهاد داد، چون توانایی تولید نیروهای بیشتری نسبت به نیروی الکترواستاتیکی داشتند.

فارادی با پذیرفتن پیشنهاد کلوین آزمایش جدیدی انجام داد. او جریانی از نور پولاریزه را از یک شیشه‌ی اپتیکی با ضریب شکست بالا عبور داد. سپس یک آهن‌ربای الکتریکی به‌گونه‌ای به آزمایش اضافه شد که خطوط نیرویی آن موازی با جریان نور باشد. این آزمایش نتیجه‌ی مثبتی برای فارادی به‌همراه داشت.

صفحه‌ی پولاریزاسیون نور تابیده‌شده در آزمایش فارادی، دچار چرخش شد که وجود تنش را در مولکول‌های شیشه متصور می‌شد. در ادامه نتیجه‌ی عجیب دیگری مشاهده شد. وقتی جریان نور تابیده‌شده تغییر کرد، چرخش در همان جهت ادامه پیدا کرد. درنتیجه فارادی متوجه شد که تنش در مولکول‌های شیشه وجود ندارد، بلکه خطوط نیروی مغناطیسی آن را ایجاد می‌کنند. درنتیجه جهت چرخش صفحه‌ی پولاریزاسیون فقط به قطبیت خطوط نیرو وابسته بود.

کشف آزمایش بالا، فارادی را بیش‌ازپیش به نظریه‌ی اتحاد نیروها علاقه‌مند کرد. او در ادامه‌ی نظریه‌پردازی‌های خود ادعا کرد که همه‌ی مواد در اثر قرار گرفتن در مقابل میدان مغناطیسی، واکنشی از خود نشان می‌دهند. آزمایش‌های بعدی نشان دادند که مواد، واکنش‌هایی متفاوت در میدان‌های مغناطیسی از خود نشان می‌دهند.

کشف دیامغناطیس و آخرین دستاوردها

موادی همچون آهن، نیکل، کبالت و اکسیژن در اثر قرار گرفتن در میدان مغناطیسی به‌شکلی جهت‌گیری می‌کردند که بردار بلندتر کریستال یا ساختار مولکولی آن‌ها به‌صورت موازی با خطوط نیرو قرار می‌گرفت. مواد دیگر جهت‌گیری به‌صورت عمود بر نیروهای میدان شکل می‌دادند. مواد دسته‌ی اول به‌سمت میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر و مواد دسته‌ی دوم به‌سمت مناطق ضعیف‌تر جذب می‌شدند. فارادی دسته‌ی اول را پارامغناطیس و دسته‌ی دوم را دیامغناطیس نامید. او با ادامه‌ی تحقیقات به این نتیجه رسید که مواد پارامغناطیس خطوط مغناطیسی نیرو را بهتر از محیط پیرامون هدایت می‌کنند، درحالی‌که مواد دیامغناطیس رویکرد عکس دارند.

فارادی تا سال ۱۸۵۰ تعریف و چشم‌اندازی جدید از فضا  و نیرو ارائه کرده بود. طبق تعریف او، فضا از هیچ، یا مکانی موقتی برای اجسام و نیروها به محیطی با قابلیت پشتیبانی از تنش‌های نیروهای مغناطیسی و الکتریکی تبدیل شد. به‌علاوه انرژی‌های موجود در جهان در ذراتی که نیروها از آن ساطع می‌شدند، محبوس نیستند بلکه در فضای اطراف آن‌ها پیدا می‌شوند. از نتایج نظریه‌های فارادی، مفهومی به‌نام نظریه‌ی میدان مطرح شد که بعدها توسط مکسول به‌شکل ریاضیاتی درآمد.

انشمند بزرگ فیزیک و شیمی از سال ۱۸۵۵ به‌مرور ذهن پویای خود را از دست داد. البته او آزمایش‌های خود را هنوز ادامه می‌داد. او در یکی از آزمایش‌ها به‌دنبال آثار الکتریکی بلند کردن اجسام سنگین از زمین بود. فارادی براساس نظریه‌ی اتحاد نیروهای خود اعتقاد داشت جاذبه هم مانند مغناطیس قابلیت تبدیل به نیروهای دیگر را دارد و نیروی الکتریسیته هم جزو آن‌ها است. این نظریه با استقبال از سوی انجمن سلطنتی روبه‌رو نشد و آن‌ها مقاله‌های مرتبط فارادی را چاپ نکردند.

فارادی در سال‌های پایانی هرچه بیشتر به آثار پیری مبتلا می‌شد و نظریاتش توسط مجامع علمی پذیرفته نمی‌شدند. ملکه ویکتوریا به پاس خدمات بی‌شمار فارادی در حوزه‌های علمی، ملکی را در منطقه‌ی همپتون و همچنین نشان شوالیه را به او پیشنهاد داد. دانشمند بریتانیایی ملک را پذیرفت، اما نشان شوالیه را رد کرد. فارادی ترجیح می‌داد تا پایان عمر همان آقای فارادی باقی بماند.

دولت بریتانیا در بسیاری از پروژه‌های خود از کمک‌های مایکل فارادی استفاده کرده بود. آن‌ها در پی همین پروژه‌ها از او درخواست کردند تا در توسعه‌ی سلاح‌های شیمیایی برای جنگ کریمه نقش مشاور را ایفا کند، اما مایکل به‌خاطر چالش‌های اخلاقی آن را نپذیرفت. فارادی در ۲۵ اوت ۱۸۶۷ درخانه‌اش از دنیا رفت. قبل از مرگ پیشنهاد دفن در گورستان وست‌مینستر به او داده شده بود که مانند نشان شوالیه، آن را رد کرد. به‌هرحال یک پلاک یادگاری از او در کنار قبر ایزاک نیوتن در گورستان مذکور وجود دارد و پیکرش در گورستان های‌گیت دفن شد.

 

مدیر سایت
ارسال دیدگاه