Michael Faraday
Michael Faraday, (22 Eylül 1791, Newington, Surrey, İngiltere doğdu-25 Ağustos 1867’de öldü, Hampton Court, Surrey), İngiliz fizikçi ve kimyacısı, birçok deneyleri elektromanyetizma anlayışına büyük katkıda bulundu.
19. yüzyılın en büyük bilim adamlarından biri haline gelen Faraday kariyerine kimyager olarak başladı. Sanatının teknik yönlerini ustalıkla ortaya koyan bunlardan aralarında benzen bulunan bir dizi yeni organik bileşik keşfedilen ve “kalıcı” bir gazın ilk sıvılaştırıldığı (yani inanılan bir gaz olan) pratik kimya kılavuzunu yazdı. Sıvılaştırma kabiliyeti yoktur). Bununla birlikte büyük katkı elektrik ve manyetizma alanındaydı. İlk manyetik alana elektrik akımı üreten ilk elektrikli motoru ve dinamiği icat eden elektrik ile kimyasal bağ arasındaki ilişkiyi gösteren, manyetizmanın ışık üzerindeki etkisini keşfetti ve diamanyetizmayı keşfetti ve isimlendirdi. Güçlü manyetik alanlardaki maddeler. James Clerk Maxwell’in klasik elektromanyetik alan teorisini kurduğu deneysel ve teorik temelleri sağlamıştır.
Michael Faraday, şu anda Güney Londra’nın bir parçası olan Surrey’nin Newington şehrindeki köyünde dünyaya geldi. Babası, iş aramak için 1791 başlarında İngiltere’nin kuzeyinden göç etmiş bir demirciydi. Annesi, büyük bir sakinlik ve bilgeliğe sahip, zorlu bir çocukluk döneminde duygusal olarak oğluna destek veren bir ülke kadındı. Faraday dört çocuktan biriydi, hepsi de babalarının sık sık hasta olduğu ve istikrarlı bir şekilde çalışamayacağı için yemek yiyebilmek için zorlandılar. Faraday daha sonra, bir hafta boyunca onu sürdürecek bir somon ekmek verildiğini hatırladı. Aile hayatı boyunca Faraday’a manevi rızık temin Sandemanians denilen küçük Hıristiyan mezhebine aitti. Ona yapılan en önemli tek nüfuz buydu ve doğayı yaklaştırıp yorumlama biçimini büyük ölçüde etkiledi.
Faraday, bir kilisenin Pazar okulunda okumayı, yazmayı ve şifrelemeyi öğrenen yalnızca eğitimin temellerini aldı. Erken yaşlarda bir kitap satıcısı ve ciltçisi için gazeteler göndererek para kazanmaya başladı ve 14 yaşındayken adam çırağa verdi. Diğer çıraklardan farklı olarak Faraday, yeniden bağlamaya getirilen kitapların bazılarını okuma fırsatı buldu. Encyclopædia Britannica’nın üçüncü baskısında çıkan elektrik konulu makalede onu büyüledi. Eski şişeler ve kereste kullanarak ham elektrostatik jeneratör yaptı ve basit deneyler yaptı. Ayrıca zayıf bir voltaik yığın oluşturdu ve elektrokimyada deneyler yaptı.
Faraday, İngiltere Kraliyet Enstitüsü’nde Sir Humphry Davy’nin yaptığı kimyasal konferanslara katılmak için bir bilet teklif edildiğinde büyük bir fırsat yakaladı. Faraday gitti, oturdu bütünüyle dikkatini verdi, derslerini notlarına kaydetti ve bilim tapınağına girmenin görünüşte gerçeklenemez umuduyla ciltleşmeye döndü. Notlarının bir kopyasını Davy’e istihdam isteyen bir mektupla birlikte gönderdi ancak açılış yapılmadı. Ancak Davy’yi unutmadı ve laboratuar görevlilerinden birinin kavgayla görevden alınması üzerine Faraday’a bir iş teklif etti. Faraday, Davy’nin laboratuvar asistanı olarak başladı ve günün en büyük uygulayıcılarından birinin dirseğinde kimya öğrendi. Faraday, Davy’nin en büyük keşfi olduğu gerçeği ile söyleniyordu.
Faraday 1812’de Davy’ye katıldığında Davy, günün kimyasını devrim sürecine sokuyordu. Modern kimya kurma kredisi altındaki Fransız Fransız Antoine-Laurent Lavoisier, birkaç basit ilkeye dikkat ederek 1770’lerde ve 1780’lerde kimyasal bilginin yeniden düzenlenişini gerçekleştirmişti. Bunların arasında oksijen, yanmanın tek destekçisi olması ve aynı zamanda bütün asitlerin temelinde yatan element olması bakımından benzersiz bir elementti. Davy, galvanik bir pilden güçlü bir akım kullanarak bu elementlerin oksitlerini ayrıştırarak sodyum ve potasyumu keşfettikten sonra bilinen güçlü asitlerin birinden muriatik (hidroklorik) asit ayrışmasına dönüştü. Ayrışma ürünü hidrojen ve yanmayı destekleyen yeşil bir gazdı ve suyla kombine edildiğinde bir asit üretti. Davy, bu gazın klor olarak adlandırdığı ve muriatik asitte hiçbir oksijenin bulunmadığı sonucuna vardı. Asitlik, bu nedenle, asit oluşturan bir elementin varlığı değil, başka bir durumun sonucu olmuştur. Bu durum, asit molekülünün kendisinin fiziksel biçimi olmaktan başka ne olabilirdi? Davy, o halde, kimyasal özelliklerin tek başına belirli elementler tarafından değil, aynı zamanda moleküllerdeki bu elementlerin düzenlenme şekilleri tarafından da belirlendiğini ileri sürdü. Bu görüşe varırken Faraday’ın düşüncesinde önemli sonuçları olması gereken bir atom teorisinden etkilenmiştir. 18. yüzyılda Ruggero Giuseppe Boscovich tarafından önerilen bu teori, atomların çekici ve itici güçlerin değişen alanları ile çevrili matematiksel noktalandığını savundu. Gerçek bir element bu gibi tek bir noktadan oluşuyordu ve kimyasal elementler, sonuçta oluşan kuvvet alanlarının oldukça karmaşık hale gelebileceği birkaç noktadan oluşuyordu. Moleküller bu elementlerden oluşmuş ve her iki elementin ve bileşiğin kimyasal nitelikleri nokta atomlarının kümelerini çevreleyen son güç modellerinin sonucuydu. Bu tür atomların ve moleküllerin bir mülküne özel olarak dikkat edilmelidir: bunları bir arada tutan “bağlar” bozulmadan önce, büyük gerginlik veya gerginlik altına sokulabilirler. Bu fikirler Faraday’ın elektrik konusundaki fikirlerinin merkezi olmalıydı.
Faraday’ın Davy yönetimindeki ikinci çıraklığı 1820’de sona erdi. O zamana kadar, kimyayı hayatta olan herkes gibi iyice öğrendi. Ayrıca, tam ustalık noktasına kadar kimyasal analizler ve laboratuvar teknikleri uygulama fırsatı bulmuştu ve teorik görüşlerini, araştırmalarında kendisine yönlendirebileceği noktaya kadar geliştirmişti. Bilim dünyasını şaşkına çeviren bir seri keşif izledi.
Faraday, ilk şöhretini bir kimyager olarak elde etti. Analitik bir kimyager olarak gösterdiği üne kavuşması, yasal araştırmalarda uzman bir tanık olarak görülmesine ve ücretleri Kraliyet Enstitüsünü destekleyen bir müşterinin kurulmasına yol açtı. 1820’de bilinen ilk karbon ve klor bileşiklerini, C2C6 ve C2Cl4‘ü üretti. Bu bileşikler, hidrojen için “olefiant gazı” (etilen) ile klor ikame edilerek üretildi, ilk ikame reaksiyonları indüklendi. (Bu tür reaksiyonlar daha sonra Jöns Jacob Berzelius tarafından önerilen kimyasal kombinasyonun hakim teorisine meydan okumaya hizmet edecektir.) Aydınlatıcı gazlar üzerine yapılan araştırmalar sonucunda, Faraday 1825 yılında benzen izole etti ve tarif etti. 1820’lerde çelik alaşımlarının araştırmalarını yaparak bilimsel metalürji ve metalografi temellerini atmaya yardımcı oldu. Teleskoplar için optik cam kalitesini arttırmak için Londra Kraliyet Derneği’nden bir görev tamamlarken, 1845 yılında diamanyetizma keşfine yönlendiren bir cam kırma indeksi üretti. 1821’de Sarah Barnard ile evlendi, kalıcı olarak Kraliyet Enstitüsüne yerleşti ve fizik konusunda devrim yaratacak elektrik ve manyetizma üzerine araştırmalar başlattı.
1820’de Hans Christian Ørsted, bir telden geçen bir elektrik akımının telin etrafında bir manyetik alan ürettiğini keşfettiğini duyurmuştu. André-Marie Ampère, manyetik kuvvetin görünüşte dairesel olan manyetik kuvvetin, telin etrafında manyetizma silindiri ürettiğini gösterdi. Daha önce böyle bir dairesel güç gözlemlenmedi ve Faraday bunun ima ettiği şeyi ilk anlayan kişi oldu. Bir manyetik kutup izole edilebiliyorsa, bir akım taşıyan kablo etrafında sürekli bir daire halinde hareket etmelidir. Faraday’ın yaratıcılığı ve laboratuvar becerisi, bu sonucu doğrulayan bir cihaz inşa etmesini sağlamıştır. Elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren bu cihaz, ilk elektrik motoruydu.
Bu keşif Faraday’ın elektrik doğasını düşünmesine yol açtı. Çağdaşlarının aksine, elektriğin bir borudan su gibi teller yoluyla akan maddi bir sıvı olduğunu ikna etmedi. Bunun yerine, onu şevke yaratılan gerginliklerin sonucu olarak bir şekilde iletilen bir titreşim ya da kuvvet olarak düşünüyordu. Elektromanyetik rotasyon keşfinden sonra yaptığı ilk deneylerden biri, elektrik akımı ile üretilmesi gerektiğini düşündüğü moleküllerarası suşları saptamak için elektrokimyasal ayrışmanın gerçekleştiği bir çözeltiye polarize ışık ışını geçirmekti. 1820’li yıllarda bu fikre geri dönmeye devam etti, ancak sonuç hiç olmadı.
1831 ilkbaharında Faraday, Charles teorisi (daha sonra Sir Charles) ile Wheatstone’la ses teorisi üzerine çalışmaya başladı; bir başka titreşim fenomeni. Özellikle, bu plakalar bir keman yayıyla titreşime atıldığında demir plakalara yayılmış hafif toz formunda şekiller (Chladni figürleri olarak bilinir) ile büyülendi. Burada, dinamik bir nedene statik bir etki yaratma yeteneği gösterildi; bu akım taşıyan bir telefondan geldiğine ikna oldu. Bu tür kalıpların bir başka plakta yakınında başka bir yere eğilerek indüklenebileceği gerçeğinden daha da etkilendi. Böyle bir akustik indüksiyon görünüşte en ünlü deneyinin ardında yatan şey. 29 Ağustos 1831’de Faraday, pilin bir ucuna yalıtılmış tel ile bağlanmış kalın bir demir halkayı sardı. Karşı tarafı bir tel ile bağlı bir galvanometreye sardı. Beklediği şey, akü devresi kapatıldığında bir “dalga” üretileceği ve dalga ikinci devrede galvanometrenin bir sapması olarak görüleceği idi. Birincil devreyi kapattı ve sevinci ve memnuniyeti için, galvanometre iğne atlamasını gördü. Birincil akımda ikincil bobinde bir akım indüklendi. Ancak devreyi açtığında galvanometre zıplamasını ters yönde görmek şaşırttı. Her nasılsa, akımın kapatılması, sekonder devrede orijinal akıma eşit ve ters bir indüklenen akım yarattı. bu olguyu yürütmek Faraday’ın gerginlik halini düşündüğü teldeki parçacıkların “elektrotonik” halini önermesine yol açtı. Dolayısıyla bir akım böyle bir gerginlik halinin kurulması ya da böyle bir devletin çöküşü gibi görünüyordu. Elektrotonik devlet için deneysel kanıt bulamamış olsa da, kavramı hiçbir zaman tamamen terk etmedi ve daha sonraki çalışmalarının çoğunu şekillendirdi.
1831 sonbaharında Faraday, indüklenmiş bir akımın nasıl üretildiğini belirlemeye çalıştı. Orijinal deneyinde, birincil bobinin sarılmasıyla oluşturulan güçlü bir elektromıknatıs vardı. Artık kalıcı bir mıknatıs kullanarak bir akım yaratmaya çalıştı. Kalıcı bir mıknatısın bir bobin telin içine ve dışına taşındığında, bobinde bir akım indüklendiğini keşfetti. Bildiği mıknatıslar, demir dosyalarının üzerine tutulan bir karton üzerine serpiştirilmesi basit yolu ile görülebilecek kuvvetlerle çevriliydi. Faraday, bu şekilde, (mıknatısı çevreleyen hava, yani havada gerginlik çizgileri) olarak ortaya çıkan ( kuvvet çizgileri’ni )gördü ve kısa sürede mıknatıslar tarafından elektrik akımlarının üretimini belirleyen yasayı keşfetti: Bir akımın büyüklüğü, Birim zamanda iletken tarafından kesilen kuvvet çizgileri. Derhal, güçlü bir mıknatısın kutupları arasında bir bakır disk döndürülerek ve dişin disk ağzından ve merkezinden çıkarak sürekli bir akım üretilebileceğini anladı. Diskin dış tarafı içeriden olduğundan daha fazla çizgi keserdi ve böylece devrede jantı merkeze bağlayan sürekli bir akım oluştu. Bu ilk dinamo oldu. Elektrik motorlarının direkt atasıydı, çünkü durumu döndürmek için diske bir elektrik akımı beslemek için durumu tersine çevirmek gerekiyordu.
Elektrokimyanın Teorisi
Faraday bu deneyleri yaparken ve bilim dünyasına sunarken, incelenen farklı elektrik tezahürünün kimliği hakkında şüpheler doğdu. Görünüşe göre elektrikli yılan balığı ve diğer elektrikli balıklar tarafından, yani bir statik elektrik üreticisi, voltaik pilin ürettiği elektrik “sıvı” ve yeni elektromanyetik jeneratörün elektrik akışı “aynı” kaldı mı? Yoksa farklı kanunları izleyerek farklı akışkanlar mıydı? Faraday, aynı gücün formları olmaktan çok sıvı olmadığını, ancak bu kimliğin deney yoluyla asla tatmin edici bir biçimde gösterilmediğini fark etti. Bu nedenle, 1832’de, bütün elektriklerin tam olarak aynı özelliklere sahip olduğunu kanıtlamak için oldukça sıkıcı bir girişim olacağını ve aynı etkileri yarattığını taahhüt eden şey, 1832’de başladı. En önemli etki elektrokimyasal dekompozisyondu. Voltaik ve elektromanyetik elektrik hiç sorun çıkarmadı, ancak statik elektriğin etkisi vardı. Faraday sorunun derinliklerine indiği için iki şaşırtıcı keşif yaptı. Birincisi, elektrik kuvveti, uzun zamandır varsaydığı gibi, kimyasal moleküller üzerinde uzaklaşarak onları ayrıştırmaya başlamadı. Elektriğin yalnızca havaya boşaldığı ve volkanik bir hücrede bir “kutup” ya da “merkez” e geçmediğinde bile, moleküllerin ayrışmasına neden olan iletken bir sıvı ortam vasıtasıyla elektriğin geçişi idi. İkincisi, ayrışma miktarı basit bir şekilde çözümün içinden geçen elektriğin miktarıyla ilişkili bulunmuştur. Bu bulgular Faraday’ı yeni bir elektrokimya teorisine yönlendirdi. Elektrik gücünün, bir çözümün moleküllerini bir gerilim durumuna (elektronik hali) attığını savundu. Kuvvet, bu alanların komşu parçacıklarla etkileşimine izin verecek şekilde molekülleri bir arada tutan güç alanlarını çarpıtılacak kadar güçlü olduğunda, gerilim, parçacıkların gerilim çizgileri boyunca farklı atom türleri tarafından taşınmasıyla giderildi zıt yönde göç ederler. Bu durumda, geçen elektrik miktarı, çözeltideki maddelerin kimyasal yakınlıkları ile açıkça ilişkiliydi. Bu deneyler doğrudan Faraday’ın elektrokimyanın iki kanununa götürdü:
(1) Bir elektrolitik hücrenin her elektrodunda biriken madde miktarı hücreden geçen elektriğin miktarı ile doğru orantılıdır.
(2) Belli bir elektrik miktarıyla biriktirilen farklı elementlerin miktarı kimyasal eşdeğer ağırlıkların oranındadır.
Faraday’ın elektrokimya üzerine yaptığı çalışmalar ona statik elektrik indüksiyonunun araştırılması için önemli bir ipucu verdi. Bir elektrolitik hücrenin iletken ortamından geçen elektriğin miktarı, elektrotlarda biriktirilen malzemenin miktarını belirlediğinden, bir iletken olmayan malzemede neden olunan elektrik miktarı, verildiği malzemeye neden bağımlı olmamalı? Kısacası, neden her malzemede belirli bir endüktif kapasiteye sahip olmamalı? Her malzeme yapar ve Faraday bu gerçeğin keşfedicisidir.
1839’da Faraday, yeni ve genel bir elektriksel eylem teorisi ortaya çıkardı. Elektrik ne olursa olsun madde içinde gerginlik yaratmaya başladı. Bu gerilimler çabucak azaltıldığında (yani cesetler “toparlanmadan önce” çok fazla zorlanamadıklarında), dalgalı bir şekilde ilerlemiş olan bir döngüsel yığılmanın, parçalanmanın ve gerginleşmenin hızlı bir şekilde tekrarlandığı bir madde. Bu tür maddelere iletken denirdi. Elektrokimyasal proseslerde, suşun birikmesi ve parçalanma oranı, ilgili maddelerin kimyasal yakınlıkları ile orantılıydı, ancak yine de akım bir maddi akış olmadı, gerilim dalgası ve hafifletildi. Yalıtkanlar basitçe parçacıkları koparmadan önce olağanüstü miktarda gerilimi alabilen maddelerdi. İzole edilmiş bir yalıtkandaki elektrostatik yük, bu birikmiş gerilimin bir ölçüsüdür. Böylece, tüm elektriksel eylem vücutlarda zorlanmış suların sonucuydu.
Faraday’a sekiz yıllık devam eden deneysel ve teorik çalışma gerginliği çok fazlaydı ve 1839’da sağlığı bozuldu. Önümüzdeki altı yıl için çok az yaratıcı bilim yaptı. 1845 yılına kadar araştırmalarının konusunu ele alıp teorik görüşlerini genişletebiliyordu.
Bilimsel çalışmalarının başlangıcından beri Faraday, doğa güçlerinin birliği olarak adlandırdığı şeylere inanmıştı. Bundan dolayı, doğanın bütün kuvvetlerinin tek bir evrensel gücün tezahürleri olduğu ve dolayısıyla birbirlerine dönüştürülebileceği anlamına geliyordu. 1846’da bu görüş onu yönlendiren bazı spekülasyonları kamuoyuna açıkladı. Faraday’ın bilimdeki yaygınlaşmayı teşvik ettiği, Kraliyet Enstitüsünde Cuma akşamı söylemlerinden birini sunmayı planladığı bir öğretim görevlisi, son dakikada panikledi ve Faraday’ı dolu bir konferans salonu ve öğretim görevlisi bırakarak tükendi. Faraday şu andaki gelişmeler üzerine “Ray Vibrasyonları Üzerine Düşünceler” teklif etti. Özellikle nokta atomlara ve sonsuz güç alanlarına atıfta bulunarak, bu atomlarla ilişkili elektrik ve manyetik kuvvet çizgilerinin aslında ışık dalgalarının yayılma ortamı. Yıllar sonra Maxwell, bu spekülasyon üzerine elektromanyetik alan teorisini inşa edecekti.
Faraday 1845’te aktif araştırmaya döndüğünde, onu, varsayımsal elektrotonik durumunun olduğu yıllarca takıntılı bir sorunu tekrar çözmek oldu. Hâlâ var olması gerektiğine ve sadece onu tespit etme araçlarını henüz bulamadığına ikna olmuştu. Bir kez daha, elektriksel güç hatlarının geçtiği maddelerde moleküller arası gerilimin bulguları bulmaya çalıştı, ancak yine başarısız oldu. Genç bir İskoç William Thomson (daha sonra Lord Kelvin idi), Faraday’a, Faraday’ın elektrik ve manyetizma üzerine yazdıkları kağıtları incelediğini ve o da bir çeşit gerginlik bulunduğuna ikna olduğuna karar vermişti. Faraday’ın manyetik kuvvet çizgileri ile denemesini önerdi çünkü bunlar elektrostatik olanlardan daha güçlü olacak şekilde üretilebiliyordu.
Faraday, bu öneriyi aldı, 1820’lerde geliştirdiği yüksek kırılma indeksinin optik camına bir düzlem-polarize ışığın demetini geçti ve daha sonra bir elektromıknatıs açtı ve böylece kuvvet çizgileri ışık ışınına paralel ilerledi. Bu sefer başarı ile ödüllendirildi. Kutuplanma düzlemi döndürüldü, bu da cam moleküllerinde bir gerginlik olduğunu gösteriyor. Fakat Faraday yine beklenmedik bir sonuç verdi. Işık ışınının yönünü değiştirdiğinde, rotasyon aynı yönde kaldı; Faraday’ın, gerginlik camın moleküllerinde değil, manyetik kuvvet çizgilerinde olduğu anlamına geldiği doğru olarak yorumlandı. Polarizasyon düzleminin dönüş yönü sadece kuvvet çizgilerinin polaritesine bağlıydı; cam sadece efekti algılamak için kullanılır.
Bu keşif, Faraday’ın birliklerin birliğine olan inancını doğruladı ve tüm maddelerin bir manyetik alana bir miktar tepki göstermesi gerektiğinden emindi. Onun şaşırtmasıyla bunun aslında olduğunu, ancak tuhaf bir şekilde olduğunu fark etti. Demir, nikel, kobalt ve oksijen gibi bazı maddeler, manyetik alana dizilerek kristalin veya moleküler yapılarının uzun eksenleri kuvvet çizgilerine paraleldir; diğerleri güç çizgilerine dik olarak dizilmişlerdir. Birinci sınıfın maddeleri daha yoğun manyetik alanlara doğru hareket etti; ikincisi, daha az manyetik kuvvete sahip bölgelere doğru ilerledi. Faraday, birinci grup paramagnetiği ve ikinci diamagnetiği seçti. Daha ileri araştırmalardan sonra, paramanyetizmanın çevredeki maddeninkinden daha iyi manyetik güç hatları yürüten cisimler olduğu sonucuna varıldı, oysa diamanyetikler onları daha az idare etti. 1850 yılına gelindiğinde Faraday, alan ve güç konusunda kökten yeni bir görüş geliştirdi. Uzay, bedenlerin ve güçlerin sadece konumu, ancak elektrik ve manyetik kuvvetlerin sularını destekleyebilen bir ortam olan “hiçbir şey” değildi. Dünyanın enerjileri, bu güçlerin ortaya çıkardığı parçacıklarda lokalize değil, onları çevreleyen alanda bulundu. Böylece saha teorisi doğdu. Maxwell’in daha sonra serbestçe kabul ettiği gibi, matematiksel elektriksel ve manyetik alan teorisi için temel fikirler Faraday’dan geldi; Katkısı bu fikirleri klasik alan denklemleri biçiminde matematik haline getirmekti.
Yaklaşık 1855’te Faraday’ın zihni bozulmaya başladı. Hâlâ ara sıra deneyler yapıyordu, bunlardan biri ağırlığın artmasıyla elektriksel bir etki bulmaya çalışmaktı, zira manyetizm gibi yerçekiminin büyük olasılıkla başka bir kuvvetle değiştirilebileceğini hissetti. Bu kez beklentilerinden hayal kırıklığına uğradı ve Kraliyet Topluluğu olumsuz sonuçlarını yayınlamayı reddetti. Faraday gittikçe yaşlılık içine girdi. Kraliçe Victoria, Hampton Court’ta bir ev kullanımı izni vererek ömür boyu bilim adamına ödülünü layık görmüş ve ona şövalyelik şerefini teklif etmiştir. Faraday şaşkınlıkla yazlıkları kabul etti; şövalyeyi reddetti; Sayın Faraday’ın sonuna kadar düz duracağını söyledi. 1867’de öldü ve Londra’daki Highgate Mezarlığında gömüldü ve anıtı olarak yeni bir fiziksel gerçeklik anlayışı bıraktı.
