1. Ojciec Elektryczności

W roku 1991 Muzeum Nauki w Londynie zorganizowało specjalną wystawę dla uczczenia dwusetnej rocznicy urodzin Michaela Faradaya. Przy wejściu na wystawę stała figura Faradaya w otoczeniu kilkunastu urządzeń domowego użytku, takich jak odkurzacz, elektryczna maszyna do szycia, suszarka do włosów i mikser. Tabliczka pod figurą głosiła: „Wszelkie używane dziś urządzenia elektryczne zawdzięczamy fundamentalnym odkryciom, jakich dokonał Michael Faraday, 1791–1867”. Nie było w tym przesady: doświadczenia Faradaya w dziedzinie elektryczności i magnetyzmu stworzyły fundament całego dzisiejszego przemysłu elektrycznego, a współczesne społeczeństwo może być mu wdzięczne za wiele urządzeń ułatwiających życie, a nawet je ratujących. Ten brytyjski uczony, który nie miał formalnego wykształcenia uniwersyteckiego, bez wątpienia zasługuje na miano Ojca Elektryczności.
Kiedy jednak Faraday zaczynał swoje badania, ani nie przewidywał tych wspaniałych i różnorodnych zastosowań, które w końcu wynikły z jego pracy, ani w żadnej mierze bezpośrednio ich dla swych odkryć nie poszukiwał. Jego celem było badanie przyrody dla samego badania – odkrywanie piękna świata fizycznego poprzez doświadczenia naukowe. Faraday był uczonym, do którego w jak największym stopniu odnosi się powiedzenie Louisa Pasteura: „Nie ma nauki stosowanej, istnieją tylko zastosowania czystej nauki”. Dzięki swojej głębokiej pasji poznawczej i nienasyconemu pragnieniu czystej wiedzy, Faraday odkrył te aspekty fizyki, które zrewolucjonizowały oblicze naszej planety.

Kontekst historyczny

Abyśmy mogli zrozumieć, jakie znaczenie mają odkrycia Michaela Faradaya oraz jak do nich doszło, musimy zapoznać się ze stanem wiedzy o elektryczności i magnetyzmie na początku XIX wieku, to jest kiedy rozpoczynał on swoje eksperymenty. Nauka w tym czasie właśnie dojrzała do wielkich odkryć w tych dziedzinach. W wiekach XVII i XVIII dokonano już wspaniałego postępu na polu optyki i mechaniki, a elektryczność i magnetyzm szybko stawały się modnymi dziedzinami badań akurat wtedy, gdy Faraday pojawił się na scenie naukowej.
Już starożytni Grecy niewątpliwie wiedzieli o magnetyzmie, szczególnie dzięki badaniom filozofa Talesa z Miletu, który żył w VII i VI wieku p.n.e. Tales stwierdził, że bryła rudy żelaza (zwanej obecnie magnetytem) może przyciągać kawałki żelaza. Ponieważ ruda używana przez niego do doświadczeń pochodziła z egejskiego miasta Magnesia (obecnie Manisa w Turcji), Tales nazwał ją Magnes lithos, czyli „magnezyjska skała”. Stąd pochodzi słowo „magnes”.
Grecy znali również zjawisko przyciągania elektrostatycznego. Wiedzieli, że potarty kawałek bursztynu może przyciągać lekkie przedmioty, na przykład piórka. Określenie „elektryczność” pochodzi od greckiego słowa elektron oznaczającego bursztyn. Grecy zdawali sobie również sprawę z podobieństwa pomiędzy przyciąganiem magnetycznym i elektrostatycznym, chociaż uważano, że przyciąganie magnetyczne jest silniejsze, natomiast przyciąganie elektrostatyczne jest bardziej uniwersalne. Miało tak być dlatego, że potarty bursztyn przyciąga rozmaite lekkie obiekty niezależnie od substancji, z jakiej się składają, podczas gdy magnetyt może przyciągać tylko kawałki żelaza lub inne kawałki magnetytu.
Postęp w dziedzinie zrozumienia istoty magnetyzmu był dość powolny, ale w XII wieku znane już było zjawisko indukcji magnetycznej, polegające na tym, że kawałek magnetycznego żelaza może namagnesować kawałek niemagnetycznego żelaza, czyli uczynić z niego magnes. Większość z nas zapewne demonstrowała kiedyś indukcję magnetyczną, pocierając magnesem kawałek stali (na przykład spinacz lub igłę), w wyniku czego stal została namagnesowana.
Magnes pływający na powierzchni wody ustawia się w kierunku północ – południe. Jeśli obrócimy go w inną stronę, samorzutnie też ustawi się ponownie w tym kierunku. Stwierdzono, że magnesy mają dwa bieguny: północny i południowy, a dwa magnesy przyciągają się wzajemnie, jeśli są do siebie zwrócone przeciwnymi biegunami (południowy do północnego), natomiast odpychają się, jeśli się je zetknie biegunami jednoimiennymi (północny z północnym albo południowy z południowym). Wynika stąd następująca zasada: „Bieguny jednoimienne odpychają się, różnoimienne przyciągają”. Na tej zasadzie działa kompas magnetyczny, w którym igła magnetyczna ustawia się w kierunku biegunów magnetycznych Ziemi. Dzięki kompasowi żeglarze byli w stanie ustalać kierunek kursu bez Słońca lub Gwiazdy Polarnej. Prawdopodobnie pierwszych kompasów używali Chińczycy. Kompasowi w szczególności zawdzięczamy wielkie odkrycia geograficzne, jakich dokonano w wieku XV i następnych.
Jednym z pierwszych uczonych, którzy starannie i systematycznie badali naukowe podstawy magnetyzmu, był William Gilbert (1544–1603), nadworny lekarz angielskiej królowej Elżbiety I. Wykazał on w bardzo pomysłowym doświadczeniu, że igła kompasu nie tylko wskazuje kierunek północ–południe, lecz również się pochyla. Sporządził kulę z magnetytu, naśladującą Ziemię, i odkrył, że igła magnetyczna umieszczona w pobliżu tej kuli wskazuje zawsze jeden kierunek oraz pochyla się ku jej powierzchni. Na podstawie tych wyników Gilbert stwierdził, że Ziemia sama jest ogromną kulą magnetyczną oraz że ma biegun północny i południowy. Inaczej mówiąc, magnes kulisty wykazuje biegunowość. W ten sposób obalone zostały dawniejsze poglądy, jakoby gdzieś na dalekiej północy naszej planety istniała ogromna góra z żelaza lub magnetytu.
Gilbert badał również eksperymentalnie podstawy elektryczności. Wykazał, że przyciąganie elektrostatyczne występuje po potarciu nie tylko bursztynu, ale również wielu drogich kamieni, takich jak szafiry i diamenty. Na określenie tego rodzaju substancji wymyślił słowo „elektryk” (obecnie w tym znaczeniu nie używane).
Metoda wytwarzania elektryczności statycznej poprzez pocieranie substancji „elektrycznych” nie była szczególnie obfitym jej źródłem. Ponadto elektryczności zgromadzonej w materiałach naładowanych elektrostatycznie nie dało się wykorzystać w sposób kontrolowany, gdyż wyładowanie było zbyt szybkie. Do dalszych badań nad tą dziedziną niezbędne stało się opracowanie układu, w którym można by było uzyskiwać znaczne ilości elektryczności oraz który by pozwalał na kontrolowanie tej elektryczności przez odpowiednio długi czas, co umożliwiłoby uczonym zbadanie jej właściwości. Pierwszego znaczącego kroku w kierunku rozwiązania tego problemu dokonał fizyk niemiecki Otto von Guericke (1602–1686). Sporządził on kulę wielkości melona, z siarki, która jest substancją szczególnie dogodną do wytwarzania elektryczności statycznej. W kuli obracanej korbą, stykającej się przy tym z innym materiałem, gromadziła się duża ilość elektryczności statycznej. Von Guericke odkrył także, że kule naładowane elektrycznie mogą się wzajemnie przyciągać lub odpychać, podobnie jak bieguny magnetyczne. Wykazał również, że jedna kula z siarki może indukować ładunek elektryczny w drugiej kuli. Zjawisko to nazywa się indukcją elektrostatyczną. Pod koniec XVII wieku coraz więcej uczonych zaczęło uważać, że elektryczność i magnetyzm są ściśle ze sobą związane.
W XVIII i na początku XIX wieku uczeni wykazali, że można zmusić elektryczność do przepływania przez różne materiały, na przykład przez pręty metalowe. Amerykański uczony Benjamin Franklin (1706–1790) postawił hipotezę, że elektryczność jest płynem, który przepływa z miejsc naładowanych dodatnio do miejsc naładowanych bardziej ujemnie. Dzisiaj wiemy, że przepływ prądu elektrycznego polega na przepływie naładowanych ujemnie elektronów od ujemnego do dodatniego zacisku obwodu elektrycznego, a zatem w kierunku przeciwnym niż przypuszczał Franklin.
Na przełomie XVIII i XIX wieku miały miejsce trzy istotne osiągnięcia o szczególnym znaczeniu dla późniejszych odkryć Faradaya: wynaleziono pierwsze ogniwo elektryczne, skonstruowano pierwszy przyrząd do mierzenia prądu elektrycznego (galwanometr) oraz odkryto ścisłe powiązanie pomiędzy elektrycznością a magnetyzmem (elektromagnetyzm).
Ogniwo elektryczne zostało wynalezione w 1800 roku przez uczonego włoskiego Alessandra Voltę (1745–1827), dzięki wcześniejszemu odkryciu dokonanemu przez innego Włocha, Luigiego Galvaniego (1737–1798). Galvani odkrył, że mięśnie w nodze żaby kurczą się, jeśli podczas burzy z piorunami dotknie się ich metalowym skalpelem. Później wykazał, że nawet jeśli nie występują pioruny, mięśnie kurczą się za każdym razem, kiedy się ich dotknie jednocześnie dwoma różnymi metalami, na przykład miedzią i żelazem. Te skurcze, jak mniemał Galvani, miały być spowodowane „siłą życiową” zwaną „elektrycznością zwierzęcą”. Jednak Volta nie zgodził się z proponowaną przez Galvaniego interpretacją charakteru tych skurczów i postawił hipotezę, że źródło elektryczności nie ma nic wspólnego z tajemniczą siłą życiową, a elektryczność jest wytwarzana wskutek zetknięcia tkanki mięśniowej z dwoma różnymi metalami.
Volta wykazał, że dwa różne metale w zetknięciu z roztworem nawet zwykłej soli mogą wytwarzać ciągły prąd elektryczny. Umieścił on krążek z tektury nasączonej roztworem soli pomiędzy krążkiem srebra a krążkiem cynku i stwierdził, że to proste urządzenie wytwarza prąd elektryczny. Stosy takich krążków umieszczonych jeden na drugim wytwarzały jeszcze większy prąd elektryczny. Te „stosy Volty”, jak je wówczas nazywano, były pierwszymi bateriami elektrycznymi. Teraz uczeni mogli łatwo wytwarzać stosunkowo duże ilości elektryczności płynącej w sposób ciągły, bez konieczności gromadzenia elektryczności statycznej w kulach z siarki.
W roku 1819, na krótko przed skonstruowaniem przez Faradaya jego pierwszego prototypu silnika elektrycznego, uczony duński Hans Christian Oersted (1777–1851) odkrył, że jeśli drut podłączony do baterii zawiesimy poziomo nad igłą kompasu, igła odchyla się, kiedy przez drut przepływa prąd elektryczny. To ważne zjawisko, nazwane indukcją elektromagnetyczną, w oczywisty sposób demonstruje, że elektryczność i magnetyzm są ze sobą powiązane. Wkrótce potem fizyk niemiecki Johann Schweigger (1799–1857) wynalazł pierwszy galwanometr, pozwalający mierzyć prąd elektryczny płynący przez przewód.
Taki zatem był kontekst naukowy, w jakim Michael Faraday rozpoczął swoje badania nad elektromagnetyzmem. Abyśmy jednak mogli należycie zrozumieć, w jaki sposób Faraday dokonał swoich odkryć, musimy nie tylko zapoznać się z ówczesnym stanem wiedzy naukowej, lecz również dowiedzieć się, w jaki sposób został fizykiem i co spowodowało, że podjął on swoje badania.