Michael Faraday

Faraday gjorde banebrytende teknologiske arbeider og var i begynnelsen av 1820-årene den første til å bygge en fungerende elektrisk motor som kunne omforme elektrisk energi til mekanisk energi.

Dette ledet Faraday til å tenke over elektrisitetens natur. På denne tiden var det vanlig å oppfatte elektrisk strøm som en form for væske som strømmet gjennom ledninger som i et rør. Faraday kom til at dette ikke kunne være korrekt. Han tenkte i stedet at elektrisk strøm var en slags kraft som ble overført i strømretningen i form av varierende elastiske spenninger i lederen.

Som et ledd i arbeidet med å undersøke elektrisitetens natur, utførte Faraday eksperimenter for å se om polarisert lys som passerte gjennom materialprøver ble påvirket av elektrisk strøm gjennom materialet. På denne måten ville han bestemme de intermolekylære strekkene han mente måtte opptre når det passerte elektrisk strøm gjennom materialet. Han lyktes ikke å finne noen virkning av elektrisk strøm på lysets polarisasjon i eksperimenter av denne typen som han gjorde i 1820-årene.

Høsten 1831 gjorde Faraday et eksperiment med utstyr vist i figur 2. En spole ble forbundet med et batteri slik at det gikk strøm gjennom vindingene rundt den. Strømmen forårsaket et magnetfelt. Spolen ble beveget inn i og ut av en annen spole forbundet med et galvanometer. Faraday forventet at galvanometeret kom til å vise et utslag når den lille, strømførende spolen beveget seg inn i spolen forbundet med galvanometeret. Men han fikk seg en overraskelse da han dro den lille spolen ut fra den store. Da hadde han ikke ventet å se noen reaksjon hos galvanometeret. Men det gjorde et utslag, like stort og i motsatt retning av det han så da den lille spolen ble ført inn i den store. Faraday gjorde flere eksperimenter for å undersøke fenomenet og tenkte ut en forklaring.

I 1820 hadde den danske fysikeren Hans Christian Ørsted vist at en strømførende ledning forårsaker magnetiske krefter på et kompass i nærheten av ledningen. Som en hjelp for denne tanken innførte Faraday begrepet magnetisk felt og magnetiske feltlinjer. Han forsto at elektriske strøm forårsaker et sirkulært magnetfelt rundt den strømførende ledningen. Når Faraday førte den lille spolen inn i eller ut av den store, forandret antallet magnetiske feltlinjer seg som tråden rundt den store spolen passerte gjennom.

Faraday kalt fenomenet «induksjon» og oppdaget dermed loven for induksjon: Størrelsen av den induserte strømmen er proporsjonal med endringen per sekund av antall magnetiske feltlinjer som lederen passerer gjennom. I dag snakker vi om endring av magnetisk fluks (magnetisk flukstetthet ganger areal) gjennom en sløyfe av en leder. Økning og reduksjon forårsaker like stor, men motsatt rettet strøm. Retningen av den induserte strømmen er slik at den induserte strømmens magnetfelt motvirker fluksendringen som forårsaker induksjonen.

Da Faraday hadde oppdaget og forstått fenomenet induksjon, skjønte han raskt hvordan dette kunne utnyttes til å lage dynamoer, generatorer og elektriske motorer.

Faradays tanker om magnetfelt og induksjon dannet grunnlaget for James Clerk Maxwells elektromagnetiske teori, som igjen er grunnlaget for både elektroteknikken og for en viktig del av den teoretiske fysikken.

Fysikere på Faradays tid spekulerte på om ulike elektriske fenomener, knyttet til for eksempel elektriske åler, batterier og elektriske generatorer, var forskjellige i den forstand at de var knyttet til ulike typer væsker. Som nevnt ovenfor var Faraday helt uenig i forestillingen om at elektrisk strøm var bevegelse av en væske. Han mente også at de ulike elektromagnetiske fenomenene måtte være forskjellige manifestasjoner av ett og samme fenomen.

For å undersøke spørsmålet om et mulig felles opphav til ulike elektriske fenomener, gjorde Faraday en del forsøk der han undersøkte virkningen av elektriske felter på kjemiske prosesser. Han fant ikke svaret på om alle elektriske fenomener har et felles opphav, men kom i 1834 i stedet frem til to fundamentale lover for elektrolyse:

1. Mengden av materiale avsatt på en elektrode i en elektrolytisk celle er proporsjonal med ladningen som har passert gjennom cellen.
2. Forholdet mellom mengdene av forskjellige grunnstoffer avsatt på elektrodene, er lik forholdet mellom grunnstoffenes atomvekt. (Faraday uttrykte det litt annerledes fordi størrelsen ‘atomvekt’ ikke var innført enda).

I 1838 formulerte han lovene for elektrostatisk induksjon i dielektriske legemer (se Faradays lover).

I 1845 fortsatte Faraday sine eksperimenter for å studere polarisasjon av lys som passerte gjennom materialer. Nå oppdaget han at lysets polarisasjonsplan kan dreies i et magnetisk felt (se faradayeffekt). Dette inspirerte ham til å undersøke hvordan ulike materialers magnetiske egenskaper ble påvirket av et ytre magnetfelt som materialet ble plassert i.

Han viste eksperimentelt at i visse stoffer, som for eksempel jern og nikkel, rettet den molekylære strukturen seg inn langsetter de magnetiske feltlinjene, mens i andre stoffer rettet den molekylære strukturen seg inn vinkelrett på feltlinjene. Han kalte de første stoffene paramagnetiske og de andre for diamagnetiske. Faraday viste at i et paramagnetisk stoff er magnetfeltet sterkere enn det ytre feltet, mens i et diamagnetisk stoff er det svakere.

Oppdagelsen av paramagnetisme og diamagnetisme ble annonsert under et møte i Royal Society 20. november 1845.

I 1846 foreslo Faraday at lys er et elektromagnetisk fenomen. Dette ble fulgt opp 20 år senere av James Clerk Maxwell som viste matematisk at lys er elektromagnetiske bølger.

I løpet av årene frem til 1850 utviklet Faraday en ny forestilling om sammenhengen mellom rom og kraft. Rommet var ikke fravær av alt, men et medium der det kunne opptre en form for spenninger som vi opplever som elektriske og magnetiske krefter. Slik oppsto det begrepsmessige grunnlaget for feltteori som ble utviklet matematisk av Maxwell for elektromagnetismen.