Michael Faraday – elektromagnetická indukce, farad a Faradayovy zákony

22. 9. 1791–25. 8. 1867

Anglický fyzik, chemik a mimořádný experimentátor Michael Faraday se narodil 22. září 1791 v Newington Butts u Londýna v rodině kováře Jamese Faradaye. Systematické univerzitní vzdělání nezískal. Roku 1805 nastoupil jako čtrnáctiletý do učení ke knihaři Georgi Riebauovi v Blandford Street a při práci začal číst odborné knihy, opisovat přednášky a provádět první pokusy.

Od roku 1810 navštěvoval přednášky City Philosophical Society. V roce 1812 se dostal na přednášky chemika Humphryho Davyho v Royal Institution. Z poznámek si vytvořil svázaný sešit a poslal jej Davymu. Dne 1. 3. 1813 nastoupil v Royal Institution jako chemický asistent. Od října 1813 do dubna 1815 doprovázel Davyho na vědecké cestě po Evropě.

Podpis Michaela Faradaye — Michael Faraday – podpis

Proč má Faraday místo mezi fyziky

Faraday patří k nejdůležitějším osobnostem elektromagnetismu. Objevil elektromagnetickou rotaci, elektromagnetickou indukci, zákony elektrolýzy, diamagnetismus a magnetooptický Faradayův efekt. Jeho experimentální představa siločar a elektromagnetického pole připravila půdu pro matematickou teorii Jamese Clerka Maxwella.

Po Faradayovi je pojmenována odvozená jednotka elektrické kapacity farad, Faradayova konstanta, Faradayův zákon elektromagnetické indukce, Faradayovy zákony elektrolýzy, Faradayův efekt, Faradayova klec a Faradayův disk. Jeho význam tedy přesahuje jednotlivé objevy: pomohl spojit elektřinu, magnetismus, chemii a optiku do jednoho fyzikálního rámce.

Elektromagnetická rotace

Roku 1820 ukázal Hans Christian Oersted, že elektrický proud ovlivňuje magnetku. Faraday na tento objev navázal a roku 1821 předvedl elektromagnetickou rotaci: pohyb vodiče s proudem kolem magnetu nebo magnetu kolem vodiče. Šlo o jeden z prvních praktických kroků k principu elektromotoru.

V roce 1821 byl Faraday povýšen na správce budovy Royal Institution a 2. 6. 1821 se oženil se Sarah Barnardovou. Roku 1824 byl zvolen členem Royal Society. V roce 1825 izoloval a popsal benzen, tehdy označovaný jako bicarburet of hydrogen.

Elektromagnetická indukce

Nejznámější Faradayův fyzikální objev přišel roku 1831. Faraday zjistil, že změna magnetického pole může vyvolat elektrický proud. Při pokusu s železným prstencem navinul dvě oddělené cívky. Při zapnutí proudu v první cívce se v druhé objevil krátký proudový impuls; při vypnutí proudu vznikl impuls opačného směru.

Tento jev dnes označujeme jako elektromagnetickou indukci. V moderním zápisu Faradayův zákon říká, že indukované napětí souvisí se změnou magnetického toku v čase. V nejjednodušší podobě se zapisuje například U_i = −dΦ/dt. Znaménko vyjadřuje Lenzovo pravidlo: indukovaný proud působí proti změně, která jej vyvolala.

Faradayovy zákony elektrolýzy

V roce 1834 Faraday formuloval zákony elektrolýzy. Ukázal, že množství látky vyloučené na elektrodě je úměrné elektrickému náboji, který elektrolytem prošel, a že pro vyloučení chemicky ekvivalentních množství různých látek je třeba stejné množství náboje.

Faradayova konstanta

Faradayova konstanta vyjadřuje velikost elektrického náboje jednoho molu elektronů. Přibližně platí:

F = 96 485 C·mol⁻¹

Starší technické texty někdy používaly jiné ekvivalentové formulace. Pro současný výklad je srozumitelnější vztah přes látkové množství a elektrický náboj.

Faradayův efekt, diamagnetismus a pole

V roce 1845 Faraday objevil magnetooptický jev dnes nazývaný Faradayův efekt. Zjistil, že magnetické pole může v látce stáčet rovinu polarizace světla. Tento objev byl důležitý, protože poprvé experimentálně ukázal souvislost mezi světlem a magnetismem.

Ve stejném období Faraday zkoumal také magnetické vlastnosti látek a objevil diamagnetismus. Jeho úvahy o siločarách a poli nebyly jen názornou pomůckou: staly se základem pozdějšího fyzikálního pojetí elektromagnetického pole, které matematicky rozvinul James Clerk Maxwell. Faradayovu práci sledovali a rozvíjeli také William Thomson a další fyzikové.

Relativní permitivita a dielektrika

Faraday zkoumal polarizaci dielektrik. Zjistil, že vložení izolační látky mezi elektrody kondenzátoru mění jeho kapacitu. Dnešní relativní permitivita ε_r není jednotka, ale bezrozměrná veličina vyjadřující poměr kapacity kondenzátoru s daným dielektrikem ke kapacitě odpovídajícího kondenzátoru ve vakuu.

Relativní permitivita: Poměr kapacity C kondenzátoru vyplněného dielektrikem a kapacity C₀ stejného kondenzátoru ve vakuu.

Trinity House a majáky

V letech 1836–1865 působil Faraday jako vědecký poradce Trinity House, organizace odpovědné za bezpečnost plavby kolem britského pobřeží. Zabýval se palivy, hořením, větráním a účinností majákových světel. Ve 40. letech 19. století pomáhal zlepšovat olejové osvětlení majáků a později se podílel také na zkouškách elektrického osvětlení.

Publikační činnost

Faraday své experimenty v oblasti elektřiny a elektromagnetismu popsal v třísvazkovém díle Experimental Researches in Electricity (1839, 1844, 1855). Výzkumy z chemie a fyziky shrnul v knize Experimental Researches in Chemistry and Physics (1858). Roku 1860 přednesl sérii šesti přednášek pro mladé posluchače, později vydaných jako The Chemical History of a Candle.

Ocenění a uznání

Michael Faraday patří mezi největší experimentátory 19. století. Jeho hlavní přínos spočívá v objevu elektromagnetické indukce, v rozvoji elektrochemie a v představě fyzikálního pole, která umožnila pozdější Maxwellovu teorii elektromagnetismu. Po Faradayovi je pojmenována jednotka elektrické kapacity farad i důležitá Faradayova konstanta.

Faraday byl členem Royal Society, působil v Royal Institution a svými veřejnými přednáškami výrazně přispěl k popularizaci vědy. Navzdory skromnému původu a absenci formálního univerzitního vzdělání se stal jednou z nejvlivnějších postav moderní experimentální fyziky.

V roce 1855 kvůli zhoršujícímu se zdravotnímu stavu ukončil soustavnou výzkumnou práci, ale v přednáškách pokračoval ještě několik let. Zemřel 25. srpna 1867 v Hampton Courtu. Pohřben je na Highgate Cemetery v Londýně.

Použity zdroje publikované na serverech Royal Institution, Britannica, Royal Society a NIST.

Souvislosti

Michael Faraday – Royal Institution
Michael Faraday – Britannica
Michael Faraday – Royal Society
Faraday constant – NIST

Pojmenováno po něm

farad – odvozená jednotka elektrické kapacity
Faradayova konstanta – náboj jednoho molu elektronů
Faradayův zákon elektromagnetické indukce – vztah mezi indukovaným napětím a měnícím se magnetickým tokem
Faradayovy zákony elektrolýzy – zákony vztahu mezi prošlým nábojem a množstvím vyloučené látky
Faradayův efekt – magnetooptické stáčení roviny polarizace světla
Faradayova klec – vodivý obal stínící elektrostatické pole
Faradayův disk – homopolární generátor založený na elektromagnetické indukci

Časté otázky

Co Faraday objevil v roce 1831?: Objevil elektromagnetickou indukci, tedy vznik elektrického napětí nebo proudu při změně magnetického pole.
Je farad základní jednotka SI?: Ne. Farad je odvozená jednotka SI pro elektrickou kapacitu.
Co říká Faradayova konstanta?: Udává elektrický náboj jednoho molu elektronů; přibližně `96 485 C·mol⁻¹`.
Proč je Faraday důležitý pro Maxwellovu teorii?: Faraday experimentálně rozvinul pojem siločar a elektromagnetického pole. Maxwell později tyto představy vyjádřil matematicky.

Navazující osobnosti na webu

Hans Christian Oersted – vztah elektřiny a magnetismu
André‑Marie Ampère – elektrodynamika a elektrický proud
Joseph Henry – elektromagnetická indukce a indukčnost
James Clerk Maxwell – elektromagnetická teorie pole
Alessandro Volta – elektrický článek
Luigi Galvani – rané dějiny elektřiny a fyziologie
Georg Simon Ohm – vztah napětí, proudu a odporu