بیوگرافی مایکل فارادی؛ اکتشافات دانشمند تجربی بریتانیایی

مایکل فارادی «Michael Faraday» از بزرگ‌ترین دانشمندان و فیزیک‌دان‌های قرن نوزدهم بود که در زمینه‌های الکترومغناطیس و الکتروشیمی پیشرفت‌های زیادی انجام داد. او سال ۱۷۹۱ در انگلستان متولد شد و بیشتر به‌خاطر کشف قوانین الکترومغناطیسی و تأسیس اصول اصلی موتورها و ژنراتورهای الکتریکی شناخته می‌شود. فارادی همچنین در توسعه مفهوم القای الکترومغناطیسی و کشف میدان‌های مغناطیسی نقش عمده‌ای داشت. آثار علمی او به‌ویژه در زمینه‌های الکتریسیته، مغناطیس و شیمی همچنان در دنیای امروز موردتوجه قرار دارند. او علاوه‌بر تحقیقات علمی‌اش، معلمی برجسته و محبوب بود که دستاوردهای علمی‌اش به‌طور قابل‌توجهی بر انقلاب صنعتی و پیشرفت‌های تکنولوژیکی تأثیر گذاشت. در این مقاله قصد داریم با فارادی بیشتر آشنا شویم.

مایکل فارادی؛ تولد و کودکی

۲۲ سپتامبر ۱۷۹۱، مایکل فارادی در انگلستان در خانواده‌ای از طبقه‌ کارگر متولد شد. او سومین فرزند والدینش، جیمز و مارگارت فارادی، بود که روزگار خود را با آهنگری و کارگری در خانه‌ خانواده‌های متمول می‌گذراندند. مایکل در جوانی پدر خود را از دست داد و مادرش، مارگارت فارادی، مجبور شد به‌تنهایی سرپرستی پسران خود را برعهده بگیرد، پسرانی که آنها نیز بعدها به مشاغل یدی مشغول شده و در جبران زحمات مادرشان تا کهنسالی از او نگهداری کردند.

مایکل به‌دلیل شرایط اقتصادی نابسامان خانواده‌اش در کودکی تحصیلات خوبی نداشت و بیشتر اوقاتش مشغول فروختن روزنامه بود تا شاگرد کتا‌ب‌فروش شد؛ کتاب‌فروشی با تعداد بسیار زیادی کتاب که مایکل را با دنیای علم و بسیاری از دانشمندان ازجمله «آیزاک وات» آشنا کرد. این نقطه‌ای از زندگی میشل بود که او عطش خود به دانستن و کندوکاو در علوم طبیعی را کشف کرد.

ورود مایکل فارادی به دنیای علم

کمی بعد از مطالعه کتب علمی، مایکل تصمیم گرفت کتاب‌فروشی را رها کرده و علایق تحقیقاتی خود را دنبال کند؛ به همین دلیل در کلاس‌های شیمی محققان مؤسسه سلطنتی شرکت کرد. کمی بعد که با مفاهیم اولیه شیمی و فیزیک آشنا شد، به شیمی‌دان محبوبش، «هامفری دیوی»، نامه‌ای فرستاد و در آن نامه توضیح داد دوست دارد در کنار او در آزمایشگاه شیمی مؤسسه‌ سلطنتی مشغول تحقیق شود. دکتر دیوی بااینکه به استخدام جوانی بدون تحصیلات رسمی در آزمایشگاه خود بدبین بود، مایکل را به مصاحبه‌ کاری دعوت کرد و طی این مصاحبه تحت‌تأثیر اشتیاق و کنجکاوی میشل قرار گرفت، تا حدی که او را در آزمایشگاه خود پذیرفت و مفاهیم بنیادی بیشتری از شیمی و فیزیک به او آموخت.

در این همکاری مایکل در آزمایش‌های دکتر دیوی همکاری کرد تا الفبای طراحی آزمایش را بیاموزد. این آزمایش‌ها عمدتاً بر شناسایی اتم‌ها، الکترولیز و… تمرکز داشتند و یکی از این آزمایش‌ها منجر به اختراع چراغ امنیت برای کارگران معدن شد؛ چراغی که امکان استفاده از آن در محیط قابل‌اشتعالی مثل معدن زغال‌سنگ نیز وجود داشت. اگرچه رابطه‌ای توأم با احترام میان مایکل و دکتر دیوی برقرار بود اما چندی بعد از آغاز همکاری آنها، مایکل متوجه شد دوست دارد دیدگاه دیگری از علم را پی بگیرد. برخلاف دکتر دیوی که اغلب دوست داشت به آزمایش‌های شیمی کاربردی بپردازد، مایکل ترجیح داد دیدگاه بنیادی به علوم پایه داشته باشد. این دیدگاه بنیادی اکتشافات فارادی درمورد الکترومغناطیس و الکتروشیمی را در پی داشت.

مایکل فارادی از ۱۸۲۱ شروع به تحقیقات در حوزه‌ الکتریسیته کرد. جالب است بدانید ابتدا مایکل فارادی علاقه‌ چندانی به الکتریسیته نداشت بلکه یکی از دوستان محققش از او درخواست کرده بود مقاله‌ای مروری درباره الکتریسیته برای ژورنال «Annals of philosophy» بنویسد. مایکل از تابستان همان سال شروع به نگارش این مقاله کرد و برای نگارش آن آغاز به مطالعه‌ای سیستماتیک در این حوزه کرد، تا جایی که تمامی مقالات مرتبط با الکتریسیته را مطالعه کرد. فارادی در این مطالعات دریافت الکتریسیته و مغناطیس 2 مفهوم فیزیکی هستند که از سال‌ها پیش موردبررسی دانشمندان قرار گرفته‌اند. مقالات نشان می‌داد دانشمندی با نام «هانس کریستین اورست» ابتدا متوجه همبستگی و ارتباط الکتریسیته و مغناطیس شده؛ زیرا مشاهده کرده بود جریان برق می‌تواند روی میدان مغناطیسی یک آهنربای میله‌ای تأثیر بگذارد. دانشمند دیگری با نام «آندره مری آمپره» در ادامه‌ آزمایش‌های اورست این تئوری را مطرح کرده بود که ویژگی‌های مغناطیسی جریان الکتریسیته به‌علت حرکت ذرات باردار ایجاد می‌شوند. مطالعه‌ یافته‌ها و تئوری‌های این دانشمندان این سوال را در ذهن کنجکاو مایکل فارادی ایجاد کرد: واقعا چه ذراتی خاصیت مغناطیسی جریان الکتریسیته را ایجاد می‌کنند؟

مایکل فارادی؛ پیشروی فراتر از علم زمان خود!

مایکل فارادی می‌دانست برای پاسخ این سؤال نباید به مفاهیم تئوری اکتفا کند، بلکه به آزمایش‌های تجربی و عملی نیاز خواهد داشت؛ بنابراین او که به طراحی آزمایش‌های هوشمندانه شهره بود، مجموعه آزمایشی طراحی کرد تا ماهیت همبستگی میان الکتریسیته و مغناطیس را دریابد. برای این کار او به وسایل ساده‌ای مثل باتری، سیم مفتول، آهن‌ربا و… نیاز داشت.

او در برخی آزمایش‌ها، آهن‌ربا را از میان سیم (که به‌صورت فنری فشرده پیچیده شده بود) عبور داد و دریافت با عبور آهن‌ربا از میان سیم فنری، مقدار اندکی جریان الکتریسیته در سیم ایجاد می‌شود. مایکل که به تکرارپذیری آزمایش‌ها علمی اعتقاد راسخی داشت، این آزمایش را بارها و بارها تکرار می‌کرد تا مطمئن شود نتایج قابل‌تکرار هستند. همین‌طور او در هر بار آزمایش یکی از متغیرها اعم از طول سیم، تعداد دورهای سیم فنری، قدرت میدان مغناطیسی و… را تغییر می‌داد تا رابطه‌ آنها را دربیابد و آن را به‌صورت معادله تعریف کند. در سری دیگری از آزمایش‌ها، مایکل فارادی سیم فنری را اطراف آهن‌ربا به گردش درمی‌آورد و بازهم مشاهده کرد در سیم مقدار اندکی جریان الکتریسیته ایجاد می‌شود.

مجموع این آزمایش‌ها اثبات کرد که می‌توان با چرخاندن یک ماده‌ی هادی در یک میدان مغناطیس، الکتریسیته با جریانی ثابت تولید کرد، اکتشافی که زمینه را برای تولید نسل جدید از ژنراتورهای برق مهیا ساخت. او همچنین خطوط نیرو را برای میدان الکتریکی و میدان مغناطیس ترسیم کرد، خطوطی که جهت و شکل این میدان‌ها را ترسیم می‌کردند. نکته‌ای جالب اینجاست که او این خطوط را تصور نمی‌کرد، بلکه با پخش براده‌ آهن روی سطحی در اطراف میدانی الکتریکی یا مغناطیسی این خطوط را مشاهده می‌کرد؛ این مسئله تأییدی بر دیدگاه علمی مبتنی‌بر تجربه و مشاهده‌ فارادی برای توضیح پدیده‌های طبیعی دارد. در واقع او خلاقیت خود را با مطالعات و آزمایشات سیستماتیک ترکیب می‌کرد و به درک عمیقی از مفاهیم بنیادی فیزیک می‌رسید.

اکتشافات و اختراعات فارادی به همین موارد محدود نمی‌شود. از دیگر ابداعات فارادی می‌توان به قفس فارادی اشاره کرد که سال ۱۸۳۶ به وقوع پیوست. قفس فارادی به ساختاری قفس‌مانند اشاره دارد که از فلز ساخته شده و می‌تواند محفظه‌ داخلی خود را از الکترومغناطیس محافظت کند. مکانیزم عملکرد این قفس به این صورت است که با عبور جریان الکتریسیته از قفس فلزی و به تعادل رسیدن بارهای الکتریکی، میدان الکتریکی درون محفظه خنثی می‌شود؛ به‌این‌ترتیب، مواد یا دستگاه داخل قفس محافظت خواهد شد. قفس فارادی کاربردهای بسیاری دارد ازجمله محافظت از قطعات سخت‌افزاری کامپیوتر از امواج الکترومغناطیس اطراف، میدان‌های الکتریکی یا محافظت زیرساخت‌های الکتریکی از صاعقه. تصویر زیر نمونه‌ای از قفس فارادی را نشان می‌دهد.

ابداعات فارادی صرفاً به فیزیک محدود نمی‌شود. او در جهان شیمی نیز حرفی برای گفتن داشت. در واقع فارادی اولین کسی بود که توانست «بنزن» را شناسایی کند. او سال ۱۸۲۵ مقداری روغن ماهی را سوزاند (که در آن روزها به‌عنوان منبعی برای تأمین روشنایی خانه‌ها استفاده‌شده قرار می‌گرفت) و دود آن را تقطیر کرد و مایعی بی‌رنگ با بویی شیرین به دست آورد. او این مایع را در ظرف کوچکی نگهداری کرد و مشخصات آن را در قالب مقاله‌ای به مؤسسه سلطنتی تحویل داد. این نمونه که با دست‌خط خود مایکل فارادی نام‌گذاری شده است، هم‌اکنون در موزه‌ فارادی در مؤسسه سلطنتی نگهداری می‌شود.

ابتدا بنزن در بسیاری از صنایع ازجمله صنایع غذایی و آرایشی بهداشتی در قالب ماده‌ اولیه استفاده شد اما با پیشرفت علم، سمیت این ماده مشخص شد و اکنون صرفاً در صنایع پتروشیمی استفاده و بهره‌برداری می‌شود.
از دیگر مواردی که فارادی آنها را بررسی کرد، می‌توان به الکترولیز اشاره کرد. آن زمان الکترولیز به‌تازگی توجه محققان را جلب کرده بود، واکنشی برمبنای جریان الکتریسیته که منجر به تولید مواد شیمیایی نوین می‌شد. فارادی مطالعات خود را با آزمایش روی محلول‌های متفاوت شروع کرد. او مواد مختلف را در آب حل می‌کرد یا درصورت امکان به فرم مایع درمی‌آورد و آن را تحت‌تأثیر جریان الکتریسیته قرار می‌داد تا واکنش اتفاق بیفتد. او برای این آزمایش دستگاهی ساده نیز ساخته بود، دستگاهی که شامل ۲ الکترود کاتد و آند می‌شد که دور یکدیگر در محلولی الکترولیت (مانند آب و نمک) پیچیده بودند. او مشاهده می‌کرد که با گذر جریان الکتریسیته از این ۲ الکترود، واکنشی روی سطح الکترودها به وقوع می‌پیوندد و حباب‌های گاز در محلول الکترولیتی شکل می‌گیرند.

بار دیگر فارادی تلاش کرد این پدیده را به‌خوبی مشاهده و برای مشاهده آن آزمایش علمی استانداردی طراحی کند، آن را بارها و بارها با تغییر متغیرهای آزمایش تکرار کند تا با معادله‌ای به روابط میان متغیرها پی ببرد. او برای این کار میزان جریان الکتریسیته را تغییر می‌داد و مشاهده می‌کرد در هر واکنش الکترولیز چه مقدار ماده در واکنش شرکت می‌کند. سرانجام موفق شد این رابطه را دریابد و در قالب قانون الکترولیز فارادی ارائه کند. این قانون در مجامع علمی به‌عنوان زیربنای علم الکتروشیمی پذیرفته شده و در بسیاری صنایع نیز استفاده می‌شود. میان آنها می‌توان به ساخت باتری یا تولید مواد مختلف طی واکنش الکترولیز اشاره کرد.

تشکیل خانواده و دوران کهنسالی

فارادی سال ۱۹۲۱ با «سارا برنارد» ازدواج کرد، ازدواجی موفق که مایکل همواره به‌خوبی از آن یاد می‌کرد. مایکل فارادی در دهه‌ هفتم زندگی خود با مرور مشکلات حافظه و دیگر بیماری‌های مرتبط با کهنسالی روبه‌رو شد و به‌تدریج از مسئولیت‌های خود اعم از تدریس کم کرد تا زمان بیشتری در خانه باشد. مایکل فارادی ۲۵ آگوست ۱۸۷۵ در ۷۵ سالگی به‌دلیل کهولت سن چشم از جهان فروبست و میراثی بزرگ از دستاوردهای علمی در زمینه‌ شیمی و فیزیک برای آیندگان به جا گذاشت.

دستاوردهای مایکل فارادی

طی سال‌ها تحقیق و پژوهش، مایکل فارادی موفق به کسب تعدادی از مهم‌ترین افتخارات علمی زمانه خودش شد. تو سال ۱۸۲۴ به‌عنوان یکی از اعضای اصلی مؤسسه سلطنتی برگزیده شد و «مدال کپلی» را سال ۱۸۳۲ از آن خود کرد. مایکل فارادی همین‌طور از بسیاری از دانشگاه‌ها و مؤسسات علمی مدرک افتخاری گرفت؛ دانشگاه ادینبرگ و دانشگاه کمبریج ازجمله آنها هستند. مؤسسه سلطنتی و بسیاری دیگر از مؤسسات علمی به احترام و افتخار مایکل فارادی جوایز بسیاری با همین نام به سایر شیمی‌دان‌ها و فیزیک‌دان‌های سراسر جهان اعطا کردند تا یاد او را در جامعه‌ علمی زنده نگاه دارند. علاوه‌براین تعدادی از مؤسسات با نام فاردی تأسیس شدند ازجمله مؤسسه علم و دین فارادی و همین‌طور موزه‌ فارادی در لندن.
هم‌اکنون آزمایشگاهی که مایکل فارادی در آن کار می‌کرد و تعدادی از بزرگ‌ترین و تأثیرگذارترین اکتشافات بشریت در آن رخ داد، در مؤسسه سلطنتی به موزه‌ علمی بدل شده است که علاقه‌مندان به این حوزه می‌توانند به‌صورت حضوری و مجازی از آن دیدن کنند.

جمع‌بندی

در مقاله‌ای که خواندیم، با مایکل فارادی آشنا شدیم و مرور کردیم که چطور او با کشف قوانین القای الکترومغناطیسی و توسعه مفاهیم اساسی در الکترومغناطیس، تأثیر شگرفی بر علم فیزیک و مهندسی گذاشت. همچنین بررسی کردیم چگونه تحقیقات او در زمینه‌های الکتروشیمی و مغناطیس پیشرفت‌های عمده‌ای در تکنولوژی‌های مدرن، مانند موتورهای الکتریکی و ژنراتورها، ایجاد کرد. درنهایت، فارادی صرفاً دانشمندی بزرگ نبود، بلکه معلمی تأثیرگذار بود که آثار علمی او همچنان مبنای بسیاری از دستاوردهای علمی و صنعتی امروز است.