Michael Faraday

Michael Faraday se narodil 22. září roku 1791 v Newingtonu v hrabství Surrey. Jeho rodina byla chudá, táta byl kovář a Michael měl ještě dva starší sourozence. Přestěhovali se do Londýna na sever od Temže do Jacob´s Well Mews poblíž Manchester Square a Baker Street. Jejich táta brzy onemocněl a nemohl živit rodinu. Živobytí obstarávala máma, která pronajímala pokoje cestujícím, protože Faradayovi bydleli v poschodí nad vozovnou dostavníků. Faradaye hodně ovlivnila příslušnost rodiny k evangelické sandemaniánské církvi, která udržovala uzavřenou komunitu, neměla zájem o světské záležitosti a její členové byli skromní a neambiciózní.

Michael Faraday.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Pavel Trnka. Under Creative Commons.

Michael se naučil jen ty nejzákladnější věci na farní škole a už ve třinácti letech odešel do Londýna, aby se učil v knihkupectví pana George Riebaua. Nejprve zajišťoval půjčování a roznos novin, které byly v té době dost drahé. Za rok ho pan Riebau přijal do učení v oboru knihař a obchodní příručí. Do knih, které zákazníci přinášeli do firmy k opravě, zvědavě nahlížel. Při tom se mu jednou dostal do ruky i jistý svazek Encyklopedie Britannica a v něm článek o elektřině. A ta ho nadchla.

Obchod pana Riebaua.
Zdroj: MAYER, D. Michael Faraday – filozof experimentu (Uplynulo 170 let od objevu elektromagnetické indukce). Československý časopis pro fyziku, 2001, č. 5, svazek 51, s. 330–337. ISSN 0009–0700.

V roce 1810 jim zemřel táta a o rodinu se začal staral starší bratr Robert. Ten Michaela finančně podporoval v dalším studiu na soukromé škole na Dorset Street. Michael ji začal navštěvovat hned ten stejný rok a během čtrnácti večerních přednášek Johna Tatuma probral fluidové teorie, Galvaniho pokusy, Voltův sloup apod. Stále pracoval v dílně pana Riebaua, který ho v dalším studiu podporoval, a proto tu mohl provádět pokusy s třecí elektrikou nebo leidenskými láhvemi. Výsledky si zapisoval do deníku, který si pak svázal a na kožený hřbet vyzlatil písmena MF.

Pan Riebaue obstaral Michaelovi od jednoho zákazníka lístky na přednášky sira Humphry Davyho, na které se Michael poprvé vypravil jednoho jarního večera roku 1812. Přednášky navštěvoval pravidelně. V roce 1812 ukončil studium u pana Riebaua a odešel na dobře placené místo u francouzského emigranta de la Roche. Ten byl dost nepříjemný, často míval špatnou náladu a hlavně neměl pochopení pro Faradayovu zálibu. Na radu pana Riebaua napsal Faraday na začátku roku 1813 dopis siru Davymu, ve kterém ho žádal o místo. K žádosti mu přiložil nádherně vázaný komplet ručně psaných poznámek z jeho přednášek. 18. března napsal Davy řediteli Royal Society siru Josephu Banksovi: “Mám čest oznámiti Vám, že jsem se setkal s člověkem, který si přeje zastávat uvolněné místo pomocníka v našem ústavu. Jmenuje se Michael Faraday a je mu 22 let. Domnívám se, že se pro toto místo může hodit.“ Faraday byl šťastný, že ho přijali. Náplní jeho práce bylo čistit láhve a zkumavky. Dostal týdenní plat 25 šilinků a byt se dvěma pokoji v podkroví Royal Society.

Cesta ke slávě

Michael se postupně z umývače zkumavek vypracoval až na Davyho asistenta. Pořád se ale vzdělával, a proto se připojil k podobně smýšlející skupince mladých lidí. Ti si říkali City philosophical Society a navzájem se při debatách a přednáškách učili. Faraday začal přednášet od roku 1816. Přednášel z hlavy, ale vždy měl přednášky pečlivě připravené. Témata si volil fyzikální, chemická, ale i filozofická. Od roku 1825 byl na Davyho návrh povýšen a mimo jiné mu přibyla povinnost každý pátek přednášet pro členy Royal Society. Přednášky byly později i veřejné, navštěvovaly je všechny vrstvy obyvatelstva – studenti, řemeslníci, ale i manžel královny Viktorie, princ Albert nebo student James Clerk Maxwell. Dodnes se udržely tzv. Christmas Lecture, pořádané v období vánočních svátků.

Faraday při Christmas lecture (Originál obrazu je v Royal Institution).
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Hned rok po přijetí do Davyho služeb odjel Michael Faraday s ním a jeho manželkou na cestu po Evropě. Navštívili Francii, Švýcarsko, Itálii, Řecko, Turecko apod. Mimo své povinnosti byl i sluhou lady Davyové a z dopisů jeho příteli Abottovi vyplívá, že trpěl její náladovostí. Seznámil se s André Ampérem (vyučoval v té době matematiku na Sorboně), Josephem Gay–Lussacem (pracoval v École Polytechnique), Alexandrem Humboldtem a Alessandrem Voltou v Pavii.

Po návratu byl sice nadále Davyho asistentem, ale již samostatně bádal. Davy ho zpočátku pověřoval menšími chemickými pracemi, při kterých nalezl sloučeniny chloru a uhlíku. Po šesti letech práce pro Davyho se zvýšil jeho roční plat na 100 liber, byl jmenován správcem budovy a laboratoří. K bydlení mu přibily další dvě místnosti, a proto se ve stejném roce oženil se Sárou Bernardovou, dcerou staršího ze sandemaniánského společenství. Měli sice bezdětné, ale spokojené manželství.

Příštích několik let se zaměřoval na rychle se rozvíjející analytickou chemii, elektrochemii a metalurgii. Vymyslel způsob, jak zkapalnit plyn (např. chlor, kysličník uhličitý, amoniak, kysličník siřičitý, chlorovodík). Objevil důležitou organickou sloučeninu zvanou benzen. Prováděl rozbory vody, určoval obsah vody v chilském ledku a pro britskou admiralitu zkoumal různé způsoby sušení masa. Prováděl také výzkumy s optickým sklem a slitinami oceli, formuloval zákony elektrolýzy. Z této doby pochází i jeho první publikovaná práce Analýza přirozeného vápna z Toskánska v Quorterly Journal of Science (1816), který vycházel v Royal Society. Faraday byl později pověřen jeho vydáváním.

První vědecké úspěchy

Pod Davyho vedením se rychle učil a také se nadchl pro jeho oblíbence: na dávno zapomenutého dalmatského vědce osmnáctého století Rudjera Boškoviće. Podle Boškoviće jsou všechny atomy obkrouženy silovými poli, která ovlivňují své okolí a mohou si svou sílu předávat. Davymu i Faradayovi se tato teorie zalíbila, vysvětlovala totiž, jak spolu atomy a molekuly navzájem spolupracují. Faraday ji pak dovedl ještě dále. Aplikoval ji nejen na chemii, ale zkusil s její pomocí vysvětlit i taje elektromagnetické síly.

Roku 1820 získal Davy spis Hanse Oersteda Experimente circa efectum conflictus elektrici acum a společně s Faradayem jeho pokusy zopakovali. Davy se brzy o pokusy přestal zajímat, ale pro Michaela Faradaye se staly velkým podnětem pro další práci. Faraday prostudoval i Ampérovu teorii elektromagnetismu, ale jak sám přiznal v dopise z roku 1825, zcela ji nepochopil.

První experimentální úspěch přišel v roce 1821. Faraday zalil do vosku tyčový magnet a upevnil jej v misce se rtutí tak, že jeho jeden konec vyčníval ze rtuti. Kus drátu dal jedním koncem do kovového kalíšku, který upevnil těsně nad vyčnívajícím pólem magnetu a druhý konec prostrčil koncem, který nechal plavat ve rtuti tak, že drát zasahoval do rtuti. Když připojil póly baterie ke rtuti a ke kovovému kalíšku, začal se drát otáčet kolem vyčnívajícího pólu magnetu. S nadsázkou můžeme říct, že sestrojil první elektromotor. O vánocích téhož roku vyvolal pohyb vodiče účinkem magnetického pole Země.

Faraday své výsledky hned publikoval. Jeho objevy se ale nesetkaly jen s dobrým ohlasem. Třeba William Hyde Wollastone si myslel, že první impuls k objevu dal on sám. Faraday se mu pak v dopise omluvil. V londýnských intelektuálních kruzích se navíc začaly šířit pomluvy o tom, že pouhý asistent v Royal Society ukradl myšlenky slavnému vědci. Proto byl uražený i Davy (snad na Faradaye a jeho úspěchy žárlil), který o dva roky později v přednášce naznačil, že původní myšlenka byla opravdu Wollastonova.

Davyho a Faradayovy vztahy se definitivně zhoršily. Když se v roce 1824 rozhodovalo o přijetí Faradaye do Royal Society, stále žárlivější Davy (nyní předseda společnosti) se postavil proti nominaci. Faradaye ale i přesto přijali. Jeho kandidaturu potvrdil i Wollastone. Když se Faraday o pár let později stal členem 68 zahraničních akademií a vědeckých společností, tak Davy obrátil a tvrdil, že Faraday byl jeho největším objevem.

Objev elektromagnetické indukce

Jeho cílem pro rok 1822 bylo objevit opačný jev k Oerstedovu pokusu, tedy z magnetismu získat elektřinu. 29. srpna 1831, teda až po necelých 10 letech neúspěšných pokusů svůj cíl splnil. Objevil elektromagnetickou indukci. Použil prstenec z měkkého železa 2 cm tlustý, o vnějším průměru 15 cm a ovinul jej na dvou protilehlých místech různými vrstvami měděného drátu, isolovanými nitmi a kartonem. Vinutí na jednom konci spojil s Voltovou baterií, do druhého vinutí připojil galvanometr.

Železný prstenec ovinutý měděným drátem.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

První účinek se objevil jen jako malé vychýlení magnetky. Vzápětí však ručička skočila zpět na nulu. Baterie byla dál zapojená, ale ve druhém drátu už žádný elektrický proud nebyl. Ještě podivnější byl pohyb ručičky elektroměru ve chvíli, kdy Faraday baterii vypnul. Indukce zjevně potřebuje víc než jen přítomnost magnetického pole. Tuto myšlenku ověřil 24. září 1831, když připojil galvanometr k válcové cívce. Jestliže vsunoval tyčový magnet do cívky, zaznamenával galvanometr proudový impuls, při vysunutí impuls opačný.

Faradayova cívka.
Zdroj: MAYER, D. Michael Faraday – filozof experimentu (Uplynulo 170 let od objevu elektromagnetické indukce). Československý časopis pro fyziku, 2001, č. 5, svazek 51, s. 330–337. ISSN 0009–0700.

Faraday umístil otočnou měděnou desku mezi póly silného permanentního magnetu, a vytvořil tak na destičce konstantně se měnící magnetické pole. Spojil dráty se středem a okraji destičky, získal tak konstantní elektrický proud. Při tomto pokusu zjistil, že Oerstedův objev lze rozšířit: magnetické pole může být použito k výrobě elektřiny. Zároveň objevil dynamo. Dnes je vše – od světel bicyklu, po celé státy – osvětleno na principu indukce proudu.

V 30. letech 19. století se spekulovalo o stejné podstatě elektřiny statické, živočišné, z galvanických článků a termoelektřiny. Faraday experimentálně dokázal stejnou podstatu všech těchto elektřin. Dokázal, že zemský magnetismus a magnetické pole permanentních magnetů má stejné vlastnosti. Prozkoumal také chování elektrostatického náboje uvnitř stíněného prostoru, tzv. Faradayovu klec. V roce 1933 se věnoval chemickému účinku proudu, který nazval elektrolýza a formuloval zákony po něm pojmenované. Na popud reverenda Whewella zavedl pojmy elektrolýza, elektroda, ion, anion, kation, anoda, katoda, elektrolyt apod. V roce 1833 byl jmenován profesorem chemie v Royal Society.

Inspirace pokusy s pilinovými obrazci v magnetickém poli ho vedla v letech 1836 a 1837 k zavedení pojmu siločára a silová trubice, pomocí kterých geometricky modeloval magnetické pole. Důležitou roli přisoudil prostředí a zavedl tak představu elektromagnetického pole vyplňujícího celý prostor.

Další Faradayovy objevy

Po řadě vynikajících úspěchů v letech 1838 až 1844 přišla doba únavy. Často proto podnikal výlety k moři, kde jen relaxoval. Nejvíc si odpočinul až v Alpách v Interlaken.

Michael Faraday na portrétu z roku 1841.
Zdroj: National Portrait Gallery, London.
Autor: Thomas Phillips. Under Creative Commons.

V letech 1845 až 1850 se zabýval působením magnetického pole na látky. Bádání mu znepříjemňovala zhoršující se paměť. Někdy dokonce opakoval pokusy, které už prováděl, aniž si to uvědomil.  pátek přednášet pro členy Royal Society. jemný, Přišel s myšlenkou, že každý materiál by měl reagovat na magnetické pole – tedy nejen kovy, ale také dřevo nebo vzduch. Následnými experimenty zjistil, že se všechny látky chovají dvojím způsobem: buďto jsou vypuzovány magnetickým polem (tento jev se nyní nazývá diamagnetismus) nebo jsou vtahovány magnetickým polem (paramagnetismus).

Magnetické siločáry v okolí paramagnetické látky (vlevo) a diamagnetické látky (vpravo). Publikováno v Experimental Researches in Elektricity.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Faraday také objevil účinky magnetického pole na světlo. Už dříve připravoval skla pro dalekohledy Williama Herschela. Když vložil boroolovnaté sklo mezi póly elektromagnetu a nechal jím procházet polarizované světlo rovnoběžně s magnetickými siločárami, objevil, že se rovina polarizovaného světla vychyluje. Tento jev byl nazván Faradayův efekt. Pomocí paramagnetismu kyslíku vysvětlil odchylky zemského magnetického pole. Později se ukázalo, že vliv kyslíku je minimální.

Roku 1850 přišel Faraday s další zajímavou myšlenkou. Mnoho význačných vědců věřilo, že vesmír je v podstatě prázdný a síly (jako například magnetická) putují tímto prázdnem nekonečnou rychlostí. Faraday tvrdil, že vesmír je zaplněn médiem schopným přenášet elektřinu, magnetismus i další síly. Ani sám Faraday nedokázal tuto myšlenku dovést do konce.

Michael Faraday v roce 1850.
Zdroj: National Portrait Gallery, London. Autor: Herbert Watkins. Under Creative Commons..

V roce 1855 dokončil vydávání Experimental Researches in Electricity (Experimentální výzkumy o elektřině), kde v několika svazcích sepsal své celoživotní poznatky z elektromagnetismu. Je to vlastně Faradayův deník, který neobsahuje žádné matematické vzorce (Michael Faraday neuměl matematiku), přesto jsou jeho myšlenky velmi přesně formulovány. Obsahuje 3362 odstavců, kde každý popisuje jeden experiment.

 Michael Faraday: Experimental Researches in Electricity

Konec se blíží

Žádný Faradayův současník nedokázal jeho myšlenky převést do matematických rovnic. Jen William Thomson, lord Kelvin se o to bezúspěšně pokusil. Ve stejném roce, kdy Faraday dokončil vydávání Experimental Researches in Elektricity , začal výsledky experimentů z této knihy převádět do řeči čísel tehdy teprve čtyřiadvacetiletý nadaný matematik z Cambridgeské univerzity James Clerk Maxwell. Jeho práce nakonec vedla k důkazu, že elektřina a magnetismus jsou ve skutečnosti opravdu spojenou silou. Bohužel právě v době, kdy se Maxwell blížil k dokončení svých výpočtů, Faradayovy schopnosti byly skoro u konce. 

Faradayova laboratoř v roce 1852 (originál obrazu je v Royal Institution).
Zdroj: MAYER, D. Michael Faraday – filozof experimentu (Uplynulo 170 let od objevu elektromagnetické indukce). Československý časopis pro fyziku, 2001, č. 5, svazek 51, s. 330–337. ISSN 0009–0700.

Faraday nebyl jen chytrý, ale zároveň hezký. Přesto byl skromný a vzácně lhostejný ke slávě, penězům a poctám. Odmítl povýšení do šlechtického stavu, profesuru v Dublinu i nabídku, aby se stal prezidentem Royal Society. Až ke konci života na naléhání přátel přijal penzi a nabídku od královny Viktorie, aby se svou ženou bydlel v domě v londýnském parku v Hampton Court. Na sklonku života se potýkal s těžkou nemocí, která byla zřejmě způsobena chronickou otravou rtutí. Poslední léta již nemohl pracovat, trpěl ochabující pamětí. Po roce 1860 měl málokdy jasné chvilky, úplně mu selhávala paměť. Postupně se také vzdával svých funkcí. 20. června 1862 měl poslední páteční přednášku. Zemřel roku 1867 v Hampton Courtu. Měl pohřeb s nejvyššími státními poctami ve Westminsterském opatství. Je pochován na hřbitově v Highgate.

Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Použité zdroje

[1] KORYTA, J. Michael Faraday. 1. vydání. Praha: Orbis, 1972. ISBN 11–072–72.

[2] LENARD, P. Velcí přírodozpytci. Přeložil F. X. Lánský. 2. české vydání. Praha: Vydavatelstvo Družstevní práce, 1943.

[3] MAYER, D. Michael Faraday – filozof experimentu (Uplynulo 170 let od objevu elektromagnetické indukce). Československý časopis pro fyziku, 2001, č. 5, svazek 51, s. 330–337. ISSN 0009–0700.

[4] ŠTOLL, I. Historky o slavných fyzicích a matematicích. 1. vydání. Praha: Prométheus, 2005. ISBN 80–7196–309–7.