![انبوه آزمایشهای تجربی فراوان و جالب فاراده انبوه آزمایشهای تجربی فراوان و جالب فاراده](https://rasekhoon.net/_files/thumb_images700/article/0041836.jpg)
ترجمه: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
منبع:راسخون
مایکل فاراده دانشمند بزرگ و خودساختهای است که از شهرت به سزایی در دنیای شیمی و فیزیک برخوردار شد. این شیمی فیزیکدان بزرگ تجربی در سپتامبر سال 1791 میلادی در نیوینگتن – که اکنون جزء لندن است – به دنیا آمد. او فقط توانست تحصیلات ابتدایی را بگذراند و در سیزده سالگی برای تأمین مخارج زندگی خود و خانواده نزد کتاب فروشی به نام ریباو ابتدا به کار روزنامه فروشی و سپس به کار صحافی پرداخت و از طریق مطالعهی کتابهای علمیِ صحافی شده و یادداشت برداری از آنها دلبستگیاش به علم، آشکار و استعداد بینظیرش شکوفا شد. سپس از طریق شرکت در چند جلسه سخنرانی دیوی در مؤسسهی سلطنتی انگلستان، توجه سخنران را به استعداد شگرف خود جلب نمود به طوری که چندی بعد به سِمَت دستیاری دیوی در آزمایشگاه دست یافت و در سال 1833 استاد شیمی مؤسسه گردید. دیوی در یکی از سخنرانیهایش در سال 1832 گفت: «فاراده بزرگترین کشف من در زندگی است.»
فاراده با دیوی مسافرتهای زیادی به فرانسه، سویس، آلمان، و اتریش کرد و با دانشمندان زیادی آشنا شد. او نخستین بار توجه خود را بر مسألهی الکترومغناطیس متمرکز ساخت و نتایج تحقیقات تجربی او در این زمینه بعدها منجر به پیدایش موتورهای الکتریکی، مولدهای برق، قطارهای برقی، سیستم برقرسانی عمومی، و صدها اختراع و اکتشاف علمی و صنعتی دیگر شد.
فاراده تجربیات متنوعی در علوم شیمی و فیزیک به دست آورد. او توانست برای نخستین بار پارهای از گازها نظیر کلر، کلرید هیدروژن، سولفید هیدروژن، سیانوژن (C2N2)، اتیلن، و هیدروژن فسفره را به مایع تبدیل کند، بنزن را در روغن قطران کشف کند، فرضیهی الکترولیز را به اثبات برساند، و واژههایی نظیر یون، الکترود، آند، و کاتد را معمول و متداول سازد، و قوانین کیفی و کمی الکترولیز را وضع کند، و نخستین کسی باشد که در آزمایشگاه دمایی پایینتر از دمای صفر فارنهایت ایجاد کند.
نام فاراده با ابداعات مهمی نظیر خطوط میدان الکتریکی، با قوانین مهمی نظیر الکترومغناطیس و الکترولیز و ... با واحد فیزیکی فاراده، با ثابت فیزیکی (عدد فاراده)، با یک اثر فیزیکی مهم (فضای تاریک فاراده)، و اینک با انجمنهای بیشمار علمی، مجلات علمی، و جوایز بیشمار همراه است. ولی این انسان وارسته، این دانشمند و استاد برجسته که با همهی مشغلههای علمیاش به صدها نامه پاسخ میداد و هیچ نامهای را بیجواب نمیگذاشت، با همهی شهرت و مقام علمیاش، انسانی بسیار فروتن و متواضع بود. هنگامی که لقب بارون، که از القاب بسیار مهم اشرافی آن زمانِ انگلستان بود، به وی داده شد آن را نپذیرفت و اظهار داشت: «چون این لقب چیزی به من نمیآموزد، از این رو داشتنِ آن فایدهای برای من ندارد.»
فاراده به آموزش علم و به نقش آن در خدمت به جامعه بسیار اهمیت میداد. او هرساله سخنرانیهایی به نام سخنرانیهای کریسمس برای کودکان ترتیب میداد. پس از هر سخنرانی، ضمن صحبت محبتآمیز با کودکانی که دور او را گرفته بودند، به آنها اجازه میداد به انجام آزمایشهایی بپردازند. در یک کلام میتوان گفت که فاراده دانشمندِ انسانی بود که ارتباط عمیق و ارگانیک میان دست، مغز، و قلب را همچون نمونهای کامل، عملاً متجلی ساخته بود. در طی جنگهای کریمه، وقتی دولت بریتانیا از وی خواست مقداری گاز سمی برای استفاده در میدانهای جنگ تهیه کند، قاطعانه پاسخ داد: «گرچه انجام چنین کاری برای من بسیار آسان است ولی من هرگز وسیلهی کشتنِ نوع بشر را فراهم نخواهم کرد.» این مردِ بزرگ تاریخ علم در 1867 در هامتن کورک – حومهی لندن – بدرود حیات گفت.
آزمایشهای فاراده در سپتامبر سال 1821 نقطهی آغازی برای تحقیقات او در زمینهی الکترومغناطیس بودند. روشهای تجربی و جهت تفکر و اندیشهی وی نشانهی شناخت عمیق و روشن او از رشد و گسترش علم بود. واقعیت این است که او از روز اول میدانست که کشفی انجام داده است، و آزمایشهای بعدی او برای مقایسهی مشاهداتش با کارهای آمپر بود. در حقیقت او چیزی را نوشت که به خوبی آمادگیاش را داشت (در سال 1823). او شرح میدهد که چگونه در آن زمان (1821) که مقالهای علمی در این زمینه آماده میکرد، قبلاً سه ماه برای خواندن آخرین مقالههای منتشر شده دربارهی الکترومغناطیس وقت صرف کرده و بسیاری از آزمایشهای شرح داده شده در آنها را برای خودش تکرار کرده بود. او همچنین دستیار همفری دیوی در آزمایشهای الکترومغناطیس در 1820 بود، ضمن آن که در زمینهی انحنای قوس الکتریکی توسط یک آهنربای گردان کار میکرد. از این رو در سوم سپتامبر 1821 برای پیگیری کار، به خوبی آمادگی داشت و از کارهای تجربی و روشهای دیگر فلاسفه و استادان به خوبی آگاه بود.
در این مقاله با آزمایشهای اولیهی خود فاراده آشنا میشویم. جیمز کلارک ماکسول در مقدمهی «رسالهای در باب الکترومغناطیس» در 1873 نوشت: «فکر میکنم لذتی که از خواندن تحقیقات فاراده به من دست میدهد به همان اندازه دیگران را نیز مسرور مینماید.» ممکن است بعضی از معلمان و دانشآموزان کوشش کنند که این آزمایشها را با روشهای نوین، یا با حفظ امانت، به همان روشهای ابتدایی خود فاراده، تکرار کنند. در هر دو حالت، سودی در افزایش دانش خویش و کسب مهارت بیشتر خواهند یافت، ضمن آن که از انجام این آزمایشها، بسیار لذت خواهند برد.
در سوم سپتامبر 1821، فاراده با تکرار یکی از آزمایشهای 1820 اورستد که حرکت یک سیم رسانای قائم را در راستای عقربهی مغناطیسی افقی بررسی میکرد، آغاز نمود. در پیش نویس اولیهی یادداشتهای روزانهاش در آن روز، سوزن یا عقربهی مغناطیسی، معلق به نظر میرسد، به طوری که نیروها را در مرکز آن ثبت کرده است. در آزمایشی دقیقتر، او دریافت که هرچه سیم به قطب عقربه نزدیکتر شود نیروهای جاذبه یا دافعه افزایش مییابند، و به محض این که سیم از قطب عقربه گذشته و به انتهای آن نزدیک شود قضیه برعکس میشود.در طرح دوم پبشنویس، نقطهای ظاهر شده است که میتواند دلالت بر این داشته باشد که عقربه اینک محوری شده است. این آزمایش را یقیناً با یک عقربهی محوردار در عرض چند ثانیه میتوان به سادگی تکرار کرد، در حالی که با یک عقربهی معلق بسیار مشکل است. سرانجام او چرخشی را به دست آورد، یعنی سیم به طور پیوسته حول مغناطیس شروع به چرخش کرد.
روز بعد ابزار جدیدی با حساسیت بیشتری ساخت. این ابزار امروزه معمولاً برای نمایش کشف فاراده به کار میرود: «تشت گود پر از جیوه که در ته آن قطعهای موم قرار گرفته است با آهنربایی که به طور قائم در موم فرو رفته است تا حدی که قطب آهنربا از جیوه بیرون باشد. سیمی رسانا به وسیلهی چوب پنبهای چنان شناور شده است که انتهای پایینی آن در جیوه غوطهور است و سرِ بالایی آن به کلاهکی نقرهای اتصال دارد.» او همچنین موفق به ساختن عقربهی شناور قائمی شد که به دور رسانا میچرخید، ولی نتوانست آهنربایی بسازد که به دور محور خودش بچرخد. به این ترتیب، با یک رشته آزمایشهای مقدماتی ساده ولی قابل ملاحظه، فاراده از تجربهی اورستد آغاز کرد و سرانجام به کشف چرخش رساناها و آهنرباها به دور یکدیگر نائل شد.
آزمایشهای مشابهی که توسط دانشمندان فرانسوی انجام شده بودند، نیروهای جاذبهی خطی میان رساناها، یا میان رساناها و آهنرباها را نشان داده بودند. ابزار آنها زمخت، با محورهای ثابت، بود. آمپر همچنین با یک سیمپیچ حامل جریان، تجربهای انجام داد و معتقد شد که سیمپیچ دقیقاً نظیر یک آهنربا عمل میکند. فاراده با این تجربه آشنا بود، طوری که توانست اثر دَوَران را که هیچ کس قبل از او گزارش نکرده بود تولید کند. این اثر که آزادی حرکت را نشان میداد با روش ابداعی او به وسیلهی ابزاری به وجود میآمد که طراحی کرده بود. او بعدها به این نکته اشاره کرد که اشکال همهی آزمایشهای دَوَرانی برای حرکت، ساختن ابزاری به قدر کافی ظریف بود که تا آن زمان جرم مادهی کافی برای تماس آن به دست نیامده بود. بعدها نیز با تکرار آزمایشهای خود با این مشکل روبهرو شد.
فاراده چند روز بعد را به طور کامل به کاوش و پژوهش در آثار حرکتهای دَوَرانی گذراند. او بسیاری از آزمایشهای آمپر را برای تعبیر مشاهدات نیروهای خطی توسط آمپر به آنچه در زمینهی نیروهای دَوَرانی مشاهده کرده بود تکرار کرد. این آزمایشها مجموعهی جالبی از پدیدهها را فراهم آورد که میتوانست در فهم پایهی آثار الکترومغناطیسی به یک دانشآموز کمک کند. فاراده دریافت که نوع اثر، دَوَرانی یا خطی، به ترکیب سیم رسانا و قطب آهنربا مربوط میشود: ترکیب «تک رسانا – تک قطب»، آثار دَوَرانی تولید میکند، در حالی که ترکیب «جفت رسانا – تک قطب» یا ترکیب «تک رسانا – جفت قطب» آثار خطی تولید میکند. او این آثار را در چهارم سپتامبر (1821) با وصل دو سیم رسانا از یک باتری ولتا به تشت پر از آبی که ته آن برای تماس بهتر کمی جیوه ریخته بود، نشان داد. یک عقربه (سوزن) مغناطیسی که در چوب پنبهای فرو برده شده و به طور قائم شناور بود، در خط مستقیمی میان دو رسانا به حرکت میافتاد. هنگامی که سوزن به طور افقی شناور میشد، به سوی سیمِ نزدیکتر حرکت میکرد که این حرکت نه توسط قطب دیگر بلکه به وسیلهی نقطهی مرکزی آن بود. درآوردن سیم و قرار دادن آن در طرف دیگر سوزن سبب میشود که سوزن از سیم دور شود. او نتیجه گرفت که نیروهای خطی ظاهر شده را میتوان به وسیلهی نیروهای دَوَرانی اطراف سیمها توصیف کرد.
در پنجم سپتامبر، با ابزاری که توسط دولاریو طراحی شده بود آزمایش کرد. این ابزار به این گونه بود: «یک باتری ولتای کوچک با چوب پنبهای شناور در آن و قطبهای روی و مس، به گونهای که سرهای دو قطب از چوب پنبه بیرون زده است. سیمی با روکش ابریشمی که چهار یا پنج بار حول استوانهای پیچیده شده است به طوری که سیمپیچی با قطر تقریباً یک اینچ تشکیل داده است و این سیمپیچ به دو سرِ قطبهای روی و مس وصل شده است. هنگامی که این سیمپیچ در آب رسانایی گذارده شود، کاملاً تحت تأثیر آهنربا قرار میگیرد و به طرز مناسبی به جای آزمایشهای انجام شده با سیمهای مستقیم، در سیمپیچهای مشابه عمل میکند.»
این آزمایشها نشان داد که سیمپیچ شناور از آهنربا دور شده و دور میزند و سپس به سوی مرکز آن حرکت میکند. در اینجا نیز آزادی حرکت مجدداً مبنای آزمایش شده بود. حرکت به وسیلهی مقطع افقی ابزار توضیح داده شده بود. حرکت سیمپیچ نتیجهی اثر عبور قطب (آهنربا) از میان دو سیمی بود که جریانهایی در دو جهت مخالف از آنها میگذشت. در ششم سپتامبر، او با همان ابزار نشان داد که: «یک سیم دایره شکل که بخشی از اتصال دو قطب یک باتری باشد و در صفحهی عمود بر نصفالنهار مغناطیسی قرار گیرد، همجهت با مغناطیس زمین خواهد بود.» این ابزار با قرار گرفتن در یک ظرف کوچک آزمایشگاهی (فلاسک) که برای جلوگیری از تأثیر گازهای آزاد شده از قطبهای باتری تعبیه شده بود، مختصری اصلاح شد. در روزهای بعد، فاراده ویژگیهای سیمپیچهای مختلف حامل جریان را با آهنرباها و از جمله با آهنرباهای استوانهای توخالی مقایسه کرد. او با نظر آمپر مبنی بر مشابهت آنها موافق نبود.
فاراده وضعیت قطبهای یک آهنربای میلهای را با قرار دادن آن بالای یک (عقربهی آهنربا یا) سوزن قائم که در یک چوب پنبهی شناور در آب فرو برده شده بود آزمایش کرد. سوزن به سوی نقطهای در امتداد محور آهنربای میلهای حرکت میکرد و مختصری از انتهای آهنربا دور میشد. قرار دادن یک قطعه آهن در انتهای آهنربا سبب میشد که سوزن شناور به سوی انتهای قطعهی آهن حرکت کند. نتایج مشابهی با آهنربای نعلی شکل به دست آمد، اما هنگامی که قطعهی آهن همچون پلی روی دو سر آهنربای نعلی شکل قرار میگرفت، عقربهی مغناطیسی شناور در راستای بازوی آهنربای نعلی شکل به سوی دیگری حرکت میکرد. او همجنین این نکته را یادداشت کرد که قطبهای مشابه آهنرباها با بیشترین فاصله همدیگر را دفع، و با کمترین فاصله همدیگر را جذب میکنند و به هم میچسبند. این مشاهده ممکن است شگفتآور به نظر آید، اما با یک آهنربای آهنی ضعیف آزمایش میشود. مجموعهای از آزمایشها تحت عنوان «در بارهی بعضی حرکتهای الکترومغناطیسی» در دسامبر 1821 منتشر شد. وقتی آمپر این رساله را خواند تمام آزمایشها را مجدداً تکرار کرد و یادداشتهای خود را نیز تکمیل نمود، به طوری که قادر شد آهنربای حامل جریانی بسازد که حول محور خود بچرخد.
در ماه دسامبر 1821، فاراده آزمایشها را ادامه داد. ابتدا سیمی افقی (شبیه به میل لنگ) که روی محور یک میلهی شیشهای تراز شده و به دو قطب یک باتری وصل بود برای حرکت به بالا و پایین توسط مغناطیس زمین، ساخته شد. سپس سیمی افقی که به وسیلهی نخی ابریشمی از سقف آویزان شده بود و دو سر آن در دو تشت کوچک پر از جیوه فرو رفته بود را مورد آزمایش قرار داد که چگونه هنگام عبور جریان به طور افقی حرکت میکرد. جهت حرکت همیشه عمود بر خود سیم بود. او نتیجه گرفت که این حرکت شبیه عزم سیم به دَوَران حول قطب زمین است. فاراده این آزمایش را با سیمی که به وسیلهی یک چوب پنبهی شناور مهار شده بود تکرار کرد و مشاهده نمود که حرکت (سیم) به علت کشش سطحی جیوه روی چوب پنبهی شناور، کند میشود.
آمپر قبلاً دریافته بود که یک حلقه سیم هنگام عبور جریان در مغناطیس زمین، حول محورش دَوَران خواهد کرد. فاراده این آزمایش را تکرار نمود با این تفاوت که او برای کاهش اثر چرخش یک تک سیم حول یک تک قطب، یک سیم افقی را به جای یک حلقه به کار برد. نهایتاً در 25 دسامبر، او آزمایشِ دَوَرانیِ 5 سپتامبر خود را تکرار نمود اما این بار سیم با زاویهی شیبی بزرگتر از زاویهی عمق بود و به جای آهنربا از مغناطیس زمین استفاده کرد.
برای انجام این آزمایشها، این تصمیم مهم است که آیا مواد و ابزار قدیمی و سنتی را به کار بریم یا ابزار نوین مشابه را. معقولانهتر آن است که ابتدا یک اثر را با ابزار نوین آزمایش کنیم و سپس ببینیم که آیا با ابزار سنتی قدیمی نیز این اثر جواب خواهد داد یا نه. ابزار سنتی در کتابها و مقالههای آن زمان شرح داده شدهاند. کتاب خود فاراده به نام دستکاریهای شیمیایی (منتشر شده در 1827) مرجع بسیار خوبی در این زمینه است. طرح یک باتری ولتایی فشرده را میتوان در یادداشتهای روزانهاش به تاریخ 17 ژانویهی 1834 یافت، هرچند که سطح قطبهایی به کوچکی شش اینچ مربع (سی و نه سانتیمتر مربع) قبلاً توسط ویلیام استورجن در ابزاری که برای نمایشگاه عمومی نیمهی سال 1820 طراحی کرده بود، به کار برده شده بود.
پیشنهاد میشود که ابتدا یک منبع تغذیهی ولتاژ مستقیم به کار برده شود. یک شارژ باتری ماشین نیز خوب کار خواهد کرد. یک آمپرسنج باید در مدار تعبیه شود که نشان دهد مدار نصب شده است، حتی اگر اثر مورد نظر برقرار نشده باشد. یک باتری ماشین میتواند مورد استفاده قرار گیرد، اما در این حالت مقاومت مدار ابزار به کار رفته باید مورد توجه قرار گیرد، زیرا جریانهای داخلیِ اتصال کوتاهِ زیادی در آزمایش وجود خواهد داشت. در بسیاری از آزمایشها از جیوه استفاده میشد، ولی امروزه برطبق مقررات ایمنی ضروری است از محلول نمک رقیق یا اسید ضعیف استفاده شود. این دو محلول، رسانایی کمتری نسبت به جیوه دارند، و گازهای حاصل، سبب کاهش زمان عملکرد آزمایش خواهند شد، هرچند که برعکس کردن قطبها، زمان را کمی افزایش خواهد داد. مواد دیگر به طور آزاد در دسترس نیستند. به عنوان مثال، سیم معمولاً از آهن بود یا سیم کشش زنگ یا سیم با روکش ابریشم.
احتمالاً سریعترین و تمیزترین روش نمایش بعضی از این آثار، توسط کولین سیدنز (1962) پیشنهاد شده است. او بسیاری از آزمایشهای 1821 را تکرار کرد، و دریافت که جریان لازم برای حرکت مکانیکی یک سیم سبب التهاب و قرمز شدن و شکم انداختن سیم میشود. هرچند که با ایجاد تعادل میان توان، حساسیت، و آزادی مکانیکی، موفق به کاربرد نوارهای باریکی از فویل آلومینیم شد. یک نوار باریک از فویل آلومینیم که در کنار یک آهنربای میلهای قائم آویزان باشد، به محض اتصال به یک منبع تغذیه، بلافاصله خود را به دور آهنربا خواهد پیچاند. به همین ترتیب، قطعهای از فویل آویزان بین دو پایه، در میدان (مغناطیسی) زمین منحرف خواهد شد، در حالی که یک حلقهی آویزان، که شل و رها باشد، به آرامی باز خواهد شد و سپس در مدار نصفالنهار خواهد پیچید. الیور لاج از نخ طلای مورد مصرف در یونیفورمهای نظامی به عنوان یک رسانای قابل انعطاف استفاده کرد که در کتابش به نام «نگرشی نوین دربارهی الکتریسیته»، چاپ 1889، منعکس است.
مشکل بتوان ساختن سیم حامل جریان را که در مغناطیس زمین دَوَران میکند ثابت نمود، چون معمولاً دَوَران جزئی را میتوان به انجام رساند. تلاش برای ساختن یک آهنربای حامل جریان که حول محورش دَوَران کند تلاش با ارزشی است. آمپر این آزمایش را با به کار بردن یک تنگ شیشهای باریک محتوی جیوه که آهنربایی تا نیمه در آن شناور و جریانی بین یک سر آهنربا و جیوه برقرار است، انجام داد. هرچند که این اثر را میتوان با قرار دادن سیمی در انتهای یک آهنربای کوچک به طور قائم شناور در محلول نمک ضعیف آزماش کرد که در آن، سرِ آزاد سیم دَوَران خواهد نمود. آزمایش دَوَرانی دیگری را که میتوان انجام داد در یادداشتهای 22 ژانویهی 1822 فاراده شرح داده شده است. او چنین استدلال کرده بود که نیروهای دَوَرانی به جریان الکتریکی و قطب آهنربایی مربوط میشوند و سیم و آهن فقط موقعیت این نیروها را عینیت میبخشند. بنابراین در آزمایش چهارم سپتامبر خود، سیم میبایست به دور آهنربا حرکت میکرد گرچه آهنربا با آن میچرخید. این اثر را با پیچاندن سیم به آهنربا نیز انجام داد. دوباره هنگام تکرار این آزمایش، وقفهی مشابهی مفید است.
آنچه در اینجا ارائه شد فقط جزئیاتی از آزمایشهای 1821 فاراده بود. آزمایشهای 1831 او دربارهی القا را نیز میتوان به آسانی با استفاده از یک گالوانومتر آینهای نوین تکرار کرد. البته آزمایش این اثر با استفاده از گالوانومتر فاراده، که آن را میتوان در عرض پنج دقیقه ساخت، بسیار جالبتر خواهد بود. سوزنی را ابتدا آهنربا کرده و دو نیمه کنید و در دو جهت مخالف در قطعهی گیاه کوچک خشکی فرو ببرید تا به این ترتیب، یک دوقطبی ناپایدار ساخته شود. سپس این وسیله را به وسیلهی نخ ابریشم بافته نشدهای برای محافظت از جریان هوا در تنگی شیشهای آویزان کنید و سیمپیچی را که پانزده دور با سیمی مسی پیچیده شده است در کنار سوزن پایینی قرار دهید. چنین گالوانومتری نسبت به چند صدم میکروآمپر حساس است و در آزمایش مورد نظر میتواند حساسیت خوبی نشان دهد. این ابزار را میتوان به عنوان یک آمپرسنج نیز در آزمایشهای دَوَران به کار برد.
در پایان امیدواریم که این مقاله سبب تشویق دیگران به مطالعهی آثار فاراده شود. آنها درخواهند یافت که این پژوهش آنها را به سرعت در موقعیتی قرار خواهد داد که هرآنچه دربارهی فاراده نوشته شده است را با دیدی انتقادی بررسی کنند. تکرار آزمایشها میتواند به درک و فهم دانش آموزان از کتابهای درسی بیافزاید، و چنین کارهای عملی برای پژوهشهای دانشجویان رشتههای علوم میتواند بسیار سازنده باشد. این مطالعه همچنین درک و ستایش ما را از عمق مهارتهای به کار رفته در آزمایشهای اولیهی نظریهی الکترومغناطیس افزونتر خواهد ساخت، و گرچه واقعیات تازهای در اختیار ما نخواهد نهاد ولی ماهیت انسان و کارهایش را روشن میسازد.
فاراده با دیوی مسافرتهای زیادی به فرانسه، سویس، آلمان، و اتریش کرد و با دانشمندان زیادی آشنا شد. او نخستین بار توجه خود را بر مسألهی الکترومغناطیس متمرکز ساخت و نتایج تحقیقات تجربی او در این زمینه بعدها منجر به پیدایش موتورهای الکتریکی، مولدهای برق، قطارهای برقی، سیستم برقرسانی عمومی، و صدها اختراع و اکتشاف علمی و صنعتی دیگر شد.
فاراده تجربیات متنوعی در علوم شیمی و فیزیک به دست آورد. او توانست برای نخستین بار پارهای از گازها نظیر کلر، کلرید هیدروژن، سولفید هیدروژن، سیانوژن (C2N2)، اتیلن، و هیدروژن فسفره را به مایع تبدیل کند، بنزن را در روغن قطران کشف کند، فرضیهی الکترولیز را به اثبات برساند، و واژههایی نظیر یون، الکترود، آند، و کاتد را معمول و متداول سازد، و قوانین کیفی و کمی الکترولیز را وضع کند، و نخستین کسی باشد که در آزمایشگاه دمایی پایینتر از دمای صفر فارنهایت ایجاد کند.
نام فاراده با ابداعات مهمی نظیر خطوط میدان الکتریکی، با قوانین مهمی نظیر الکترومغناطیس و الکترولیز و ... با واحد فیزیکی فاراده، با ثابت فیزیکی (عدد فاراده)، با یک اثر فیزیکی مهم (فضای تاریک فاراده)، و اینک با انجمنهای بیشمار علمی، مجلات علمی، و جوایز بیشمار همراه است. ولی این انسان وارسته، این دانشمند و استاد برجسته که با همهی مشغلههای علمیاش به صدها نامه پاسخ میداد و هیچ نامهای را بیجواب نمیگذاشت، با همهی شهرت و مقام علمیاش، انسانی بسیار فروتن و متواضع بود. هنگامی که لقب بارون، که از القاب بسیار مهم اشرافی آن زمانِ انگلستان بود، به وی داده شد آن را نپذیرفت و اظهار داشت: «چون این لقب چیزی به من نمیآموزد، از این رو داشتنِ آن فایدهای برای من ندارد.»
فاراده به آموزش علم و به نقش آن در خدمت به جامعه بسیار اهمیت میداد. او هرساله سخنرانیهایی به نام سخنرانیهای کریسمس برای کودکان ترتیب میداد. پس از هر سخنرانی، ضمن صحبت محبتآمیز با کودکانی که دور او را گرفته بودند، به آنها اجازه میداد به انجام آزمایشهایی بپردازند. در یک کلام میتوان گفت که فاراده دانشمندِ انسانی بود که ارتباط عمیق و ارگانیک میان دست، مغز، و قلب را همچون نمونهای کامل، عملاً متجلی ساخته بود. در طی جنگهای کریمه، وقتی دولت بریتانیا از وی خواست مقداری گاز سمی برای استفاده در میدانهای جنگ تهیه کند، قاطعانه پاسخ داد: «گرچه انجام چنین کاری برای من بسیار آسان است ولی من هرگز وسیلهی کشتنِ نوع بشر را فراهم نخواهم کرد.» این مردِ بزرگ تاریخ علم در 1867 در هامتن کورک – حومهی لندن – بدرود حیات گفت.
آزمایشهای فاراده در سپتامبر سال 1821 نقطهی آغازی برای تحقیقات او در زمینهی الکترومغناطیس بودند. روشهای تجربی و جهت تفکر و اندیشهی وی نشانهی شناخت عمیق و روشن او از رشد و گسترش علم بود. واقعیت این است که او از روز اول میدانست که کشفی انجام داده است، و آزمایشهای بعدی او برای مقایسهی مشاهداتش با کارهای آمپر بود. در حقیقت او چیزی را نوشت که به خوبی آمادگیاش را داشت (در سال 1823). او شرح میدهد که چگونه در آن زمان (1821) که مقالهای علمی در این زمینه آماده میکرد، قبلاً سه ماه برای خواندن آخرین مقالههای منتشر شده دربارهی الکترومغناطیس وقت صرف کرده و بسیاری از آزمایشهای شرح داده شده در آنها را برای خودش تکرار کرده بود. او همچنین دستیار همفری دیوی در آزمایشهای الکترومغناطیس در 1820 بود، ضمن آن که در زمینهی انحنای قوس الکتریکی توسط یک آهنربای گردان کار میکرد. از این رو در سوم سپتامبر 1821 برای پیگیری کار، به خوبی آمادگی داشت و از کارهای تجربی و روشهای دیگر فلاسفه و استادان به خوبی آگاه بود.
در سوم سپتامبر 1821، فاراده با تکرار یکی از آزمایشهای 1820 اورستد که حرکت یک سیم رسانای قائم را در راستای عقربهی مغناطیسی افقی بررسی میکرد، آغاز نمود. در پیش نویس اولیهی یادداشتهای روزانهاش در آن روز، سوزن یا عقربهی مغناطیسی، معلق به نظر میرسد، به طوری که نیروها را در مرکز آن ثبت کرده است. در آزمایشی دقیقتر، او دریافت که هرچه سیم به قطب عقربه نزدیکتر شود نیروهای جاذبه یا دافعه افزایش مییابند، و به محض این که سیم از قطب عقربه گذشته و به انتهای آن نزدیک شود قضیه برعکس میشود.در طرح دوم پبشنویس، نقطهای ظاهر شده است که میتواند دلالت بر این داشته باشد که عقربه اینک محوری شده است. این آزمایش را یقیناً با یک عقربهی محوردار در عرض چند ثانیه میتوان به سادگی تکرار کرد، در حالی که با یک عقربهی معلق بسیار مشکل است. سرانجام او چرخشی را به دست آورد، یعنی سیم به طور پیوسته حول مغناطیس شروع به چرخش کرد.
روز بعد ابزار جدیدی با حساسیت بیشتری ساخت. این ابزار امروزه معمولاً برای نمایش کشف فاراده به کار میرود: «تشت گود پر از جیوه که در ته آن قطعهای موم قرار گرفته است با آهنربایی که به طور قائم در موم فرو رفته است تا حدی که قطب آهنربا از جیوه بیرون باشد. سیمی رسانا به وسیلهی چوب پنبهای چنان شناور شده است که انتهای پایینی آن در جیوه غوطهور است و سرِ بالایی آن به کلاهکی نقرهای اتصال دارد.» او همچنین موفق به ساختن عقربهی شناور قائمی شد که به دور رسانا میچرخید، ولی نتوانست آهنربایی بسازد که به دور محور خودش بچرخد. به این ترتیب، با یک رشته آزمایشهای مقدماتی ساده ولی قابل ملاحظه، فاراده از تجربهی اورستد آغاز کرد و سرانجام به کشف چرخش رساناها و آهنرباها به دور یکدیگر نائل شد.
آزمایشهای مشابهی که توسط دانشمندان فرانسوی انجام شده بودند، نیروهای جاذبهی خطی میان رساناها، یا میان رساناها و آهنرباها را نشان داده بودند. ابزار آنها زمخت، با محورهای ثابت، بود. آمپر همچنین با یک سیمپیچ حامل جریان، تجربهای انجام داد و معتقد شد که سیمپیچ دقیقاً نظیر یک آهنربا عمل میکند. فاراده با این تجربه آشنا بود، طوری که توانست اثر دَوَران را که هیچ کس قبل از او گزارش نکرده بود تولید کند. این اثر که آزادی حرکت را نشان میداد با روش ابداعی او به وسیلهی ابزاری به وجود میآمد که طراحی کرده بود. او بعدها به این نکته اشاره کرد که اشکال همهی آزمایشهای دَوَرانی برای حرکت، ساختن ابزاری به قدر کافی ظریف بود که تا آن زمان جرم مادهی کافی برای تماس آن به دست نیامده بود. بعدها نیز با تکرار آزمایشهای خود با این مشکل روبهرو شد.
فاراده چند روز بعد را به طور کامل به کاوش و پژوهش در آثار حرکتهای دَوَرانی گذراند. او بسیاری از آزمایشهای آمپر را برای تعبیر مشاهدات نیروهای خطی توسط آمپر به آنچه در زمینهی نیروهای دَوَرانی مشاهده کرده بود تکرار کرد. این آزمایشها مجموعهی جالبی از پدیدهها را فراهم آورد که میتوانست در فهم پایهی آثار الکترومغناطیسی به یک دانشآموز کمک کند. فاراده دریافت که نوع اثر، دَوَرانی یا خطی، به ترکیب سیم رسانا و قطب آهنربا مربوط میشود: ترکیب «تک رسانا – تک قطب»، آثار دَوَرانی تولید میکند، در حالی که ترکیب «جفت رسانا – تک قطب» یا ترکیب «تک رسانا – جفت قطب» آثار خطی تولید میکند. او این آثار را در چهارم سپتامبر (1821) با وصل دو سیم رسانا از یک باتری ولتا به تشت پر از آبی که ته آن برای تماس بهتر کمی جیوه ریخته بود، نشان داد. یک عقربه (سوزن) مغناطیسی که در چوب پنبهای فرو برده شده و به طور قائم شناور بود، در خط مستقیمی میان دو رسانا به حرکت میافتاد. هنگامی که سوزن به طور افقی شناور میشد، به سوی سیمِ نزدیکتر حرکت میکرد که این حرکت نه توسط قطب دیگر بلکه به وسیلهی نقطهی مرکزی آن بود. درآوردن سیم و قرار دادن آن در طرف دیگر سوزن سبب میشود که سوزن از سیم دور شود. او نتیجه گرفت که نیروهای خطی ظاهر شده را میتوان به وسیلهی نیروهای دَوَرانی اطراف سیمها توصیف کرد.
در پنجم سپتامبر، با ابزاری که توسط دولاریو طراحی شده بود آزمایش کرد. این ابزار به این گونه بود: «یک باتری ولتای کوچک با چوب پنبهای شناور در آن و قطبهای روی و مس، به گونهای که سرهای دو قطب از چوب پنبه بیرون زده است. سیمی با روکش ابریشمی که چهار یا پنج بار حول استوانهای پیچیده شده است به طوری که سیمپیچی با قطر تقریباً یک اینچ تشکیل داده است و این سیمپیچ به دو سرِ قطبهای روی و مس وصل شده است. هنگامی که این سیمپیچ در آب رسانایی گذارده شود، کاملاً تحت تأثیر آهنربا قرار میگیرد و به طرز مناسبی به جای آزمایشهای انجام شده با سیمهای مستقیم، در سیمپیچهای مشابه عمل میکند.»
این آزمایشها نشان داد که سیمپیچ شناور از آهنربا دور شده و دور میزند و سپس به سوی مرکز آن حرکت میکند. در اینجا نیز آزادی حرکت مجدداً مبنای آزمایش شده بود. حرکت به وسیلهی مقطع افقی ابزار توضیح داده شده بود. حرکت سیمپیچ نتیجهی اثر عبور قطب (آهنربا) از میان دو سیمی بود که جریانهایی در دو جهت مخالف از آنها میگذشت. در ششم سپتامبر، او با همان ابزار نشان داد که: «یک سیم دایره شکل که بخشی از اتصال دو قطب یک باتری باشد و در صفحهی عمود بر نصفالنهار مغناطیسی قرار گیرد، همجهت با مغناطیس زمین خواهد بود.» این ابزار با قرار گرفتن در یک ظرف کوچک آزمایشگاهی (فلاسک) که برای جلوگیری از تأثیر گازهای آزاد شده از قطبهای باتری تعبیه شده بود، مختصری اصلاح شد. در روزهای بعد، فاراده ویژگیهای سیمپیچهای مختلف حامل جریان را با آهنرباها و از جمله با آهنرباهای استوانهای توخالی مقایسه کرد. او با نظر آمپر مبنی بر مشابهت آنها موافق نبود.
در ماه دسامبر 1821، فاراده آزمایشها را ادامه داد. ابتدا سیمی افقی (شبیه به میل لنگ) که روی محور یک میلهی شیشهای تراز شده و به دو قطب یک باتری وصل بود برای حرکت به بالا و پایین توسط مغناطیس زمین، ساخته شد. سپس سیمی افقی که به وسیلهی نخی ابریشمی از سقف آویزان شده بود و دو سر آن در دو تشت کوچک پر از جیوه فرو رفته بود را مورد آزمایش قرار داد که چگونه هنگام عبور جریان به طور افقی حرکت میکرد. جهت حرکت همیشه عمود بر خود سیم بود. او نتیجه گرفت که این حرکت شبیه عزم سیم به دَوَران حول قطب زمین است. فاراده این آزمایش را با سیمی که به وسیلهی یک چوب پنبهی شناور مهار شده بود تکرار کرد و مشاهده نمود که حرکت (سیم) به علت کشش سطحی جیوه روی چوب پنبهی شناور، کند میشود.
آمپر قبلاً دریافته بود که یک حلقه سیم هنگام عبور جریان در مغناطیس زمین، حول محورش دَوَران خواهد کرد. فاراده این آزمایش را تکرار نمود با این تفاوت که او برای کاهش اثر چرخش یک تک سیم حول یک تک قطب، یک سیم افقی را به جای یک حلقه به کار برد. نهایتاً در 25 دسامبر، او آزمایشِ دَوَرانیِ 5 سپتامبر خود را تکرار نمود اما این بار سیم با زاویهی شیبی بزرگتر از زاویهی عمق بود و به جای آهنربا از مغناطیس زمین استفاده کرد.
تکرار امروزی آزمایشهای فاراده
آزمایشهای فاراده آثار اساس الکترومغناطیس را نشان میدهند و تکرار آنها برای دانش آموزان میتواند مفید باشد. ابزار مورد نیاز میتواند ساده و نتایج حاصل بسیار خوب باشد. هیچ نیازی به مجموعهی کامل ابزار و لوازم یا به روشهای ویژهای برای گردآوری آنها نیست. پنجاه درصد از شیرینیِ کار، مربوط به گردآوری این ابزارهاست. بنابراین هر دانش آموزی میتواند در همان وضعیتی باشد که یک دانشمند با خواندن یادداشتهای فاراده و تلاش برای اثبات صحت و سقم یافتههای او دارد. بعضی آزمایشها بدون ایجاد هماهنگی و تعادل میان توان، حساسیت، و آزادی مکانیکیِ کارکرد ابزار، نتیجه نخواهد داد. در کلاس، گروههای منفرد برای انجام یک آزمایش ویژه میتوانند به سلیقهی خود ابزاری را انتخاب و گردآوری کنند، یا چند گروه در مشارکت و تبادل نظر با هم میتوانند آزمایشهای مختلفی را انجام دهند.پیشنهاد میشود که ابتدا یک منبع تغذیهی ولتاژ مستقیم به کار برده شود. یک شارژ باتری ماشین نیز خوب کار خواهد کرد. یک آمپرسنج باید در مدار تعبیه شود که نشان دهد مدار نصب شده است، حتی اگر اثر مورد نظر برقرار نشده باشد. یک باتری ماشین میتواند مورد استفاده قرار گیرد، اما در این حالت مقاومت مدار ابزار به کار رفته باید مورد توجه قرار گیرد، زیرا جریانهای داخلیِ اتصال کوتاهِ زیادی در آزمایش وجود خواهد داشت. در بسیاری از آزمایشها از جیوه استفاده میشد، ولی امروزه برطبق مقررات ایمنی ضروری است از محلول نمک رقیق یا اسید ضعیف استفاده شود. این دو محلول، رسانایی کمتری نسبت به جیوه دارند، و گازهای حاصل، سبب کاهش زمان عملکرد آزمایش خواهند شد، هرچند که برعکس کردن قطبها، زمان را کمی افزایش خواهد داد. مواد دیگر به طور آزاد در دسترس نیستند. به عنوان مثال، سیم معمولاً از آهن بود یا سیم کشش زنگ یا سیم با روکش ابریشم.
احتمالاً سریعترین و تمیزترین روش نمایش بعضی از این آثار، توسط کولین سیدنز (1962) پیشنهاد شده است. او بسیاری از آزمایشهای 1821 را تکرار کرد، و دریافت که جریان لازم برای حرکت مکانیکی یک سیم سبب التهاب و قرمز شدن و شکم انداختن سیم میشود. هرچند که با ایجاد تعادل میان توان، حساسیت، و آزادی مکانیکی، موفق به کاربرد نوارهای باریکی از فویل آلومینیم شد. یک نوار باریک از فویل آلومینیم که در کنار یک آهنربای میلهای قائم آویزان باشد، به محض اتصال به یک منبع تغذیه، بلافاصله خود را به دور آهنربا خواهد پیچاند. به همین ترتیب، قطعهای از فویل آویزان بین دو پایه، در میدان (مغناطیسی) زمین منحرف خواهد شد، در حالی که یک حلقهی آویزان، که شل و رها باشد، به آرامی باز خواهد شد و سپس در مدار نصفالنهار خواهد پیچید. الیور لاج از نخ طلای مورد مصرف در یونیفورمهای نظامی به عنوان یک رسانای قابل انعطاف استفاده کرد که در کتابش به نام «نگرشی نوین دربارهی الکتریسیته»، چاپ 1889، منعکس است.
مشکل بتوان ساختن سیم حامل جریان را که در مغناطیس زمین دَوَران میکند ثابت نمود، چون معمولاً دَوَران جزئی را میتوان به انجام رساند. تلاش برای ساختن یک آهنربای حامل جریان که حول محورش دَوَران کند تلاش با ارزشی است. آمپر این آزمایش را با به کار بردن یک تنگ شیشهای باریک محتوی جیوه که آهنربایی تا نیمه در آن شناور و جریانی بین یک سر آهنربا و جیوه برقرار است، انجام داد. هرچند که این اثر را میتوان با قرار دادن سیمی در انتهای یک آهنربای کوچک به طور قائم شناور در محلول نمک ضعیف آزماش کرد که در آن، سرِ آزاد سیم دَوَران خواهد نمود. آزمایش دَوَرانی دیگری را که میتوان انجام داد در یادداشتهای 22 ژانویهی 1822 فاراده شرح داده شده است. او چنین استدلال کرده بود که نیروهای دَوَرانی به جریان الکتریکی و قطب آهنربایی مربوط میشوند و سیم و آهن فقط موقعیت این نیروها را عینیت میبخشند. بنابراین در آزمایش چهارم سپتامبر خود، سیم میبایست به دور آهنربا حرکت میکرد گرچه آهنربا با آن میچرخید. این اثر را با پیچاندن سیم به آهنربا نیز انجام داد. دوباره هنگام تکرار این آزمایش، وقفهی مشابهی مفید است.
آنچه در اینجا ارائه شد فقط جزئیاتی از آزمایشهای 1821 فاراده بود. آزمایشهای 1831 او دربارهی القا را نیز میتوان به آسانی با استفاده از یک گالوانومتر آینهای نوین تکرار کرد. البته آزمایش این اثر با استفاده از گالوانومتر فاراده، که آن را میتوان در عرض پنج دقیقه ساخت، بسیار جالبتر خواهد بود. سوزنی را ابتدا آهنربا کرده و دو نیمه کنید و در دو جهت مخالف در قطعهی گیاه کوچک خشکی فرو ببرید تا به این ترتیب، یک دوقطبی ناپایدار ساخته شود. سپس این وسیله را به وسیلهی نخ ابریشم بافته نشدهای برای محافظت از جریان هوا در تنگی شیشهای آویزان کنید و سیمپیچی را که پانزده دور با سیمی مسی پیچیده شده است در کنار سوزن پایینی قرار دهید. چنین گالوانومتری نسبت به چند صدم میکروآمپر حساس است و در آزمایش مورد نظر میتواند حساسیت خوبی نشان دهد. این ابزار را میتوان به عنوان یک آمپرسنج نیز در آزمایشهای دَوَران به کار برد.
در پایان امیدواریم که این مقاله سبب تشویق دیگران به مطالعهی آثار فاراده شود. آنها درخواهند یافت که این پژوهش آنها را به سرعت در موقعیتی قرار خواهد داد که هرآنچه دربارهی فاراده نوشته شده است را با دیدی انتقادی بررسی کنند. تکرار آزمایشها میتواند به درک و فهم دانش آموزان از کتابهای درسی بیافزاید، و چنین کارهای عملی برای پژوهشهای دانشجویان رشتههای علوم میتواند بسیار سازنده باشد. این مطالعه همچنین درک و ستایش ما را از عمق مهارتهای به کار رفته در آزمایشهای اولیهی نظریهی الکترومغناطیس افزونتر خواهد ساخت، و گرچه واقعیات تازهای در اختیار ما نخواهد نهاد ولی ماهیت انسان و کارهایش را روشن میسازد.
/ج