Michael Faraday (1791-1867) ist wahrscheinlich am besten bekannt für seine Entdeckung der elektromagnetischen Induktion, seine Beiträge zur Elektrotechnik und Elektrochemie oder aufgrund der Tatsache, dass er für die Einführung des Feldbegriffs in der Physik zur Beschreibung elektromagnetischer Wechselwirkungen verantwortlich war. Aber vielleicht ist es nicht so bekannt, dass er auch grundlegende Beiträge zur elektromagnetischen Theorie des Lichts geleistet hat.,

1845, vor 170 Jahren, entdeckte Faraday, dass ein Magnetfeld polarisiertes Licht beeinflusste – ein Phänomen, das als magnetooptischer Effekt oder Faraday-Effekt bekannt ist. Um genau zu sein, stellte er fest, dass sich die Schwingungsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls, der auf ein Glasstück einfällt, drehte, wenn ein Magnetfeld in Ausbreitungsrichtung des Strahls angelegt wurde. Dies war einer der ersten Hinweise darauf, dass Elektromagnetismus und Licht verwandt waren., Im folgenden Jahr, im Mai 1846, veröffentlichte Faraday den Artikel Thoughts on Ray Vibrations, eine prophetische Veröffentlichung, in der er spekulierte, dass Licht eine Schwingung der elektrischen und magnetischen Kraftlinien sein könnte.

Faradays Fall ist in der Geschichte der Physik nicht üblich: Obwohl seine Ausbildung sehr grundlegend war, sind die Gesetze der Elektrizität und des Magnetismus viel mehr auf Faradays experimentelle Entdeckungen zurückzuführen als auf andere Wissenschaftler., Er entdeckte die elektromagnetische Induktion, die zur Erfindung des Dynamos führte, des Vorläufers des elektrischen Generators. Er erklärte die Elektrolyse in Bezug auf elektrische Kräfte und führte auch Konzepte wie Feld und Kraftlinien ein, die nicht nur für das Verständnis elektrischer und magnetischer Wechselwirkungen von grundlegender Bedeutung waren, sondern auch die Grundlage für weitere Fortschritte in der Physik bildeten.

Michael Faraday wurde in Südlondon als Sohn einer bescheidenen Familie geboren. Die einzige formale Grundausbildung, die er erhielt, war Lesen, Schreiben und Rechnen als Kind., Er verließ die Schule, als er dreizehn war und begann in einer Buchbinderei zu arbeiten. Seine Leidenschaft für die Wissenschaft wurde durch die Beschreibung der Elektrizität geweckt, die er in einer Kopie der von ihm gebundenen Encyclopædia Britannica las, wonach er in einem improvisierten Labor zu experimentieren begann. Faraday wurde 1813 als Humphry Davys Laborassistent an der Royal Institution in London eingestellt, wo er 1824 zum Mitglied gewählt wurde und wo er bis zu seinem Tod 1867 arbeitete, zuerst als Davys Assistent, dann als sein Mitarbeiter und schließlich nach Davys Tod als sein Nachfolger., Faraday machte einen solchen Eindruck auf Davy, dass Davy, als dieser nach seiner größten Entdeckung gefragt wurde, antwortete: „Meine größte Entdeckung war Michael Faraday“. 1833 wurde er erster ordentlicher Professor für Chemie an der Royal Institution. Faraday ist auch als großer Popularisator der Wissenschaft anerkannt. Im Jahr 1826 gründete Faraday die Freitagabend-Diskurse in der Royal Institution, die ein Kommunikationskanal zwischen Wissenschaftlern und Laien sind., Im folgenden Jahr startete er die Weihnachtsvorträge für junge Menschen-die jetzt jedes Jahr im nationalen Fernsehen ausgestrahlt werden -, eine Serie, deren Ziel es ist, die Wissenschaft der Öffentlichkeit zu präsentieren. Faraday selbst hielt viele dieser Vorträge. Beide fahren bis heute fort.

Faraday machte 1821 seine erste Entdeckung des Elektromagnetismus., Er wiederholte Oersteds Experiment, indem er einen kleinen Magneten um einen stromführenden Draht legte und überprüfte, ob die durch den Strom auf den Magneten ausgeübte Kraft kreisförmig war. Wie er Jahre später erklärte, war der Draht von einer unendlichen Reihe kreisförmiger konzentrischer Kraftlinien umgeben, die er als Magnetfeld des Stroms bezeichnete. Er nahm die Arbeit von Oersted und Ampère über die magnetischen Eigenschaften elektrischer Ströme als Ausgangspunkt und erreichte 1831 einen elektrischen Strom aus einem sich ändernden Magnetfeld, ein Phänomen, das als elektromagnetische Induktion bekannt ist., Er fand heraus, dass, wenn ein elektrischer Strom durch eine Spule geleitet wurde, ein weiterer sehr kurzer Strom in einer nahe gelegenen Spule erzeugt wurde. Diese Entdeckung war ein entscheidender Meilenstein für den Fortschritt nicht nur der Wissenschaft, sondern auch der Gesellschaft und wird heute zur Stromerzeugung in Kraftwerken in großem Maßstab genutzt. Dieses Phänomen zeigt etwas neues über elektrische und magnetische Felder., Im Gegensatz zu elektrostatischen Feldern, die durch elektrische Ladungen in Ruhe erzeugt werden, deren Zirkulation entlang eines geschlossenen Pfades Null ist (ein konservatives Feld), verläuft die Zirkulation elektrischer Felder, die durch Magnetfelder erzeugt werden, entlang eines anderen geschlossenen Pfades als Null. Diese Zirkulation, die der induzierten elektromotorischen Kraft entspricht, ist gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses, der durch eine Oberfläche verläuft, deren Grenze eine Drahtschleife ist (Faradays Induktionsgesetz)., Faraday erfand den ersten Elektromotor, den ersten elektrischen Transformator, den ersten elektrischen Generator und den ersten Dynamo, so dass Faraday ohne Zweifel der Vater der Elektrotechnik genannt werden kann.

Faraday gab die Fluidtheorie auf, um Elektrizität und Magnetismus zu erklären, und führte die Konzepte von Feld-und Feldlinien ein, weg von der mechanistischen Erklärung von Naturphänomenen wie Newtons Aktionen-aus der Ferne., Faradays Einführung des Feldbegriffs in die Physik ist vielleicht sein wichtigster Beitrag und wurde von Einstein als die große Veränderung in der Physik beschrieben, weil sie Elektrizität, Magnetismus und Optik mit einem gemeinsamen Rahmen physikalischer Theorien versorgte. Faradays Kraftlinien wurden jedoch erst einige Jahre später akzeptiert, als James Clerk Maxwell das Bild betrat.,

Wie zu Beginn dieses Artikels erwähnt, war ein weiterer und vielleicht weniger bekannter Effekt, den Faraday entdeckte, der Einfluss eines Magnetfeldes auf polarisiertes Licht, ein Phänomen, das als Faraday-Effekt oder magnetooptischer Effekt bekannt ist. Faradays neugieriger Geist begnügte sich nicht damit, einfach die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus zu entdecken. Er wollte auch feststellen, ob Magnetfelder einen Einfluss auf optische Phänomene hatten. Er glaubte an die Einheit aller Naturkräfte, insbesondere an Licht, Elektrizität und Magnetismus., September 1845 stellte er fest, dass die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht gedreht wird, wenn dieses Licht durch ein Material wandert, auf das ein starkes Magnetfeld in Ausbreitungsrichtung des Lichts aufgebracht wird., Faraday schrieb in Paragraph # 7504 seines Buches:

“ Wir haben heute mit magnetischen Kraftlinien gearbeitet, sie über verschiedene Körper (transparent in verschiedene Richtungen) geführt und gleichzeitig einen polarisierten Lichtstrahl durch sie hindurchgeführt (…) Es wurde ein Effekt auf den polarisierten Strahl erzeugt, und somit wurde bewiesen, dass magnetische Kraft und Licht eine Beziehung zueinander haben.“,

Dies war sicherlich der erste klare Hinweis darauf, dass Magnetkraft und Licht miteinander verwandt waren und es zeigte auch, dass Licht mit Elektrizität und Magnetismus zusammenhängt. In Bezug auf dieses Phänomen schrieb Faraday auch im selben Absatz:

„Diese Tatsache wird sich höchstwahrscheinlich als äußerst fruchtbar und von großem Wert bei der Untersuchung beider Bedingungen der natürlichen Kraft erweisen“.

Er war nicht falsch. Dieser Effekt ist einer der Eckpfeiler der elektromagnetischen Theorie des Lichts.,

In der Royal Institution am Freitag Abend Diskurs geliefert. April 1846, Faraday spekuliert, dass die Licht könnte eine form von Störung propagieren entlang der Feldlinien. Die Wahrheit ist, dass an diesem Freitag Charles Wheatstone einen Vortrag über sein Chronoskop halten sollte. In letzter Minute hatte Wheatstone jedoch einen Anfall von Lampenfieber und Faraday lieferte Wheatstones Vortrag., Da er vorzeitig fertig war, füllte er die verbleibenden Minuten aus, indem er seine Gedanken über die Natur des Lichts enthüllte. Faradays Diskurs wurde im selben Jahr in der Philosophischen Zeitschrift unter dem Titel Thoughts on Ray-Vibrations veröffentlicht. Faraday wagte es sogar, die Existenz des damals leuchtenden Äthers –eine wissenschaftliche Häresie– in Frage zu stellen, der das Medium für die Lichtausbreitung sein sollte, wie es Fresnel so elegant in seiner Wellentheorie des Lichts beschrieben hatte. Er schlug vor, dass das Licht nicht das Ergebnis von Ätherschwingungen sein könnte, sondern Schwingungen der physikalischen Kraftlinien., Faraday versuchte, den Äther wegzulassen, aber er behielt die Schwingungen bei. In einem fast entschuldigenden Ton beendet Faraday sein Papier mit den Worten:

„Ich denke, es ist wahrscheinlich, dass ich auf den vorhergehenden Seiten viele Fehler gemacht habe, denn selbst für mich selbst erscheinen meine Ideen in diesem Punkt nur als Schatten einer Spekulation.“

Diese Idee von Faraday wurde jedoch mit erheblicher Skepsis aufgenommen und von allen abgelehnt, bis Maxwells Artikel mit dem Titel A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field 1865 veröffentlicht wurde., In diesem Artikel beschreibt Maxwell nicht nur seine bahnbrechende elektromagnetische Theorie des Lichts-einer der Meilensteine in diesem Internationalen Jahr des Lichts 2015 -, sondern schreibt auch die Ideen, die schließlich die Grundlage seiner Theorie bildeten, Faradays Gedanken über Strahlenschwingungen zu., Auf Seite 466 seiner Arbeit und mit der Bescheidenheit, die Maxwell immer charakterisierte, bezieht er sich auf Faradays Papier von 1846 wie folgt:

„Die Konzeption der Ausbreitung transversaler magnetischer Störungen unter Ausschluss normaler Störungen wird von Professor Faraday in seinen“ Gedanken über Strahlenschwingungen “ deutlich dargelegt. Die von ihm vorgeschlagene elektromagnetische Theorie des Lichts ist im Wesentlichen dieselbe wie die, die ich in diesem Artikel zu entwickeln begonnen habe, außer dass es 1846 keine Daten zur Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit gab“.,

Und auf Seite 461 seines Papiers von 1865 bezieht sich Maxwell auch auf den magnetooptischen Effekt:

„Faraday entdeckte, dass, wenn ein flugzeugpolarisierter Strahl ein transparentes diamagnetisches Medium in Richtung der magnetischen Kraftlinien durchquert, die durch Magnete oder Ströme in der Nachbarschaft erzeugt werden, die Polarisationsebene rotiert.“

Insgesamt wird Michael Faraday sechsmal zitiert und dreimal in Maxwells Papier von 1865 erwähnt., Dies ist jedoch nicht überraschend, wenn man bedenkt, dass ein großer Teil von Maxwells Arbeit auf Faradays Arbeit basiert und Maxwell die meisten von Faradays Entdeckungen zum Elektromagnetismus mathematisch in die Theorie modellierte, die wir heute kennen.

Die elektromagnetischen Wellen, über deren Existenz Faraday 1846 mit seinen Gedanken zu Strahlenschwingungen spekulierte und die 1865 von Maxwell mathematisch vorhergesagt wurden, wurden schließlich 1888 von Hertz in einem Labor erzeugt. Der rest ist Geschichte., Es ist klar, dass Maxwell die Tür zur Physik des zwanzigsten Jahrhunderts öffnete, aber es ist nicht weniger klar, dass Faraday Maxwell einige der Schlüssel gab, die er benutzte.

1676 sandte Newton einen Brief an seinen Rivalen Hooke, in dem er schrieb:“ Wenn ich weiter gesehen habe, steht man auf den Schultern von Riesen“ (*). Zweihundertfünfzig Jahre später, bei einem von Einsteins Besuchen in Cambridge, Großbritannien, bemerkte jemand:“Sie haben großartige Dinge getan, aber Sie stehen auf Newtons Schultern“. Einstein antwortete: „Nein, ich stehe auf Maxwells Schultern“., Wenn jemand das gleiche zu Maxwell gesagt hätte, hätte er wahrscheinlich gesagt, dass er auf Faradays Schultern stand.

(*) Obwohl dieser Satz von einigen Autoren als sarkastische Bemerkung interpretiert wird, die auf Hookes buckliges Aussehen gerichtet ist, wird der Satz heutzutage normalerweise positiv verwendet. Nun ist Newtons Kommentar eine Behauptung, wie Wissenschaft eine Reihe inkrementeller Fortschritte ist, die auf den zuvor erreichten aufbauen (siehe zum Beispiel Stephen Hawkings Buch mit dem Titel Auf den Schultern der Riesen).,

Augusto Beléndez

Ordentlicher Professor für Angewandte Physik an der Universität Alicante (Spanien) und Mitglied der Spanischen Royal Physics Society

Bibliographie

• A. Díaz-Hellín, Faraday: El gran cambio en la Física (Nívola. Madrid, 2001).
• Ordóñez, V. Navarro und J. M. Sánchez-Ron, Historia de la ciencia (Espasa Calpe. Madrid, 2013).
• Forbes und B. Mahon, Faraday, Maxwell und das elektromagnetische Feld: Wie zwei Männer die Physik revolutionierten (Prometheus-Bücher. New York, 2014).,
• Zajonc, Catching the Light: The Entwined History of Light and Mind (Oxford University Press. New York, 1995)
• Hawking, Auf den Schultern von Riesen: Große Werke der Physik und Astronomie (Laufen, Drücken Sie. Philadelphia, 2002)
• Mansuripur, Klassischen Optik und seiner Anwendungen (Cambridge University Press. Cambridge, 2002)