Faraday: a legnagyobb kísérletezô
Részletek Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete címû könyvébôl

...De térjünk vissza az 1820-as évek elektrodinamikai problémáihoz. Ekkor kapcsolódott bele az elektromágneses jelenségek vizsgálatába FARADAY, akit sokan a fizikatörténet legnagyobb kísérleti fizikusának tartanak. ... Konkrét eredményeit egészen röviden az alábbiakban foglalhatjuk össze.

Az indukciótörvény, amely az ô nevét viseli: a romantikus természetfilozófia ösztönzésére és a sztatikus töltések influenciajelenségének analógiájára már sokakban felmerült a gondolat, hogy az egyik áramkörben folyó áram valamilyen módon befolyásolja a másik áramkörben folyó áramot is. Az analógia alapján még az a jelenség is valószínûnek tûnhetett, hogy az egyik áramkör mellé egy másik áramkört helyezve, abban áram fog folyni egyszerûen csak azért, mert az elôzô áramkörben is folyik áram. Maga AMPÈRE is gondolt ilyesmire, de egyik levelében említést tesz már 1822-ben arról, hogy ilyen jellegû hatás nincs; bekapcsoláskor és kikapcsoláskor észlelt csak valamit. Ezt azonban nem vizsgálta tovább, és így – mint AMPÈRE maga is keserûen jegyezte meg – egy igen nagy felfedezés lehetôségétôl esett el. FARADAY kísérleti jegyzôkönyveiben is sok éven át találjuk ezt a bejegyzést: semmi hatás (no effect). Végre FARADAY észrevette ugyanazt a jelenséget, amely AMPÈRE-nek nem tûnt fel: a hatás létrejöttében az egyik áramkör változásának, vagy egész általánosságban: az egész áramkör mágneses állapota megváltozásának van döntô szerepe. Megállapította azt is, hogy ilyenkor az áramkörben keletkezô áram fordítva arányos az áramkör teljes ellenállásával. Más szóval a mágneses hatás megváltozása a vezetôben olyan feszültséget hoz létre, amely független a vezetôanyag minôségétôl: ugyanis ekkor lesz az áramerôsség pontosan arányos az áramkör ellenállásának reciprok értékével. FARADAY a törvényt kvantitatív formába is öntötte, igen egyszerûen és szemléletesen fogalmazva meg azt az erôvonalak segítségével:

Az indukciótörvény gyakorlati jelentôségét éppen korunkban nem kell külön hangsúlyozni: minden generátor, minden transzformátor mûködésének és így egyúttal mérnöki tervezésének is alapjául szolgál.

Más szempontból ugyan, de hasonlóan nagy jelentôségû FARADAY-nek a következô két évben elért eredménye az elektrolízis törvényeire vonatkozóan. Ezek a törvények is az ô nevét viselik.

Az elsô törvény szerint az elektrolízis folyamán kiválasztott anyagmennyiség az áthaladt töltéssel arányos, míg a második törvény az elsô törvényben szereplô arányossági tényezônek ad konkrét értéket, megállapítva azt, hogy különbözô anyagokból azonos töltésmennyiség áthaladása esetén kiválasztott anyagmennyiségek úgy aránylanak egymáshoz, mint azok kémiai egyenértéksúlyai. Ezen törvénynek gyakorlati fontossága mellett elméleti jelentôsége is óriási; segítségével sikerül elôrehatolnunk a mikrofizika világába: a mikrovilág jellemzôit éppen a Faraday-törvényeken keresztül lehet összekapcsolni.

FARADAY foglalkozott részletesen a dielektrikumok tulajdonságaival is. Maga a dielektrikum elnevezés is tôle származik. Bevezette a dielektromos állandó fogalmát és mérési módszerét.

Megsejtette, hogy a mágneses tér nemcsak az úgynevezett mágneses anyagokra hat, hanem kivétel nélkül minden anyag rendelkezik valamilyen mágneses tulajdonsággal. Ô osztályozta az anyagokat para- és diamágneses anyagokra, és kiterjedt vizsgálatokat végzett a diamágneses tulajdonságokkal kapcsolatban is.

A különbözô jelenségek közötti kölssönhatás feltételezése vezette el FARADAY-t egy ugyancsak elvi és gyakorlati jelentôségû effektus felfedezéséhez, amely azintén az ô nevét viseli; kereste ugyanis a mágneses tér és a fény közötti kapcsolatot. Sok sikertelen kísérlet után jutott el ahhoz a felfedezéshez, hogy bizonyos anyagokat mágneses térbe helyezve, azok a rajtuk áthaladó polározott fény polározási síkját elforgatják: ez a Faraday-forgatás.

Itt jegyezzük meg, hogy FARADAY élete végén kutatta a gravitációs tér és az elektromágneses jelenségek közötti kölcsönhatást minden eredmény nélkül. Ilyen kölcsönhatást egyébként azóta sem sikerült megállapítani.

Eddig azonban még nem beszéltünk FARADAY egy igen jelentôs tettérôl, ahol csak azért nem merjük a felsôfokot használni, mert akkor FARADAY többi eredményeire is azt kellene használnunk. Ez pedig az volt, hogy teljesen új szemléletmódot vitt be az elektromos jelenségek értelmezésébe. És itt egy furcsa tudománytörténeti jelenségnek vagyunk tanúi. A franciák a XVII. század végén és a XVIII. század elején csak nagyon nehezen adták fel DESCARTES örvényelméletét a newtoni távolba hatással szemben. A XVIII. század végére azonban a világ szellemi vezetôinek számító francia matematikus és elméleti fizikus generáció tagjai – LAGRANGE, LAPLACE, POISSON és maga AMPÈRE is – annyira magukévá tették a newtoni elveket, hogy még az új jelenségeket is, mint az elektromos és mágneses jelenségek, teljesen ebben a szellemben tárgyalták. Ezt konkréten láttuk is AMPÈRE-nél, amikor az elektrodinamika alaptörvényét NEWTONra hivatkozva kifejezetten a newtoni szemlélet szellemében állította fel. Éppen a francia matematikusok érthetôen nagy befolyása alatt senki nem is mert ettôl a sémától eltérni. FARADAY azonban "self-made man" volt. Rendszeres iskolai tanulmányokat nem volt módjában folytatni. De hadd beszéljen helyettünk FARADAY nagy tisztelôje, gondolatainak matematikai formába öntôje és továbbfejlesztôje, MAXWELL:

Talán a tudomány elônyére szolgált az a tény, hogy FARADAY, ámbár a tér, idô, erô alapvetô formáinak teljes ismeretével rendelkezett, nem volt hivatásosan képzett matematikus. Így nem esett kísértésbe, hogy belebonyolódjék a sok érdekes, tiszta matematikai jellegû kutatásba, amelyeket felfedezései vetettek volna fel, ha azokat matematikai alakban tudja megfogalmazni, és így nem érezte kötelességének sem azt, hogy belerôszakolja eredményeit olyan formulákba, amelyek az akkori idôk matematikai ízlésének megfeleltek, vagy olyan formába öntse ôket, amelyet a matematikusok megtámadhatnak. Így aztán zavartalanul végezhette munkáját, hangolhatta össze elképzeléseit a tényekkel, és fejezhette ki azokat természetes, mesterkéletlen nyelven.
MAXWELL: A Treatise on Electricity and Magnetism I. pp. 163–164

FARADAY újszerû elképzelésének leírására ismét nem találunk jobb módszert, mint hogy idézzük MAXWELLt.

FARADAY lelki szemeivel az egész teret átívelô erôvonalakat látott ott, ahol a matematikusok távolba ható erôközpontokat láttak; FARADAY közeget látott ott, ahol ôk semmi mást, mint távolságot láttak; FARADAY a jelenségek lényegét a közegben végbemenô tényleges hatásokban kereste, míg amazok megelégedtek azzal, hogy megtalálták azt valamilyen távolba ható erôben.
MAXWELL: A Treatise on Electricity and Magnetism I; Preface

Mint már említettük, FARADAY-re hatott a romantikus természetfilozófia. Hatott rá BOSKOVIC is, aki ... az anyagrészeket úgy tekintette, mint amelyek erôcentrumok ugyan, de hatásuk szétterjed az egész térben, és ezt a hatást valamilyen módon az anyaghoz tartozónak képzelte. FARADAY azonban ezeket a kvalitatív jellegû elképzeléseket a maga empirista hagyományokon nevelt józanságával a konkrét kísérleteken keresztül igyekezett reálisabbá tenni, illetôleg az így reálissá tett elképzelések segítségével igyekezett a jelenségeket értelmezni. A "lelki szemeivel" látott erôvonalakat igyekezett vasreszelékkel szemléletessé, szinte kézzel foghatóvá tenni. Tôle származnak azok az ábrák, amelyeknek megfelelôi ma is minden bevezetô jellegû fizikakönyvben megtalálhatók. Mint láttuk AMPÈRE-nél és az Ampère-elméletet továbbfejlesztô WEBERnél, az áramok egymásra hatását meg lehet magyarázni távolba ható erôkkel, a közbeesô közeg teljes kikapcsolásával. FARADAY azonban úgy képzelte el a dolgot, hogy az egyik áramkör körül – ha abban áram folyik – kialakul az elektromágneses tér a maga erôvonalaival. Ilyen módon a második áramkör helyén, teljesen függetlenül attól, hogy odahelyeztük-e azt az áramkört és folyik-e abban áram, a térben egy meghatározott állapot alakul ki, amely különbözik – még vákuum esetén is – attól az állapottól, amely ott uralkodna, ha nem volna a közelben az áramot vivô áramkör. Az egyik áramkör tehát nem közvetlenül hat a másik áramkörre; hanem ezen a "készenléti állapoton" keresztül. Miben áll annak történelmi jelentôsége, hogy a kölcsönhatást ilyen módon két lépésre bontja FARADAY? Tulajdoníthatunk-e a tér ezen különleges állapotának reális létet? Matematikailag is kimutatható, hogy addig, amíg nem túlságosan gyors idôbeli változásokról van szó, a két felfogás azonos eredményekhez vezet. Ha azonban a kísérleti tényeknek megfelelôen tudomásul vesszük, hogy az egyik áramkör hatásának idôre van szüksége, hogy a másik áramkörig elérjen – ehhez kell éppen a gyors változás, hogy ez a hatás kísérletileg is kimutatható legyen –, akkor a közvetítô közeg felvétele szükségesnek, szerepe pedig nyilvánvalónak látszik. Amikor elektromos és mágneses erôvonalai segítségével FARADAY kialakította az elektromágneses tér koncepcióját, akkor az elektromágneses hullámok léte sem elméletileg indokolva, sem kísérletileg bebizonyítva nem volt. De éppen saját elképzelései sugallták már magának FARADAY-nek is azt a gondolatot, hogy az erôvonalak transzverzális rezgések formájában vihetik tovább az elektromágneses hatásokat.

FARADAY elképzelései azonban nemcsak a késôbbi térelmélet számára adtak ösztönzést, de azok a hasonlatai, amelyeket az elektromos áramlás és a mágneses erôvonalak "áramlása" között megállapított, a mai erósáramú mérnöki gyakorlatban a mágneskörök méretezésénél, de a bonyolultabb mágneses jelenségek pedagógiai szemléltetésénél is igen nagy szolgálatot tesznek.

Az indukció magyarázatánál FARADAY a mágneses tér eleletrotonikus állapotáról beszél – ezt a megnevezést MAXWELL is, BOLTZ MANN is átvette tôle –, amelynek azonban csak idôbeli változása az, amely mérhetô effektust, vagyis az elektromos teret, pontosabban FARADAY számára egy zárt vezetôben az indukált feszültséget adja.

...

MAXWELL megkereste azon mennyiség matematikai kifejezését, amely a Faraday-féle elektrotonikus állapotot volt hivatva reprezentálni. Nem kell csodálkoznunk azon, hogy MAXWELL elméletében döntô szerepet játszott ez a mennyiség (4.4-14 idézet). A Mawell-elmélet mai pedagógiai feldolgozásában nem mint kiindulási alapmennyiség, hanem levezetett, szekunder jellemzôként szerepel ez a fogalom: vektorpotenciál a neve. Ennek idôbeli változása van ugyanis közvetlen kapcsolatban az indukált elektromos térerôsséggel, illetôleg az indukált feszültséggel. MAXWELL megállapítja errôl a mennyiségrôl, hogy egy zárt körre vett vonalintegráljának idôbeli változása az indukált feszültséget adja. Ez megfelel annak a felfogásnak, hogy a mennyiség idôbeli változása minden pontban az elektromos teret szolgáltatja.

4.4-14 idézet
Egy olyan mennyiség fogalma, amelynek változásától és nem abszolút nagyságátó) függ az indukált áram, már kutatásainak korai stádiumában felvetôdött Faraday agyában. Megfigyelte, hogy a szekunder kör, ha nyugalomban van egy állandó intenzitású mágneses térben, nem mutat elektromos hatásokat, míg ha ugyanezt az állapotot hirtelen létrehozzuk, van áram. Úgyszintén ha a primer kört eltávolítjuk, vagy a mágneses teret eltüntetjük, ismét van áram, de ellenkezô irányú. S ebbôl arra következtetett, hogy a szekunder körben – ha az elektromágneses térben van – az anyag valamilyen sajátos elektromos állapotban van, aminek ô az elektrotonikas állapot nevet adta. Késôbb úgy találta, hogy kiküszöbölheti ezt a fogalmat a mágneses erôvonalakra alapozott megfontolásaival, de még a legutolsó vizsgálataiban is azt írja: "Újra és újra feltolakszik gondolataimban az elektrotonikus állapot ideája."

Ezen gondolat történetét, úgy ahogy az Faraday publikált cikkeiben jelentkezik, érdemes külön tanulmányozni. Egy kísérletsorozat – amelynek menetét intenzív gondolkodás írta elô, minden matematikai számítás nélkül – vezette Faraday-t ahhoz, hogy felismerje valaminek a létezését; amelyrôl mi tudjuk, hogy az egy matematíkai mennyiség, amelyet azonban az elektromágneses elmélet alapmenynyiségének lehet tekinteni. De minthogy ô ehhez a fogalomhoz tisztán empirikus úton jutott, fizikai létet tulajdonított neki. ... Az elektrotonikus állapot Faraday-féle elképzetésének az a tudományos értéke, hogy arra ösztökéli az elmét, olyan mennyiséget ragadjon meg, amelynek változásától függnek a tényleges jelenségek.
MAXWELL: A Treatise on Electricity and Magnetism II, pp. 173–174

Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete, 3., átdolgozott kiadás, Gondolat Kiadó, Budapest, 1986, 321–325 és 327–329. o.

Vissza