Dobromila Lebrová: Michael Faraday, anglický fyzik a chemik – 220. výročí narození

Rubrika: Publicistika – O slavných lidech

Michael Faraday byl jednou z největších osobností fyziky a chemie devatenáctého století a byl zakladatelem zcela nových oborů, jako například elektrolýza. Velmi ovlivnil názory na elektromagnetismus – objevil elektromagnetickou indukci, elektromagnetickou rotaci, magneticko-optický jev, diamagnetismus, teorii pole a další. Podle mnoha učenců je považován za největšího experimentátora, který kdy žil. Jako u většiny vědců osmnáctého a devatenáctého století se neubráníme podivu nad tím, kolik oborů a poznatků obsáhl, a to i přesto, že neměl žádné školy.

Narodil se 22. září 1791 jako třetí dítě ze čtyř chudého kováře Jamese Faradaye (1761–1810) ve vsi Newington, v místě, kde je dnes křižovatka na jih od Londýna, označovaná jako Elephant and Castle“. Jeho tatínek přišel blíž k Londýnu s představou, že zde bude mít víc práce. Maminka, Margaret, rozená Hastwell (1764–1838), pocházela z rolnického rodu. Tvrdí se o ní, že byla velmi klidná, důstojná a moudrá. Rodiče se totiž k Londýnu přistěhovali z Outhilu v Yorkshire, nedaleko Kirkby Stephen, kde měl otec vlastní kovárnu, už se dvěma dětmi, Michaelovým bratrem Robertem (1788–1846) a o rok starší sestrou Elizabeth. Protože ani zde práce nebylo dost, stěhovala se rodina kolem r. 1795 znovu, a to do Londýna na Jacob´s Wells Mews. Byt měli Faradayovi nad jakousi „garáží“ nad povozy, takže maminka posluhovala pocestným, případně pronajímala část bytu na nocleh. Tatínek byl totiž dost často nemocný a nemohl pracovat. Zde se narodila r. 1802 ještě dcera Margaret. Rodina dost často hladověla. Rodiče Faradayovi byli příslušníky odnože presbyteriánské skotské církve, nazývané sandemanité, která žila v přísné shodě s Kristovým učením podle víry prvotních křesťanů. Proto rodina držela přes všechny problémy při sobě a všichni si navzájem pomáhali, a pro Michaela z toho po celý život zůstal pocit rodinné lásky a pospolitosti. Byl to pro něj základ i pro jeho pozdější bádání, protože věřil v jednotu světa.

Michael chodil asi dva roky do běžné školy, kde se naučil číst, psát a počítat. Různé prameny udávají různý věk, kdy začal Michael rodině finančně vypomáhat – od devíti do třinácti let, kdy se stal poslíčkem u knihkupce a vydavatele Georga Ribeaua, francouzského emigranta v Blanford Street. Protože se osvědčil, nabídl mu v r. 1804 pan Ribeau, aby se u něj vyučil knihařem.

Učení trvalo sedm let, podle zvyklostí tehdejších chudých chlapců – po vyučení dotyčný celou dobu učení zadarmo odpracoval – říkalo se tomu „rok za rok“. Pro Faradaye to byla příležitost číst spisy, které vázal. Dostal se ke knihám filozofickým i vědeckým. Kromě toho v domě jeho chlebodárce bydlel ještě jeden Francouz – malíř Mosquenerier, u něhož se učil základy kreslení. Dostala se mu do rukou kniha Isaaca Wattse (1674–1748), žáka tehdejšího anglického velmi uznávaného filozofa Johna Locka (1632–1704): „Využití mysli“ - (Improvement of Mind). Byla to řada návodů, jak studovat, jak se učit cizím jazykům, obzvláště latině, jak upevnit svou pozornost. Snažil se podle této knihy postupovat i při svých studiích. Faraday si z takovýchto knih dělal opisy a výpisky. Z knihy „Encyclopedia Britannica“ si opsal kapitolu „Elektřina“ od Jamese Tytlera (1745-1804). Další knihou, kterou podrobně prostudoval, byla kniha anglické „populizátorky vědy“ Jane Marcetové (1769–1858) „Konverzace v chemii“ (Conversation in Chemistry), která vyšla v r. 1805. Jeho mistr popisoval, že ve volných chvílích navštěvoval obchody s přírodninami a pokoušel se je i takto studovat. Než se vyučil, měl podle některých pramenů u svého mistra nějaká laboratorní zařízení, dělal jednoduché chemické pokusy a zkonstruoval třecí elektriku. Byl neobyčejně manuálně zručný. Při problémech, které postihovaly jeho rodinu, se nejvíce obracel na Jobovu knihu z biblického Starého zákona.

Je známo, že od mládí hrál na flétnu, což mu také pomáhalo dostat se přes životní těžkosti.

V r. 1810 mu zemřel tatínek. Ze začátku otcovu živnost převzal Michaelův starší bratr Robert, který se stal živitelem matky a sourozenců, a který velice podporoval sebevzdělávací bratrovy snahy. Později se Robert stal instalatérem a odborníkem na instalace plynového osvětlení.

V té době se sice pořádaly veřejné přednášky, ale pouze přes den, kdy byl Michael v práci. V r. 1808 založil londýnský stříbrotepec a učenec John Tatum (1772–1858) ve svém domě City Philosophical Society (Městská filozofická společnost), která pořádala přednášky pro své členy i večer, a to každou středu. Zde se přednášelo o základech různých věd, například elektřině, mechanice, chemii, astronomii, meteorologii a dalších. Faraday opět své zápisy pečlivě přepsal a svázal. Mezi jeho přáteli v této instituci byl úředník Benjamin Abbot a medik J. Huxtable, s nimiž vedl Faraday vědeckou korespondenci podle Wattsových zásad. Ke konci jeho učení ukázal Ribeau Faradayovy výpisky svému zákazníkovi, který se o vědu také zajímal. Některé prameny udávají, že šlo o filharmonika, jiné, že šlo o syna člena Královského institutu, kde byly pořádány přednášky pro veřejnost. Buď, jak buď, tento zákazník daroval Faradayovi nějaké vstupenky na přednášky vyhlášeného chemika Humphry Davyho (1778–1829), který byl krátce předtím povýšen do šlechtického stavu.

Faraday navštívil přednášky v r. 1812. Podle svého zvyku Faraday vše pečlivě zaznamenal, přepsal a svázal.

Krátce po vyučení nastoupil do práce k nerudnému a nepříjemnému knihaři. Uvažoval, že nabídne své služby Humphry Davymu a poslal mu své svázané výpisky se žádostí o zaměstnání. Davy si ho pozval, vyslechl ho, ale místo pro něj neměl. Krátce na to došlo k incidentu, kdy se Davyho asistent popral s výrobcem přístrojů, a asistent byl propuštěn. Podle jiných pramenů potřeboval Davy asistenta, protože se zranil na očích a dočasně neviděl. Davy nabídl místo Faradayovi, který v Královském institutu nastoupil 1. března 1813. Jeho plat byl 25 šilinků týdně – pro představu uvádím, že pár obyčejných bot tehdy stál 6 až 11 šilinků. Davy už od začátku 19. století dělal chemické pokusy pro pobavení vysoké společnosti, Faraday brzy, jako jeho asistent, v tom nabyl zručnosti. Krátce po nástupu Davy Faradayovi nabídl, aby ho vyprovázel na jeho vědecké zahraniční cestě po Evropě jako asistent, ale také jako jeho komorník, protože jeho vlastní komorník ho odmítl doprovázet. Faraday nabídku přijal, pouze paní Jane Davy byla nepříjemná, a snažila se mu stále připomínat jeho podřízené postavení. Přes to ale při setkáních s věhlasnými vědci si získával velké sympatie. Byli ve Francii, kde byl Davy za své výzkumy odměněn od Napoleona medailí, ve Švýcarsku, Itálii a Belgii. Setkali se mj. v Paříži s fyziky Andrém Ampérem (1775–1836), Josephem-Louisem Gay –Lusacem (1778–1850) a v Miláně s Alessandrem Voltou (1745–1827). V té době se Davy zabýval teoriemi o vulkanické činnosti, což byl i jeden z účelů cesty. Proto také navštívili Vesuv a Davy dělal v jiných místech opět případně pokusy pro vysoce postavené posluchačstvo. Cesta trvala půldruhého roku. Původně měl Davy plán navštívit ještě Řecko a Turecko, ale rozhodl se z důvodu tehdejšího Napoleonova útěku z Elby pro návrat. Faraday se cestou naučil francouzsky a italsky.

Po návratu do Londýna nastoupil Faraday opět jako chemik v Královském institutu. Asistoval Davymu i jeho nástupci Williamu Brandovi (1788–1866). Pilně pročítal všechny chemické časopisy, které se mu dostaly do rukou, a některé z popsaných pokusů si vyzkoušel. Příležitostně spolupracoval s Davym na jeho nejznámějším vynálezu hornického kahanu.

R. 1816 vydal svůj první článek „Analýza páleného vápna z Toskánska“ (Analysis of Caustic Lime of Tuscany), po nichž následovala řada nepříliš významných článků. Začal také přednášet v Městské filozofické společnosti. Jeho první přednáška byla „O kyslíku, chlóru, jódu a fluóru“ (On Oxygen, Chlorine, Iodine and Fluorine), kterými se zabýval Davy. Po celý život byl Faraday považován za skvělého přednášejícího. On sám tak ale postupoval podle svého vlastního přesvědčení: „Přednášející by měl dát posluchačům úplný důvod, aby věřili, že všechny své síly vynaložil pro jejich potěšení a poučení.“ K jeho popularitě přednášejícího přispělo i to, že neměl žádné matematické vzdělání, neoháněl se při přednáškách složitými matematickými rovnicemi.

V letech 1818 až 1820 pracoval s chirurgem, některé prameny tvrdí, že se jednalo o nožíře, Jamesem Stoddartem na výzkumu zlepšení kvality chirurgické ocele. Vedlo to k určení různých legujících prvků, z čehož potom čerpali mnozí metalurgové.

Roku 1820 oznámil vznik prvních umělých sloučenin chlóru s uhlíkem, těch, které jsou dnes „na indexu“, hexachlóretanu a tetrachlóretanu.

Rok 1821 byl pro Faradaye zvlášť významný. V květnu byl povýšen na správce Královského institutu, což mu zajistilo příjem, že se mohl oženit. Vzal si 2. června Sarah Barnard (1800–1879), dceru z rodiny sandemanitů. Podle některých pramenů byla paní Faradayová invalidní a pohybovala se často na kolečkovém křesle. Manželé neměli děti, ale Michaelovi sourozenci měli dětí dost, takže zvláště dvě neteře, patrně od nejmladší sestry Margaret, která měla hodně dětí, je často navštěvovaly a pak u nich i bydlely. Manželství bylo velmi šťastné a plné porozumění ze společných náboženských, přírodovědných i uměleckých zájmů.



Michael Faraday s manželkou kolem r. 1850


V r. 1820 oznámil dánský přírodovědec Hans Christian Oersted (1777–1851), že průtok elektrického proudu vodičem, vytváří kolem vodiče magnetické pole. Faraday pochopitelně okamžitě experimentoval a jev nazval elektromagnetickou rotací. O elektromagnetické rotaci napsal a v říjnu 1821 opublikoval článek „O některých nových elektromagnetických pohybech a o teorii magnetismu“ (On some new electro-magnetical motions, and on the theory of magnetism) ve Čtvrtletním časopisu pro vědu (Quarterly Journal of Science).

Vzhledem, že byl zaměstnán jinými technickými problémy, odložil další bádání o elektromagnetismu na pozdější dobu.

V r. 1823 zkapalnil chlor, o čemž jsem četla krásnou anekdotu. Je to z knížky starší než sto let, cituju doslovně:

„Přítel Faradayův navštívil chemickou laboratoř Královského ústavu a spatřil Faradaye, kterak prohlíží v zatavené trubičce zelenavou kapalinu, i projevil mínění, že by slušelo při přípravě plynů trubice lépe čistiti. Faraday neodpověděl, ale brzy potom poslal příteli svému lístek tohoto obsahu: ´Ctěný pane! To, co jste spatřil v oné trubičce, a co jste považoval za nečistý olej, byl kapalný chlor. Faraday´“.

Zabýval se například bodem vzplanutí horkých olejových par, což zajímalo i bratra Roberta, který instaloval topení. Z těchto bádání vyplynulo, že izoloval r. 1825 pyrolýzou velrybího tuku benzen.

V r. 1824 se Faraday stal členem Královské společnosti, což bylo poněkud složité, protože stále byl Davyho asistentem a v Královské společnosti byl Davyho kolegou – Davy totiž, jakožto její prezident, s jeho jmenováním nesouhlasil. Dokonce ho nařkl z plagiátorství. Ale Faraday vždy svému učiteli projevoval nejvyšší úctu.

Pracoval také při vývoji skla pro optiku s astronomem Johnem Frederickem Williamem Herschelem (1792–1851), synem objevitele planety Uran.

V r. 1825 se stal vedoucím laboratoří Královského institutu.

R. 1826 zahájil v Královském institutu páteční večerní přednášky a začal s tradicí vánočních přednášek. Po odchodu Davyho do penze v r. 1827 odmítl místo profesora na londýnské univerzitě. Chtěl zůstat skromným člověkem a tak mnohé pocty odmítal.



Vánoční přednáška


V r. 1827 vydal první záznamy svých bádání v knize „Chemická manipulace jako instrukce pro studenty chemie“ (Chemical Manipulation, being Instructions to Students in Chemistry).

V té době už vydělával zhruba patnáctkrát více, než byl jeho počáteční plat asistenta. V r. 1830 se stal profesorem chemie na Královské vojenské akademii ve Wolwichi.



Wolwich


Při prvních pokusech s elektromagnetismem se Faraday rozhodl najít možnost přeměny magnetismu na elektřinu. V r. 1831 se mu to podařilo. Ovinul železný prstenec dvěma vzájemně oddělenými cívkami a zjistil, že proud v jedné cívce způsobí proud v druhé cívce. První záznam v deníku učinil 29. srpna 1831. Je to princip, který převrátil celý průmysl svým využitím v elektrických motorech a transformátorech. Byl to okamžik, kdy se z elektřiny, která dosud byla spíše hříčkou učenců, stala zásadní technologická záležitost. Během října zkonstruoval jednoduché dynamo, že měděný kotouč otáčel mezi póly permanentního magnetu a vzniklý proud sbíral z kotouče pomocí kartáčků a měřil. Výsledek svého bádání přednesl v listopadu téhož roku na zasedání Královské společnosti.

Na základě svého bádání formuloval zákon o elektromagnetické indukci, který nese jeho jméno, a který stanoví, že v uzavřeném elektrickém obvodu změnou magnetického indukčního toku vznikne napětí.

Při předávání výsledků svého bádání se Faraday nikdy nezapojoval do vědeckých debat. Předvedl pouze výsledky svých pokusů, pokud je považoval za přesvědčivé. Své pokusy dělal v tichu, vzájemně se svým asistentem nerušili. Jeho zásadou bylo: „Důležitou věcí je vědět, jak přijmout všechny věci v klidu.“

Roku 1832 dostal čestný doktorát oxfordské univerzity.

R. 1833 byl jmenován tzv. fullerským profesorem chemie v Královském institutu. Bylo to místo vytvořené a sponzorované mecenášem Johnem Fullerem (1757–1834). John Fuller, nazývaný „bláznivý Fuller“ byl mecenášem Královského institutu a tato místa nebyla vytvořena pouze pro chemii.

Dále začal Faraday zkoumat různé formy elektřiny a navazoval na práce mladšího bratra Davyho Johna, kde byl přesvědčen, že různé projevy elektřiny – v elektrických článcích, termočláncích, dynamech i elektrických rybách vycházejí ze stejného principu. Vrátil se k pokusům mnohých svých předchůdců, včetně Davyho, týkajících se průchodu elektrického proudu kapalinami. V r. 1834 objevil při měření výsledků rozkladu při elektrolýze zákony elektrolýzy, stanovující, že množství vyloučené látky je přímo úměrné velikosti elektrického náboje a že za stejný čas vyloučené množství látky je v poměru svých chemických ekvivalentů. Tyto zákony jsou na jeho počest nazvány Faradayovými zákony.

Navrhl ve spolupráci s anglickým polyhistorem Williamem Whewellem (1794–1866) z cambridgeské Trinity College pro jednotlivé prvky, se kterými pracoval, názvy: ionty, katoda, anoda, kationty a anionty. Vycházel z řečtiny: kathodós je klesání, anódós je vzestup, ión je poutník. Původní návrh Faradayův pro anodu byl eisoda a pro katodu exoda.

Od r. 1836 spolupracoval s Trinity House, která odpovídala za bezpečnost dopravy kolem britských ostrovů. Pomáhal vylepšit výkonnost majáků a navrhl proto výfuk pro olejové lampy. Později navrhl konstrukci elektrického osvětlení majáků.

Zkonstruoval zařízení, nazvané Faradayova klec, kde i když na jejím plášti je elektrický náboj, uvnitř žádné nebezpečí nehrozí, což je princip automobilu při bouřce. V tomto roce se také stal členem senátu londýnské univerzity. V témže roce obdržel od britského premiéra Melbourna doživotní penzi ve výšce 300 liber ročně.

Roku 1839 začal publikovat výsledky svých bádání ve třísvazkovém díle „Pokusná bádání v elektrotechnice“ (Experimental Researches in Electricity), které vycházelo až do r. 1855.

V r. 1839 se nervově zhroutil, odjel se léčit do Švýcar, což mu pomohlo, ale v r. 1840 se zhroutil znovu a musel své aktivity velice omezit. Nejednalo se pouze o nervové zhroucení, ale přestaly mu i sloužit nohy, pohyboval se v té době jako jeho žena na pojízdném křesle. Stěžoval si také na ztrátu paměti.

Dělal spíše rutinní práci, která nevyžadovala soustředění. Pravděpodobně to bylo v důsledku otravy rtutí, což byl osud několika fyziků v 19. století, kteří pracovali s elektřinou. Možná to byl i důvod, proč manželé Faradayovi neměli žádné děti.

Avšak i během těchto let se Faraday vrátil ke své elektrické teorii.

V r. 1843 dokázal experimentálně zákon o zachování elektřiny.

V r. 1844 publikoval drobnou práci „Dohady, týkající se elektrické vodivosti a povahy látky“ (Speculation Touching Electrical Conduction and the Nature of Matter) a vycházel z toho, že vodivost je způsobena pohybem částic.

V létě 1845 dostal dopis od Williama Thomsona, pozdějšího lorda Kelvina (1824–1907), o otázce průchodu světla v magnetickém poli. Tehdy se jeho zdravotní stav natolik zlepšil, že pracoval opět naplno.

Faraday zjistil, že u některých látek, pokud jimi prochází polarizované světlo, a jsou v magnetickém poli, se stáčí rovina polarizace. Tento jev se nazývá Faradayovým jevem. Ale také měřil vlastnosti látek, které vkládal mezi elektrody kondenzátoru a došel k definici dielektrické konstanty. Rovněž zavedl pojem relativní permitivity, což je poměr kapacity kondenzátoru, vyplněného dielektrikem ke kapacitě stejného vakuového kondnzátoru.

V r. 1846 vydal článek „Úvahy o vibracích paprsků“ (Thoughts on Ray Vibrations), kde uvedl předpoklad elektromagnetické povahy světla.

Skutečnost, že magnetické síly působí na sklo, vnukla Faradayovi myšlenku, že magnetické síly mohou působit na jiné látky, nejen na železo, které se magnetuje podle magnetických siločár. Následovaly pokusy, které vedly k objevu diamagnetismu a paramagnetismu. Oba jevy jsou možné pouze v přítomnosti vnějšího magnetického pole. Diamagnetismus je jev,

kdy jsou látky magnetizovány proti směru magnetického pole a tím z tohoto pole vypuzovány. U paramagnetismu látky bez vnějšího pole magnetismus neudrží, protože směr magnetizace je vůči magnetickému poli kolmý. Tím došel k definování pojmu elektromagnetického pole.

Některé své pokusy předvedl na přání prince Alberta, manžela královny Victorie. V důsledku toho byl od r. 1848 odměněn možností bezplatného doživotního přebývání (těžko přeložitelné „dům královské milosti a přízně“ - Grace and Favour house) v paláci Hampton Courtu v domě Master Mason´s House, později na jeho počest nazývaným Faradayovým domem, Hampton Court Road č. 37.



Hampton Court

V této době byl ve své církvi starším, tj. osobou odpovědnou za kázání, jelikož tato církev neměla kněze. Když byl pozván na nedělní oběd ke královně, považoval za patřičné, tam jít, ale sbor starších ho na nějakou dobu funkce zbavil, dokonce se uvažovalo o jeho vyloučení z církve.

Vzhledem k jeho hluboké víře v Boha mu to pomáhalo vypořádávat se se zdravotními omezeními. Je zajímavé, že udržoval svou víru od vědy oddělené, i když byl přesvědčen, že vesmír obsahuje určité médium, které může přenášet elektřinu i magnetismus a další formy energie.

On sám se považoval za Boží nástroj a s tímto přesvědčením předkládal vědecké společnosti i závěry svých pokusů, s kterými mohla nesouhlasit. Ale vzhledem k jeho víře byl jeho projev – i přes nespisovnou výslovnost a špatnou gramatiku, velmi přesvědčivý.

Své výzkumné aktivity byl ale kvůli nemoci nucen omezit, ponechal si spolupráci s Trinity House a své vánoční přednášky, které byly určeny hlavně dětem a mládeži.

Na základě Faradayových objevů zformuloval matematicky skotský fyzik James Clerk Maxwell základní čtyři zákony elektrotechniky, které jsou nazývány Maxwellovými zákony.

Faraday se v padesátých létech vrátil k výzkumu skla pro teleskopické čočky a podílel se na přípravách na Velkou výstavu v r. 1851 v Londýně.

V r. 1853 vypukla Krymská válka a Faraday byl vyzván, ke spolupráci na vývoji bojových plynů, což odmítl.

Jeho přednášky byly stále hojně navštěvovány a jednu z nich navštívil v. r. 1855 princ Albert.

V r. 1857 Faraday odmítl nabídku předsednictví Královské společnosti a v r. 1858 šlechtický titul.

Radil londýnské Národní galerii ohledně čištění a hlavně zabezpečení galerijních sbírek a v r. 1857 byl i poradcem stavební komise galerie.

Své chemické a fyzikální pokusy zveřejnil v r. 1859 v díle „Pokusná bádání v chemii a fyzice“ (Experimental Researches in Chemistry and Physics).

Roku 1860 vyšla jeho publikace „O různých silách v přírodě a jejich vzájemný vztah“ (On the Various Forces of Nature and their Relation to each other). Popisoval v ní vztah mezi silou přitažlivosti a soudržnosti, mezi soudržností a chemickou slučivostí, mezi chemickou slučivostí a teplem. Dále psal o magnetismu a elektřině a pak o vzájemných vztazích těchto energií.

V r. 1861 vyšla jeho publikace „Chemická historie svíčky“ (Chemical History of Candle), což byl zápis série šesti přednášek pro děti, která se stala klasikou naučné literatury. V témže roce vyšla série dalších jeho přednášek „Kurz šesti přednášek o různých silách ve hmotě a jejich vzájemném vztahu“ (A Course of 6 lectures on the various forces of matter and their relations to each other). Téhož roku byl nucen přestat se všemi přednáškami.

V r. 1862 se vzdal i místa správce laboratoří v Královském institutu. Po Faradayově smrti byl vydán jeho laboratorní deník; pokud o sobě psal, psal ve 3. osobě jednotného čísla – „vzal drát“ – apod. Poslední pokus, který v životě udělal, na jaře 1862, neměl z důvodu nedostatku přesnějších přístrojů žádný výsledek – chtěl původně zjistit vliv magnetického pole na emisní spektrum plamene svíčky.

Jeho mentální schopnosti se pomalu vytrácely, poslední dva roky byly už živořením. Zemřel v Hampton Courtu 25. srpna 1867 a byl za pět dní na to pohřben v západní části hřbitova Highgate v Londýně.

Jeho pomník je v Londýně na Savoy Place a druhý – spíše moderní památník - je nedaleko místa jeho narození. Jsou po něm pojmenovány některé instituce i ulice. I my máme v Praze – Petrovicích jeho ulici. V Královském institutu je jeho muzeum obsahující jeho laboratoř a některé z přístrojů a pomůcek, které sám zkonstruoval.



Pomník na Savoy Place


Vedle již uvedených tří zákonů, Faradayova jevu a Faradayovy klece byla na jeho počest jednotka elektrické kapacity pojmenována farad.

Tento článek byl v Pozitivních novinách poprvé publikován 22. 09. 2011.