Michael Faraday - Thiên tài của ngành điện từ và điện hóa

Michael Faraday, FRS (22/9/1791 – 25/8/1867), là một nhà vật lý và hóa học người Anh (hay còn gọi là nhà triết học tự nhiên theo thuật ngữ thời đó), người đã có những đóng góp to lớn cho các lĩnh vực Điện từ học và Điện hóa học.

Faraday đã nghiên cứu về trường điện từ xung quanh dây dẫn có dòng điện một chiều, từ đó hình thành nên khái niệm trường điện từ trong vật lý, khái niệm này sau đó được James Maxwell phát triển thêm. Ông cũng đã khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện, nghịch từ và các định luật điện phân. Ông đã chứng minh rằng từ trường có thể ảnh hưởng đến ánh sáng. Những phát minh của ông về các thiết bị có điện trường quay đã đặt nền móng cho sự phát triển của động cơ điện và mở ra khả năng ứng dụng điện trong công nghệ.

Trong hóa học, Faraday đã phát hiện ra benzene, nghiên cứu các hợp chất clathrate hydrate, phát minh ra mẫu đèn Bunsen đầu tiên và hệ thống chỉ số oxy hóa, cùng với việc giới thiệu các thuật ngữ anode, cathode, electrode và ion.

Dù không được đào tạo bài bản và không biết nhiều về toán cao cấp như phép tính vi phân, nhưng Faraday vẫn trở thành một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất lịch sử. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng ông là nhà thực nghiệm xuất sắc nhất. Đơn vị SI của điện dung, farad, và hằng số Faraday, tương ứng với điện tích của một mol electron (khoảng 96.485 coulomb), đều được đặt theo tên ông. Định luật cảm ứng Faraday chỉ ra rằng sự thay đổi từ thông trong một khoảng thời gian sẽ tạo ra một suất điện động tỷ lệ.

Faraday là giáo sư hóa học Fullerian đầu tiên và xuất sắc nhất của Viện Hoàng gia Anh, giữ vị trí này cho đến cuối đời.

Albert Einstein treo ảnh Faraday trong phòng làm việc của mình, bên cạnh hình của Isaac Newton và James Clerk Maxwell.

Những năm tháng đầu đời

Faraday sinh ra ở Newington Butts, nay thuộc khu Southwark, Luân Đôn. Thời đó, đây là một khu ngoại ô của Surrey, cách cầu Luân Đôn một dặm về phía nam. Gia đình ông rất nghèo khó. Cha của ông, James, là thành viên của giáo phái Glassite. Năm 1790-1791, James cùng vợ và hai con rời Outhgill, Westmorland, nơi ông từng làm nghề rèn, đến Luân Đôn. Michael Faraday sinh ra vào mùa thu năm đó, là con thứ ba trong bốn người con. Ông chỉ được học những kiến thức cơ bản tại trường và phải tự học. Năm 14 tuổi, Faraday bắt đầu học việc tại cửa hàng đóng sách của George Riebau, nơi ông đã đọc rất nhiều sách trong suốt 7 năm. Ông say mê khoa học, đặc biệt là điện học, và lấy cảm hứng từ quyển Đàm thoại với Hóa học của Jane Marcet.

Năm 1812, ở tuổi 20, khi kết thúc thời gian học việc, Faraday đã tham dự các buổi thuyết giảng của nhà hóa học nổi tiếng Humphry Davy tại Học viện Hoàng gia và Hội Hoàng gia Luân Đôn. Ông có được vé nhờ William Dance, một trong những người sáng lập Hội yêu nhạc Hoàng gia. Sau đó, Faraday đã gửi cho Davy một cuốn sổ dày 300 trang ghi chép từ các buổi thuyết giảng. Davy trả lời ngay lập tức, rất cảm kích và nhiệt tình. Khi Davy bị chấn thương mắt do nitrogen trichloride, ông đã thuê Faraday làm trợ lý. Vào ngày 1 tháng 3 năm 1813, Faraday chính thức trở thành phụ tá hóa học tại Học viện Hoàng gia.

Vào thời đó, Faraday không được xem là thuộc tầng lớp thượng lưu Anh. Khi Davy thuyết giảng khắp châu Âu vào các năm 1813–1815, người giúp việc của ông từ chối đi cùng. Faraday được chỉ định làm phụ tá khoa học và đồng thời phải làm việc như người giúp việc cho Davy trong suốt hành trình. Vợ của Davy, Jane Apreece, không đối xử với Faraday như người ngang hàng, bắt ông ăn cùng người hầu và tránh cho ông tham gia các hoạt động của tầng lớp trên, khiến ông từng có ý định bỏ về Anh và từ bỏ khoa học. Tuy nhiên, chuyến đi đã giúp Faraday tiếp cận khoa học hàng đầu châu Âu và khơi nguồn cảm hứng sáng tạo.

Faraday là một tín đồ Cơ đốc giáo sùng đạo thuộc nhánh Sandemanian, một chi nhánh của giáo hội Scotland. Sau khi kết hôn, ông phục vụ trong nhà hội của giáo đoàn tại Paul's Alley, Barbican. Năm 1862, nhà hội chuyển đến Barnsbury Grove, Islington. Đây là nơi Faraday phục vụ trong hai năm cuối trước khi xin rút lui khỏi chức vụ.

Faraday kết hôn với Sarah Barnard (1800–1879) vào ngày 12 tháng 6 năm 1821. Hai người không có con. Họ gặp nhau trong giáo đoàn Sandemanian, và một tháng sau khi kết hôn, Faraday chính thức tuyên xưng đức tin trước giáo đoàn.

Những thành tựu khoa học

Lĩnh vực hóa học

Công việc hóa học đầu tiên của Faraday là làm trợ lý cho Humphry Davy. Faraday nghiên cứu riêng về clo và phát hiện ra hai hợp chất chloride của carbon. Ông cũng thực hiện thí nghiệm đầu tiên về sự khuếch tán khí, một hiện tượng mà John Dalton đã biết, nhưng tầm quan trọng của nó sau này được làm sáng tỏ bởi Thomas Graham và Joseph Loschmidt. Faraday đã thành công trong việc hóa lỏng một số khí, nghiên cứu hợp chất của thép và tạo ra các loại thủy tinh mới phục vụ mục đích quang học. Một mẫu thủy tinh nặng mà ông chế tạo đã dẫn đến phát hiện lịch sử khi nó làm xoay mặt phẳng ánh sáng phân cực trong trường điện từ, và là vật liệu đầu tiên bị đẩy bởi cực từ.

Faraday đã sáng chế ra đèn Bunsen, một loại đèn tiện dụng được dùng phổ biến trong các phòng thí nghiệm. Ông nghiên cứu nhiều lĩnh vực hóa học, khám phá benzene và hóa lỏng các loại khí như clo. Quá trình hóa lỏng này chứng minh rằng khí chỉ là dạng hơi của chất lỏng có điểm sôi thấp, củng cố khái niệm liên kết phân tử. Năm 1820, ông công bố các hợp chất tổng hợp đầu tiên của carbon và clo, C₂Cl₆ và C₂Cl₄, cùng với những phát hiện quan trọng khác trong các nghiên cứu tiếp theo. Faraday cũng xác định cấu trúc của chlorine clathrate hydrate, một chất do Humphry Davy phát hiện năm 1810.

Faraday đã khám phá ra các định luật điện phân và phổ biến các thuật ngữ như anode, cathode, electrode và ion, phần lớn do William Whewell đề xuất.

Faraday là người đầu tiên công bố phát hiện về hạt nano kim loại. Vào năm 1847, ông nhận thấy quang tính của nước vàng (gold colloid) khác với các kim loại thông thường. Đây được xem là nghiên cứu đầu tiên về tác động lượng tử, mở đường cho sự ra đời của công nghệ nano.

Điện và Từ học

Faraday nổi tiếng nhất với những thành tựu trong lĩnh vực Điện và Từ học. Thí nghiệm đầu tiên mà ông ghi chép lại là chế tạo pin volta bằng cách xếp 7 đồng xu với 7 tấm kẽm xen kẽ 7 miếng giấy tẩm nước muối. Với pin này, ông đã phân tích hợp chất Magnesi sulphat.

Năm 1821, ngay sau khi nhà khoa học người Đan Mạch Hans Christian Ørsted phát hiện ra hiện tượng điện từ trường, Davy và nhà khoa học người Anh William Hyde Wollaston đã cố gắng chế tạo một động cơ điện nhưng thất bại. Faraday, sau khi thảo luận với họ, đã chế tạo hai thiết bị cho phép tạo ra chuyển động quay nhờ từ trường xoay. Một thiết bị dùng dây dẫn được nhúng vào cốc thủy ngân với nam châm, và khi cấp điện, dây sẽ quay xung quanh nam châm. Đây là cơ sở cho động cơ đồng nhất, tiền thân của công nghệ điện từ hiện đại. Mặc dù Faraday không ghi nhận sự giúp đỡ của Davy và Wollaston, các phát minh này đã làm thay đổi mối quan hệ của ông với Davy và đẩy ông ra khỏi nghiên cứu điện từ trong vài năm.

Từ khám phá điện từ đầu tiên vào năm 1821, Faraday tiếp tục công việc thí nghiệm. Năm 1824, ông xây dựng một mạch để thử xem liệu từ trường có thể ảnh hưởng đến dòng điện trong dây dẫn gần đó hay không, nhưng không thành công. Trong nhiều năm tiếp theo, ông tập trung vào việc chế tạo kính quang học từ hợp chất chì boro-silicate. Sau khi Davy qua đời hai năm, Faraday vào năm 1831 đã công bố phát hiện về hiện tượng cảm ứng điện từ, đồng thời với khám phá tự cảm của Joseph Henry và công trình của Francesco Zantedeschi tại Ý.

Faraday đạt thành tựu lớn nhất khi quấn hai cuộn dây xung quanh một vòng kim loại và phát hiện rằng mỗi khi có dòng điện chạy qua một cuộn, dòng điện khác sẽ xuất hiện trong cuộn dây còn lại. Hiện tượng này được gọi là cảm ứng hỗ cảm. Dụng cụ này hiện vẫn được trưng bày tại Học viện Hoàng Gia. Ông cũng nhận ra rằng, khi di chuyển nam châm qua cuộn dây hoặc ngược lại, sẽ xuất hiện dòng điện. Đây là nền tảng của Định luật cảm ứng Faraday, được James Clerk Maxwell phát triển thành phương trình toán học, một phần của lý thuyết trường Maxwell.

Faraday sau này đã ứng dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để phát minh ra dynamo, tiền thân của máy phát điện hiện đại.

Năm 1839, Faraday hoàn thành bộ sách về các thí nghiệm liên quan đến bản chất của điện. Ông đã thử nghiệm với tĩnh điện, pin, và điện sinh học để tạo ra các hiện tượng như lực hút tĩnh điện, điện phân và điện từ trường. Faraday đi đến kết luận rằng không tồn tại các loại điện khác nhau, mà chỉ có một loại điện duy nhất, với các hiện tượng khác nhau phát sinh từ sự thay đổi về cường độ và điện thế.

Khi sự nghiệp của Faraday gần kết thúc, ông đề xuất rằng lực điện từ trường tồn tại ngay cả trong khoảng không xung quanh cuộn dây. Ý tưởng này ban đầu bị các nhà khoa học phản đối, nhưng sau đó được chứng minh là đúng. Những khái niệm về đường sức từ của ông đã giúp mở ra cách tiếp cận mới để quan sát dòng điện và từ trường, đóng góp lớn vào sự phát triển của công nghệ điện cơ trong cuối thế kỷ 19.

Hiện tượng nghịch từ

Năm 1845, Faraday phát hiện rằng nhiều vật liệu bị đẩy nhẹ bởi từ trường, hiện tượng này được ông gọi là nghịch từ.

Faraday cũng tìm ra rằng mặt phẳng của ánh sáng phân cực tuyến tính có thể bị xoay khi ánh sáng đi qua một từ trường ngoài. Hiện tượng này ngày nay được gọi là Hiệu ứng Faraday. Ông từng viết: 'Cuối cùng tôi đã thành công trong việc chiếu sáng đường cong từ hoặc đường lực và từ hóa các tia sáng.'

Cuối đời (năm 1862), Faraday đã dùng kính quang phổ để tìm kiếm sự thay đổi của ánh sáng dưới tác động của từ trường, nhưng thiết bị ông sử dụng chưa đủ nhạy. Về sau, Pieter Zeeman dùng dụng cụ tốt hơn, nghiên cứu hiện tượng này và công bố kết quả vào năm 1897, sau đó nhận giải Nobel Vật lý năm 1902. Zeeman đã nhắc đến thí nghiệm của Faraday trong cả công trình và bài phát biểu nhận giải của mình.

Lồng Faraday

Ngoại trừ cuốn Chemical Manipulation, các sách của Faraday đều là những bộ sưu tập các bài báo khoa học hoặc các bài giảng được ghi lại. Sau khi ông qua đời, nhật ký của Faraday đã được xuất bản, cùng với nhiều tập thư từ và nhật ký trong chuyến đi cùng Davy từ năm 1813 đến 1815.

• Faraday, Michael (1827). Chemical Manipulation: Hướng dẫn sinh viên trong ngành Hóa học. John Murray. Phiên bản 2 (1830), phiên bản 3 (1842)
• Faraday, Michael (1844). Experimental Researches in Electricity, vols. i. và ii. Richard và John Edward Taylor.; vol. iii (1855)
• Faraday, Michael (1859). Experimental Researches in Chemistry and Physics. Taylor và Francis. ISBN 0850668417
• Faraday, Michael (1861). W. Crookes (biên tập). A Course of Six Lectures on the Chemical History of a Candle. Griffin, Bohn & Co. ISBN 1425519741
• Faraday, Michael (1873). W. Crookes (biên tập). On the Various Forces in Nature. Chatto và Windus.
• Faraday, Michael (1932–1936). T. Martin (biên tập). Diary. Xuất bản trong 8 tập.
• Faraday, Michael (1991). B. Bowers và L. Symons (biên tập). Curiosity Perfectly Satisfyed: Faraday's Travels in Europe 1813-1815. Institution of Electrical Engineers.
• Faraday, Michael (1991). F. A. J. L. James (biên tập). The Correspondence of Michael Faraday. Vol. 1-4. INSPEC, Inc. ISBN 0863412483
• Faraday, Michael (2008). Alice Jenkins (biên tập). Michael Faraday's Mental Exercises: An Artisan Essay Circle in Regency London. Liverpool University Press.

• Rotator Faraday
• Máy phát điện Homopolar
• Định luật cảm ứng Faraday
• Faraday (Đơn vị điện tích)
• Farad (Đơn vị điện dung)
• Kỹ thuật pháp y
• Đường sức từ
• Hiệu ứng Zeeman
• Dòng thời gian công nghệ hydro
• Dòng thời gian công nghệ nhiệt độ thấp
• Nghịch lý Faraday
• Hans Christian Ørsted
• Lồng Faraday

Tham khảo

Tìm hiểu thêm

Tiểu sử

• Bence Jones, Henry (1870). Cuộc đời và Thư từ của Faraday. Philadelphia: J. B. Lippincott và Công ty.
• Cantor, Geoffrey (1991). Michael Faraday, Sandemanian và Nhà khoa học. Macmillan. ISBN 0-333-55077
• Gladstone, J. H. (1872). Michael Faraday. London: Macmillan.
• Hamilton, James (2002). Faraday: Cuộc đời. London: Harper Collins. ISBN 0-00-716376-2
• Hamilton, James (2004). A Life of Discovery: Michael Faraday, Khổng lồ của Cuộc cách mạng Khoa học. New York: Random House. ISBN 1-4000-6016-8
• Hirshfeld, Alan W. (2006). Cuộc sống Điện của Michael Faraday. Walker và Company. ISBN 978-0802714701
• Thompson, Silvanus (1901). Michael Faraday, Cuộc đời và Công việc của ông. London: Cassell và Công ty. ISBN 1-4179-7036-7
• Tyndall, John (1868). Faraday như là một Nhà phát hiện. London: Longmans, Green, và Công ty.
• Williams, L. Pearce (1965). Michael Faraday: Một Tiểu sử. New York: Basic Books.
• The British Electrical and Allied Manufacturers Association (1931). Faraday. R. & R. Clark, Ltd., Edinburgh.
• Agassi, Joseph (1971). Faraday như là một Nhà triết học Tự nhiên. Chicago: University of Chicago Press.
• Ames, Joseph Sweetman (Ed.) (17 tháng 9 năm 2024). Khám phá Dòng điện Cảm ứng. 2. New York: American Book Company.
• Gooding, David (Ed.) (1985). Faraday Rediscovered: Các bài luận về Cuộc đời và Công việc của Michael Faraday, 1791-1867. London/New York: Macmillan/Stockton.
• Thomas, John Meurig (1991). Michael Faraday và Viện Hoàng gia: Thiên tài của Con người và Nơi chốn. Bristol: Hilger. ISBN 0-7503-0145-7
• Russell, Colin A. (Ed. Owen Gingerich) (2000). Michael Faraday: Vật lý và Niềm tin (Seri Hình ảnh Oxford trong Khoa học). New York: Oxford University Press. ISBN 0-19-511763-8

Liên kết ngoài

Tiểu sử

• Tiểu sử tại Viện Hoàng gia Anh Lưu trữ ngày 12 tháng 3 năm 2004 trên Wayback Machine
• Faraday như một Nhà phát hiện bởi John Tyndall, Project Gutenberg (tải về)
• Đặc điểm Kitô giáo của Michael Faraday
• Michael Faraday trên tờ tiền hai mươi bảng Anh của Anh Lưu trữ ngày 13 tháng 12 năm 2011 trên Wayback Machine
• Cuộc đời và Những phát hiện của Michael Faraday bởi J. A. Crowther, London: Society for Promoting Christian Knowledge, 1920

Khác

• Thông báo của Michael Faraday về éter như một thuốc gây mê vào năm 1818 Lưu trữ ngày 22 tháng 5 năm 2011 trên Wayback Machine
• Hướng dẫn Java tương tác về Động cơ Faraday năm 1821 Lưu trữ ngày 15 tháng 9 năm 2010 trên Wayback Machine National High Magnetic Field Laboratory
• Hướng dẫn Java tương tác về Thí nghiệm Pail của Faraday Lưu trữ ngày 15 tháng 6 năm 2010 trên Wayback Machine National High Magnetic Field Laboratory
• 'Faraday' trên LoveToKnow Encyclopedia Britannica năm 1911
• Michael Faraday trên DMOZ
• Các tác phẩm của Michael Faraday tại Dự án Gutenberg (tải về)
• 'Nghiên cứu Thực nghiệm về Điện' của Michael Faraday Lưu trữ ngày 31 tháng 10 năm 2010 trên Wayback Machine Văn bản gốc với Giới thiệu Tiểu sử bởi Giáo sư John Tyndall, 1914, phiên bản Everyman.
• Video Podcast với Sir John Cadogan nói về Benzen kể từ Faraday Lưu trữ ngày 16 tháng 5 năm 2006 trên Wayback Machine
• Những lá thư của Faraday và Schoenbein 1836-1862. Với ghi chú, bình luận và tham khảo các thư từ đương thời (1899) tải về PDF đầy đủ

Mẫu: Các nhà khoa học mà tên của họ được sử dụng làm đơn vị SI Mẫu: Các nhà khoa học mà tên của họ được sử dụng trong các hằng số vật lý Mẫu: Những người nhận Huy chương Copley 1801-1850