Faraday-ren ekarpena

prev.gif (1231 bytes)home.gif (1232 bytes)next.gif (1211 bytes)

Elektromagnetismoa

Eremu elektro-
magnetikoaren historia
Filosofia eta Fisika
marca.gif (847 bytes) Faraday-ren ekarpena
Teoria modernoak
Motore elektrikoaren aitzindaria izan zen esperimentua

Indukzio elektromagnetikoa

Indar-lerroak

Bestelako deskubrimenduak

Naturaren indar guztiak elkartzea

 

Faraday-ren familia txiroa eta erlijiozalea zen eta elizan ikasia zuen Jaungoikoarenganako miresmena. Erlijio-sinesmenak eragin handia izan zuen bere lanean, zeren bere bizitzan eta bere ikerketa-lanean Jaungoikoa garrantzia handiko indarra baitzen.

Eskolan ez zituen urte askorik eman, eta gaztetatik lanean aritu izan zen liburuak koadernatzeko ofizioan. Royal Institution-era hitzaldiak entzutera joan ohi zen, eta horietako batean 1813 urtean Davy-k laborategiko laguntzaile gisa lan egitera gonbidatu zuen.

Hamar bat urtez bertan lan egin zuen eta kimikako hezkuntza zabala jaso zuen. Alde batetik, lanik berritzaileenak arreta handiz irakurri ahal izan zituen eta bestetik laborategiko tresnak eta materialak trebetasunez manipulatzen ikasi zuen; gerora bere bizitza osoan zeharreko ikerketetan garrantzi handikoak suertatu zitzaizkion.

1820 urtea aldera independizatu egin zen eta orduan bere karrera zientifiko luze eta oparoa abiatu zen. Ordutik Faraday-ren ekarpenak oso ugariak izan ziren: 30.000 esperimentu inguru burutu zituen eta bere egunkari eta idazkietan zehatz-mehatz deskribatu.

 

Motore elektrikoaren aitzindaria izan zen esperimentua

Faraday-k Oersted-en deskubrimendua aztertu zuen metafisika newtondarraren ikuspegitik, eta bere esperimentu guztiak errepikatu zituen. Horren ondorio gisa bere lehen deskubrimendua burutu zuen elektromagnetismoan, alegia, motore elektrikoaren oinarriak. Faraday-ren "errotazio elektromagnetikoak" Europa osoan zehar laster zabaldu ziren.

Eskema tradizionalaren arabera urrutiko indarrak zentralak ziren, baina Faraday-k bere esperimentuan espira batean, indar erradiala izan beharko zena, indar tangentziala lortu zuen. Hortaz, agerian geratu zen fenomeno elektromagnetikoak ezin zirela ikuspegi newtondarretik azaldu. Hortaz, berak esan zuen lehenengoz indar elektrikoak eta magnetikoak ezin zirela interakzio erradialaz esplikatu, nahiz eta Ampère, bere garaikidea, ahalegintzen ari zen interakzio guzti hauek ikuspegi newtondarrean oinarritutako hipotesiekin azaltzen, eta teoria matematiko bikain bat asmatu zuen korronteen arteko interakzioei buruzko ordurarteko emaitza esperimental guztiak esplikatzeko.

Gainera, teoria horrek ez zuen fenomeno elektrikoen eredu unitario bat ematen, izan ere, lege bat erabiltzen zen kasu estatikorako (Coulomb-en legea kargen arteko interakziorako) eta beste lege ezberdin bat korronte elektrikorako: baina zeinu bereko karga bi aldaratzen dira eta noranzko bereko korronte paralelo bi erakarri.

Faraday-k proposatutako teoria berrian eremu elektromagnetikoan indar eta materiaren arteko bereizketa desagertu egin zen, eta hipotesi berria garaitu zen, alegia indarrek sustantzia fisiko bera osatzen dutela.

Hona indarren ezaugarriak:

  1. Indar-puntu bakoitzak inguruko puntuei eragiten die soilik.

  2. Indarraren intentsitatea aldatzen bada, aldaketa hori propagatzeko denbora finitua behar da.

  3. Oinarrian, indar guztiak mota berekoak dira: ez dago bereizketarik indar elektrikoen, magnetikoen eta grabitatorioen artean, funtsean bakarrik indar-mota bakar baten aldakuntzak dira (ziur aski aldakuntza geometrikoak).

Faraday-ren metafisikaren gakoa da, berak uste duela eremuen teoriak fenomeno ororen azalpen osoa ematen duela. Beraz, gorputz solidoak, eremu elektrikoak eta objektuen masa azken batean itxurak besterik ez dira. Funtsezko errealitatea eremua da eta Faraday-ren helburua zen ustezko itxuren eta funtsezko errealitatearen arteko loturak aurkitzea.

 

Indukzio elektromagnetikoa

Faraday-k korronte induzituak deskubritzea ez zen zorizkoa izan. Helburu horren atzetik zenbait saiakera gauzatu zituen 1824 eta 1828 urteen artean, arrakastarik gabe, baina bere koadernoan idatzita deskribatu zituen. Bere itxaropenak hiru suposizio zituen oinarritzat, bi enpirikoak eta bat  filosofikoa:

  1. Elkarrekikotasun elektromagnetikoa.


  2. Korronte elektriko batek indar magnetikoak sortzen baditu, orduan indar magnetikoek ere korronte elektrikoa sortu behar dute.
     
  3. Paralelismo elektrostatiko-dinamikoa.


  4. Karga elektriko batek hurbileko eroale batean aurkako karga bat induzitzen badu, orduan, korronte elektriko batek eroale paralelo batean noranzko bereko korronte bat induzitu behar du.
     
  5. Metafisikoa.
    Naturako indarrak funtsean bat dira baina metamorfosia jasaten dute.

 

Faraday-k lehen aldiz detektatu zituen korronte induzituak 1831-ko abuztuaren 29an. Zirkuitu primarioko korrontea eten edo abiatzean soilik, alegia bateria konektatu eta deskonektatzean soilik, sekundarioan iraupen laburreko korronteak agertzen ziren. Erabilitako aparatua burdinazko eraztuna zen eta bobina bi, primarioa eta sekundarioa.

Gerora iman mugikorrekin induzitutako korronteak ere esperimentatu zituen: kartoizko zilindro batean isolatutako kobrezko haria harilkatu zuen (220 oin) eta hariaren bi muturrak galbanometro sentikor batean konektatu zituen. Iman zilindriko bat bobinaren barruan sartzen zuenean galbanometroaren orratza mugitu egiten zen, eta ateratzean orratza aurkako noranzkoan mugitzen zen. Indukzioaren fenomenoa deskubritzeaz Faraday-k magnetismoa elektrizitate bilakatzea lortu zuen, alegia Oersted-en esperimentua baina alderantziz.

Fenomeno hauek azaltzeko "egoera elektrotonikoa"-ren kontzeptua asmatu zuen, tentsio-egoera berezi bat, baina gerora baztertu egin zuen eta Maxwell-ek bere teorian berpiztu zuen potentzial bektore izenaz. Demostratu zuen ere bai, eremu magnetiko konstante batean mugitze hutsak ere indukzioa sortzen zuela. Baldintza hauetan aipatu zuen indukzioaren baldintza bakarra zela kableak eremu-lerroak moztu behar zituela. Kablearen zati bat eremu-lerro baten norabide berean mugitzen bada ez dago indukziorik, baina kableak eremu-lerroak mozten baditu eta zirkuituaren gainerako zatiek beste eremu-lerro ezberdinak mozten badituzte, orduan korronte induzitua sortzen dela.

Eremu-lerroak

Faraday-ren garaian, 1820 urtea aldera, eremu lerroak erabiltzen ziren soilik ezaugarri fisikoak ikusarazteko. Faraday-ren ekarpena izan zen eremu lerroak erabiltzea gutxiago ulertzen ziren beste fenomenoak ere aztertzeko, hala nola, indukzio elektromagnetikoa, deskarga elektrostatikoak edota fenomeno elektrokimikoak.

Faraday-k eremu-lerroen alde zituen argumentuak fisikoak ziren: paper baten gainean burdina-hautsa ipiniz eta azpian iman bat, irudikatzen diren kurbak eremu magnetikoaren lerroak deskribatzen dituzte. Horrek frogatzen du eremu-lerroak existitzen direla baina euren garrantzia handiagoa da. Esperimentu independente batez ere froga daiteke: kable bat justu eremu lerroen norabidean mugitzen bada korronterik ez da bertan induzitzen. Eremu-lerroak existitzen dira eta garrantzia dute.

Beste esperimentu gehiago ere gauzatu zituen teoria newtondarra baztertzen zuten aspektu zehatzak egiaztatzeko: esate baterako eremuen propagazioa denbora finituan gertatzen ote zen ala ez. Faraday-k ezin izan zuen sekula frogatu indar elektrikoak zein magnetikoak eremu-lerroen norabidean abiadura finituaz propagatzen direnik. Fenomeno elektrikoak azaltzeko kasu batzuetan eremuen teoria erabil daitekeela frogatu zuen, eta beste kasu batzuetan azalpen posibleak iradoki zituen. Natura osoa ulertzeko eredu bat ere iradoki eta adierazi zuen, eta horretan indar-eremutzat hartzen zuen unibertso osoa.

Beste deskubrimendu batzuk

Faraday-k beste deskubrimendu garrantzitsu batzuk ere gauzatu zituen, besteak beste efektu magneto-optikoa (gerora Faraday-efektua deritzona) eta diamagnetismoa, 1845 aldera. Lehenak eragin handia izan zuen Maxwell-engan bere argiaren teoria elektromagnetiko osoa garatzeko.

Efektu magneto-optikoa deskubritu zuen boro-silikato beira bat elektroiman baten poloen artean kokatu zuenean. Argi polarizatua beira horretan zehar pasarazten bada eta eremu magnetikoa abian bada, argiaren polarizazio-planoa errotatzen da. Esperimentu hau berau beste material batzuekin saiatuta zeukan (airea, zenbait kristal eta beira, eta abar), baina ez zuten fenomeno hori erakusten.

Elektrolisiaren esparruan ere, Faraday-k lege bat deduzitu zuen: disoluzio baten disoziazio kimikoa disoluzioan zehar pasatzen den elektrizitate kantitatearen zuzenki proportzionala da. Bere ustez, lege honek korronte elektrikoa eta konbinazio kimikoa arautuko zituen, baina berriz ere, ez zuen teoria zehatzik burutu lotura kimikoa eta elektrizitatea erlazionatzeko, ezta bere zergatiak azaltzeko.

 

Naturaren indar guztiak elkartzea

Faraday-k , Oersted-en eta Ampère-ren laguntzaz, elektrizitatearen eta magnetismoaren arteko erlazioa finkatu zuen. Era berean, elektrizitatearen eta kimikaren arteko erlazioak bideratu zituen bere elektrokimikaren legeen bitartez. Faraday-k 1834 urtean uste zuen indar horiek oso erlazionatuta zeudela eta izaera berekoak zirela.

Bere ustetan, indar guztiak (elektrikoak, magnetikoak, kimikoak, grabitatorioak, eta abar) funtsezko indar bakar baten distribuzio espazial ezberdinak baino ez ziren. Teoria horren arabera, indar guztiak elkartrukatu daitezke, alegia indar bat bestea bilaka daiteke, funtsean identikoak direlako. Esate baterako, Oersted-en deskubrimenduan indar elektrikoa magnetiko bilakatzen zen, eta horrek pentsarazi zion ez ote zen posible izango, alderantziz, magnetismoa elektrizitate bilakatzea. Geroago ere, magnetismoa argi bilakatzen saiatu zen eta elektrizitatea grabitate bilakatzen.

Horren ondoren, Faraday-k agindu zuen, indarrak ez zirela ez sortzen ezta ezabatzen. Bere garaikide asko ere ideia horren aldekoak  ziren, alegia "indarraren kontserbazioarena". Helmholtz-ek geroago energiaren kontserbazioaren teoria garatu zuen, baina Faraday-ren ereduan ez du esangura berdina, eta gainera ez zuen esplikatu nolatan lotzen den bere eremuen teoria orokorra indarren kontserbazioarekin.

Faraday-k indar guztiak elkartrukatu behar direla pentsatuz, eta baita indar-kantitate totala kontserbatzen dela, elektrizitatearen eta grabitazioaren arteko erlazioa bilatzen jardun zuen, baina arrakastarik ez zuen izan. Bazekien indar-mota bi horiek zeharo ezberdinak zirela: alde batetik, elektrizitatea hurbileko partikulen artean ematen da soilik, eta interakzioa denbora finituan propagatzen da, bestalde grabitatea urrutiko gorputzen artean ematen da eta instantean. Indar grabitatorioak gorputz biak lotzen dituen zuzenaren norabidea du eta ez da aldatzen bitarteko medioaren ezaugarriekin, aldiz, bai indar elektrikoak zein magnetikoak eremu-lerro kurboak dituzte eta medioaren arabera aldatzen dira. Elektrizitatean indar-mota bi daude: erakarleak eta aldaratzaileak, grabitatea ordea beti da erakarlea.

1849 urtean lehen esperimentuak burutu zituen, bobina bat erortzen utzita korronterik induzitzen ote zen ikertuz. Ez zituen emaitza positiborik lortu, nahiz eta bere esperimentuak oso teknika eta material zehatzekin gauzatu ziren: bobinaren nukleo gisa material-mota ezberdinak probatu zituen, erorketaren altuera ere handitu zuen, bobinaren ardatza bertikal mantentzen, eta abar. Bere esperimentuetan detektatu zuen korronte induziturik baina ez zen grabitateak induzitua, Lurraren eremu magnetikoak induzitua baizik. Bere esperimentuen porrotaren arrazoia izan zen, bere ustez, indar grabitatorioaren intentsitatea ez zela nahikoa aldatzen bobinaren erorketa abiatzen zen tokitik, dorre baten gailurretik, bukatzen zen tokiraino.

Bestelako esperimentuak ere gauzatu zituen, erakarpen grabitatorioa eta beroa erlazionatu nahirik, betiere, grabitazioa eta beste indarren bat erlazionatzeko itxaropenaz. Sinetsita zegoen indar ezberdinen arteko elkartrukatzeak funtsezko garrantzia duela zeruko zein lurreko fenomeno guztiak azaltzeko, hala nola, planetak, kometak, sumendiak, lurrikarak, eta abar.