Magneettiset kenttäviivat Faradayn ajattelussa

Laudaturtutkielma Fysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehto Magneettiset kenttäviivat Faradayn ajattelussa Tapio Penttilä 2008 Ohjaajat: Emer. prof. Kaarle Kurki Suonio Prof. Heimo Saarikko Tarkastajat: Emer. prof. Kaarle Kurki Suonio Prof. Heimo Saarikko HELSINGIN YLIOPISTO FYSIIKAN LAITOS PL 64 (Gustaf Hällströmin katu 2) 00014 Helsingin yliopisto

HELSINGIN YLIOPISTO - HELSINGFORS UNIVERSITET Tiedekunta/Osasto - Fakultet/Sektion Laitos - Institution Matemaattis-luonnontieteellinen Fysiikan laitos Tekijä - Författare Tapio Penttilä Työn nimi - Arbetets titel Magneettiset kenttäviivat Faradayn ajattelussa Oppiaine - Läroämne Fysiikka (Aineenopettajan suuntautumisvaihtoehto) Työn laji - Arbetets art Laudaturtutkielma Aika - Datum 2008 Sivumäärä - Sidoantal 67 Tiivistelmä Referat Tutkimuksessa tarkastellaan magneettisen kenttäviivan idean syntyä ja kehittymistä Faradayn ajattelussa Faradayn omien, sekundaarilähteissä siteerattujen kirjoitusten, kirjeenvaihdon, laboratoriopäiväkirjojen ja julkaisujen sekä niistä kirjallisuudessa esitettyjen tulkintojen valossa. Tärkeimpänä lähteenä on ollut L. Pearce Williamsin, Faradayn tutkijanuraa kattavasti esittelevä teos Michael Faraday (London: Chapman and Hall 1965). Muita lähteitä on käytetty tukena ja täydennyksenä. Tutkimus pyrkii pelkistämään kehityksen pääpiirteet ensi sijassa siitä, mitä Faraday itse kertoo magnetismia koskevista mielikuvistaan ja niiden perusteella tekemistään päätelmistä, siitä, millaisilla kokeilla hän testasi päätelmiään ja miten kokeet vaikuttivat hänen mielikuviensa kehittymiseen. Huomio kiintyy erityisesti siihen, miten mielikuvista seuraavien odotusten vastaiset koetulokset pakottivat häntä muokkaamaan mielikuviaan samalla, kun hän piti kiinni tutkimustaan ohjaavista pääperiaatteistaan, erityisesti kaikkien "voimien" perimmäisestä samuudesta ja siitä seuraavasta mahdollisuudesta muuttaa niitä toisikseen. Ensimmäisen perusvaiheen tässä kehityksessä muodostaa laaja ja monipuolinen induktiokokeiden sarja. Niiden perusteella Faraday päätyi esikvantitatiiviseen induktiolakiinsa, jonka mukaan johtimeen indusoituvan virran suunnan ja voimakkuuden määräävät johtimen asento ja nopeus, jolla se kulkee "voimaviivojen poikki". Tässä yhteydessä Faraday myös piirtää ensimmäisen kuvansa magneetin kenttäviivoista. Tämän jälkeen Faraday osoitti nerokkaalla koesarjalla, etteivät magneetin kenttäviivat liikukaan mukana magneetin pyöriessä, joten ne ovat magneetista riippumattomia. Näin heräsi ajatus kentästä uudenlaisena itsenäisenä "todellisena oliona". Induktiolaista tuli Faradaylle objektiivinen tapa havaita kenttäviivat. Tämän jälkeen kenttäviivoilla oli moniin Faradayn kokeisiin liittyvissä mielikuvissa aktiivinen vaikuttajan rooli, jonka avulla hän selitti kohdattuja uusia ilmiöitä. Ne aiheuttivat mm. valon polarisaatiotason kiertymisen aineessa, nk. Faradayn ilmiön. Ne ilmenivät aineen molekyylien välisenä nk. diamagneettisena jännityksenä, mielikuva, jonka testaaminen johti diamagnetismin toteamiseen aineessa yleisesti esiintyväksi ilmiöksi. Magnetismin kolme päälajia, dia- para- ja ferromagnetismin, Faraday selitti aineiden erilaisten magneettisten johtuvuuksien avulla. Kappaleessa, jonka johtavuus oli suurempi kuin ympäröivän aineen, kenttäviivat kasaantuivat, päinvastaisessa tapauksessa ne harvenivat. Tällä tavalla kenttäviivat välittivät erilaisia magneettisia vuorovaikutuksia. Magneettisten vuorovaikutusten poikkeuksellinen luonne oli Örstedistä lähtien hämmentänyt tutkijoita. Nyt Faraday oli kypsä toteamaan, ettei magnetismilla ollut napoja kuten sähköisellä vuorovaikutuksella ja gravitaatiolla. Kenttäviivoilla ei ollut alkua eikä loppua, vaan ne olivat umpinaisia käyriä. Induktiolakia Faraday käytti taas hyväkseen osoittaessaan, että kenttäviivat kulkivat myös magneetin sisällä lävistäen magneetin. Faradayn kokeet tarjoavat opetukseen kiintoisan esimerkin siitä, miten ratkaiseva merkitys fysiikassa on kvalitatiivisilla, ilmiöitä ja niiden riippuvuussuhteita tutkivilla kokeilla, joissa ei tarvita kaavoja. Avainsanat - Nyckelord Michael Faraday, kenttäviiva, magneettikenttä Säilytyspaikka - Förvaringställe Kumpulan tiedekirjasto Muita tietoja

Sisältö 1. Johdanto...2 2. Varhainen magnetismin tutkimus...5 3. Michael Faraday...7 3.1. Elämänvaiheita....7 3.2. Faraday tutkijana...9 4. Sähkön magneettiset vaikutukset...12 4.1. Alustavia havaintoja...12 4.2. Örstedin koe...14 4.3. Ampèren mallit...15 4.4. Magneettisten voimien poikkeuksellinen luonne...17 5. Magnetismista sähkövirtaa...20 5.1. Yrityksiä sähkövirran indusoimiseksi...20 5.2. 'Voiman' siirtymisen värähtelymalli...22 5.3. Sähkömagneettinen induktio...26 5.4. Magnetosähköinen induktio...30 6. Kenttäviivat astuvat kuvaan...33 6.1. Kenttäviivat ja induktiolaki...33 6.2. Kenttäviivojen itsenäisyys...36 6.3. Sähköiset kenttäviivat...39 7. Kenttäviivojen vaikutuksia valoon ja aineeseen...41 7.1. Kokeita sähkön ja valon yhteyden löytämiseksi...41 7.2. Faradayn ilmiö...42 7.3. Diamagnetismi...46 7.4. Diamagneettisten jännitysten ja kidevoimien suhde kenttäviivoihin...49 8. Kenttäviivojen todellisuus...55 8.1. Kenttäviivat ja magneettinen johtavuus...55 8.2. Kenttäviivat vuorovaikutusten välittäjinä...57 8.3. Kenttäviivat löytävät muotonsa...60 9. Pohdinta...65 9.1. Magneettisen kenttäviivan idean kehitys...65 9.2. Faraday ja fysiikan opetus...67 Lähteet...69

1. Johdanto Ratkaisevan sysäyksen tähän tutkimukseen antoi tekijän vierailu Lontoon Faraday-museossa kesällä 2001. Erityisesti Faradayn magneettisia tutkimuksia esittelevä kokoelma teki vaikutuksen. Tekijän työstä fysiikanopettajana ja vierailun aikana käynnissä olleesta täydennyskoulutuksesta johtuen museon näyttelyä tuli tarkastelluksi erityisesti fysiikan opetuksen näkökulmasta. Kentän käsitettä pidetään yleisesti yhtenä peruskoulun vaikeimpia fysiikan käsitteitä samalla, kun sen omaksuminen on välttämätöntä ainetta, säteilyä ja näiden vuorovaikutuksia käsittelevän fysiikan ymmärtämisen perustana. Sähkömagneettinen induktio taas on 'kautta aikojen' osoittautunut vaikeaksi lukiossa, ja sitä koskevat kysymykset ovat olleet abiturienttien kompastuskivenä ylioppilastutkinnon fysiikan kokeessa. Niinpä aihe rajautui kuin itsestään koskemaan Faradayn magneettisia tutkimuksia. Tavoitteeksi asetettiin kenttäviivan idean ja kentän käsitteeseen johtavan kehityskulun pelkistäminen Faradayn tutkimuksia esittelevästä kirjallisuudesta, etsien samalla vaikutteita ja aineistoa, jonka avulla fysiikan opetusta voitaisiin rikastuttaa ja motivoida. Tutkimuksessa pyritään löytämään kenttäviivan idean kehittymisen punainen lanka tai juoni tarkastelemalla erityisesti, miten Faraday itse kuvailee magnetismia koskevia mielikuviaan, miten hän päättelee niistä erilaisia havaittavia seuraamuksia, miten hän testasi tällaisia ennusteitaan kokeellisesti ja miten kokeiden tulokset, usein odotusten vastaiset, vaikuttivat mielikuvien kehittymiseen. Työ on kirjallisuusanalyysi. Sen tärkein lähdeteos on L. Pearce Williamsin Michael Faraday (Williams 1965), joka kuvaa kattavasti ja perusteellisesti Faradayn uraa tutkijana, hänen johtoajatuksiaan ja vuorovaikutustaan maailman senaikaisen tutkijayhteisön kanssa. Teos perustuu Faradayn omiin kirjoituksiin, kirjeenvaihtoon, muistiinpanoihin, tutkimuspäiväkirjaan ja julkaisuihin, joita se siteeraa hyvinkin yksityiskohtaisesti. Tehtävä osoittautui odotettua vaikeammaksi. 'Punaisen langan' pelkistämistä ja sen saattamista nykyaikaisen koulufysiikan avulla ymmärrettävälle kielelle vaikeuttivat sekä 2

Faradayn että Williamsin esitystavat. Faradayn kirjoitusten kieli ei tietenkään käytä nykyaikaista fysiikan terminologiaa, vaikka Faraday itse on ollut sitä luomassa. Sen lisäksi se on usein varsin viitteellistä. Lukijalle jätetään arvattavaksi, esimerkiksi koejärjestelyistä, paljon sellaisia olennaisia yksityiskohtia, joita Faraday piti itsestään selvänä. Sama koskee Faradayn piirroksia. Williams taas kuljettaa koko ajan läpi Faradayn kaikkia erilaisia tutkimuslinjoja, jotka lomittuvat monimutkaisella tavalla tässä etsityn linjan kanssa. Hän käy myös läpi senaikaisen ajattelun kaikki mahdolliset harhapolut, erityisesti Faradayn omat, joista tekijän oli yritettävä poimia ne, jotka edistivät nimenomaan kenttäviivaidean muotoutumista. Muista lähteistä etsittiin tukea tulkinnoille. Eri lähteiden tulkinnat Faradayn ajatusten etenemisestä ja asioiden tapahtumajärjestyksestä, ovat kuitenkin erilaisia, toisinaan jopa ristiriitaisia, joten tekijän oli monessa kohdassa ratkaistava oma tulkintansa sen mukaan, mikä tuntui selvimmin palvelevan pääajatuksen etenemistä. Aluksi luvussa 2 hahmotellaan lyhyesti kuvaa Faradayn ajan tutkimuksen lähtökohdista. Tarkastellaan magnetismin tutkimuksen varhaisvaiheita sen selvittämiseksi, millainen oli tutkimuksen ja tietämyksen tila Faradayn aikana ja mitä silloin tiedettiin magnetismista. Luvussa 3 pyritään rakentamaan yleiskuvaa Faradayn henkilökohtaisista taustoista ja ajattelutavoista esittelemällä lyhyesti hänen elämänkaartaan tutkijana ja keksijänä. Tarkastellaan, miten Faradaystä kehittyi tutkija ja millainen oli hänen suhteensa ympäristöön, muihin tutkijoihin ja millaisissa olosuhteissa hän työskenteli. Kuvataan hänen keskeisiä tutkimusalueitaan ja luonnehditaan hänen filosofisia käsityksiään, jotka ohjasivat myös tässä tarkasteltavia tutkimusideoita. Luvut 4 8 käsittelevät tämän jälkeen vaiheittain Faradayn magnetismia koskevien mielikuvien kehittymistä. Keskitytään kuvaamaan, miten Faraday teki mielikuvista seuraavia päätelmiä ilmiöistä ja niiden välisistä syysuhteista ja millaisia kokeita hän suunnitteli ja toteutti näiden ennusteiden testaamiseksi ja mitä koetulokset vaikuttivat näihin mielikuviin. Samalla kiinnitetään huomiota näiden kokeiden "sivutuotteina" syntyneisiin merkittäviin keksintöihin, jotka loivat sähköteknologian perustan mutta joiden kehittämisestä toimiviksi "kaupallis-teknologisiksi innovaatioiksi" Faraday itse ei kuitenkaan ollut kiinnostunut. 3

Kehityksen pääkohtina käydään läpi sähkön magneettisten vaikutusten sekä sähkömagneettisen ja "magnetosähköisen" induktion tutkimukset, joissa kenttäviivan käsite ja ajatus kentästä itsenäisenä "oliona" varsinaisesti syntyivät, tutkimuksia, joissa Faraday tarkasteli kenttäviivojen optisia vaikutuksia ja niiden roolia magnetismin vaikutuksissa erilaisiin aineisiin ja jotka varmistivat käsityksen kenttäviivojen ja kentän todellisesta olemassaolosta ja lopulta tutkimuksia, joilla Faraday selvitti magneettisen vuorovaikutuksen luonnetta ei-polaarisena vuorovaikutuksena ja osoitti kenttäviivat umpinaisiksi käyriksi. Pohdinnoissa luodaan ensin tiivistetty katsaus magneettisen kenttäviivan idean syntymiseen ja kehittymiseen Faradayn tutkimuksen eri vaiheissa. Lopuksi tarkastellaan mahdollisuuksia ja vaikutteita, joita esitetyt Faradayn tutkimukset tarjoavat fysiikan kouluopetuksen kehittämiseen ja sen kiinnostavuuden lisäämiseen. 4

2. Varhainen magnetismin tutkimus Kiinassa havaittiin jo vuonna 200 ekr. magneettimalmin ominaisuudet. Pian opittiin, että rautaesine magnetoitui, kun sitä hangattiin magneettisella malmilla. Kiinalaiset ennustajat tekivät valtiollisista asioista johtopäätöksiä pöydälle heitettyjen erilaisten esineiden perusteella. Osa esineistä oli magneettisia. Vähitellen havaittiin, että lusikan muotoisen esineen varsi osoitti usein etelään. Tällaista magneettista lusikkaa kuvaili WANG CHUNG 80 jkr. Sitä esittävä kivireliefi vuodelta 114 jkr. on vielä tallella. Museoissa on useita tällaisia tuhannen vuoden takaisia kompasseja. Lusikka oli käytössä vielä 900-luvulla. (Lindell 1994, 27 28; Saarikko 2001a, 29.) Kompassin muoto kehittyi edelleen, koska lusikkaa oli hankala käyttää liikuttaessa. Kelluvia kompasseja käytettiin ensin rakennusten suuntaamiseen ilmansuuntien mukaan. Navigoinnissa käytettäviä neulakompasseja valmistettiin noin 600 700-luvulta alkaen. Arabialaiset kauppiaat käyttivät ilmeisesti jo 300-luvulla purjehduksen navigointiin kompassia. Kiinalaiset ovat käyttäneet suunnistamiseen varmuudella kompassia 900-luvulta lähtien. Samoihin aikoihin osattiin myös siellä magnetoida rautatanko kuumentamalla ja jäähdyttämällä se pohjois-eteläsuunnassa. Kiinassa keksittiin teräsneulan magnetointi noin 500-luvulla. Deklinaatio ja magneettien napaisuus tunnettiin jo 700 800-luvulla (Lindell 1994, 28 29; Saarikko 2001a, 29.) Myös antiikin kreikkalaiset tunsivat magneettikivet. Sanan "magneetti" selitetään yleisesti saaneen alkunsa Vähässä-Aasiassa sijainneesta Magnesia nimisestä kaupungista. Kaupungin lähellä oli magnetiittimalmia. Nimen synty on kuitenkin epäselvä. PLINIUS esittää Luonnonhistorian kirjassaan, että paimen nimeltä Magnes keksi magneettikiven. Kun paimen paimensi karjaa vuorella, huomasi hän sandaaliensa rautanaulojen tarttuvan kiveen, ja paimensauvan rautakärki tarttui kiveen. Kreikkalaisen filosofi THALES kuvaili ensimmäisenä kreikkalaisena magneettisia ominaisuuksia noin 550 ekr. Roomalainen LUCRETIUS (95 55 ekr.) kuvasi kirjassaan magneettikiven ominaisuuksia. Hänen mielestään magneettisen kappaleen vetovoima syntyy, koska kappaleesta lähtevä atomien virta karkottaa ilman raudan ja magneetin väliltä. Tällöin syntyvä tyhjiö vetää kappaleet yh- 5

teen. Lucretius ei kuitenkaan näytä tunteneen magneettisia napoja.(lindell, 1994, 29 30.) Kompassia eivät tunteneet antiikin kreikkalaiset ja roomalaiset. Eurooppalaiset oppivat kompassin käytön todennäköisesti arabeilta. Eurooppalaiset käyttivät kompassia meren kulussa 1100-luvulta lähtien. Tarkkaa tietoa siitä, milloin kompassi tuli Eurooppaan, ei ole. Se kuitenkin tunnettiin kaikkialla jo 1200-luvulla, ja kompasseista oli siihen aikaan runsaasti kirjoituksia. (Lindell 1994, 30 31.) PETRUS PEREGRINUS tutki magnetismia vuoden 1269 tienoilla käyttäen osaksi kokeellisia menetelmiä. Häneltä on ilmeisesti peräisin magneettinapojen käsite, sekä niiden määrittäminen magneettikivestä. Lisäksi uutta lienee havainto, ettei magneettinapoja voi esiintyä yksinään ja että kun magneetti katkaistaan kummallekin osalle muodostuu omat navat. ( Lindell 1994, 38; Saarikko b2001, 3.) Englannin kuninkaan hovilääkäri WILLIAM GILBERT (1544 1603) esitti tutkimuksiaan vuonna 1600 julkaistussa kirjassaan De Magnete, magneticisque corporibus et de magno magnete tellure. Gilbert päätteli kokeellisten tutkimusten perusteella, että maapallo itsessään on magneetti. Hän kehitti kompassin teoriaa ja tutki magneettisia veto- ja poistovoimia, katkaistujen magneettien napoja ja inklinaatiota. (Lindell 1994, 33; Saarikko b2001, 3.) 6

3. Michael Faraday 3.1. Elämänvaiheita. MICHAEL FARADAY syntyi Lontoon esikaupungissa 22.9.1791 sepän poikana ja sai ainoastaan alkeellisen koulusivistyksen. 13-vuotiaana hän pääsi kirjakauppaan kirjakauppiaan ja kirjansitojan apulaiseksi seitsemäksi vuodeksi. Työpaikka antoi oppipojalle koulutuksen kirjansitojaksi, mutta kirjoja sitoessa ja järjestellessä tarjoutui mahdollisuus myös kirjojen lukemiseen. Faraday luki yleistajuisia kemian ja fysiikan kirjoja. Erään saarnamiehen kirja, The improvement of mind, sisälsi itseopiskelun ohjeita. Eräs kirjan neuvo, kokeiden tarkka muistiin merkitseminen, vaikutti Faradayn myöhempään tieteelliseen toimintaan. Hän alkoi tehdä muistiinpanoja kokeistaan ja pyrki toistamaan kokeet huolellisesti ennen tulosten esittämistä. (Niinistö 1991, 820; Lindell 1994, 147 148.) J. TYTLERIN kirjoittama artikkeli tietosanakirjassa Encyclopedia Britannica rohkaisi Faradaytä omaperäiseen ajatteluun. Tytler esitteli artikkelissaan sähköstä käsityksen, joka poikkesi normaalista. Hän esitti sähkölle värähtelyyn perustuvan mallin hyläten sekä kaksi- että yksisähköteorian. Faraday alkoi tehdä kokeita hankaussähköllä ja Leydenin pullolla. Laitteet hän teki itse tai hankki omilla rahoilla. JANE MARCETin kirjoittama teos Conversation on Chemistry innosti Faradayn hankkimaan laboratorioonsa koelaitteita. (Niinistö 1991, 820; Lindell 1994, 147 148.) Vuonna 1810 Faraday liittyi Lontoossa toimivaan seuraan The City Philosophical Society, joka tarjosi tieteestä kiinnostuneille nuorille miehille. mahdollisuuden keskusteluihin, esitelmiin ja kirjallisuuden lukemiseen. Tämä antoi lopullisen sysäyksen Faradayn tiedemiesuralle. (Niinistö 1991, 820; Lindell 1994, 147 148.) Lokakuussa vuonna 1812 Faraday oli valmis kirjansitoja. Mutta hän ei ollut tyytyväinen ammattiinsa vaan halusi siirtyä tieteen palvelukseen. Mahdollisuus siirtyä tieteen palvelukseen tarjoutui, kun eräs kirjakaupan asiakas antoi lipun Royal Instutionin esitelmäsarjaan. Tällöin hän pääsi kuulemaan SIR HUMPHREY DAVYN esitelmiä kemiasta. Faraday kirjoitti esitelmät muistiin ja lähetti ne puhtaaksi kirjoitettuina ja sidottuina Davylle pyytäen samalla työpaikkaa yhdistykseltä. Hän pääsi Davyn assistentiksi maaliskuussa 1813, kun entinen assistentti oli saanut potkut huonon käytöksen vuoksi. Faradayn työ- 7

tehtäviin kuului auttaa luentojen demonstraatioiden valmistelussa, huolehtia laboratorion laitteista sekä valmistaa kemikaaleja. (Niinistö 1991, 820; Lindell 1994, 149 150.) Useiden kuukausien työskentely Davyn apulaisena opetti Faradaylle laboratoriotyöskentelyn taitoja. Vuonna 1813 Davy kutsui hänet apulaisekseen kiertomatkalleen mannermaalle. Matka suuntautui Ranskaan, Sveitsiin, Italiaan ja Saksaan, ja se kesti melkein kaksi vuotta. Matkan aikana Faradayllä oli mahdollisuus tutustua aikansa tunnetuimpiin tiedemiehiin sekä vierailla tutkimuslaboratorioissa Pariisissa, Roomassa, Firenzessä ja monissa muissa kaupungeissa. Siten matka oli hänelle todellinen opintomatka. Matkan aikana vuonna 1816 syntyi Faradayn ensimmäinen tieteellinen julkaisu, joka käsitteli Toscanan kalkkikiven analyysia. (Niinistö 1991, 820; Lindell 1994, 150 151.) Lontooseen palattuaan Faraday pääsi Royal Institutioniin laitteiden superintendentiksi ja samalla laboratorio- ja mineralogisten kokoelmien assistentiksi. Vuonna 1821 hänet ylennettiin instituutin ylitarkastajan virkaan ja vuonna 1825, Davyn siirryttyä eläkkeelle, laboratorion johtajaksi. Vuonna 1826 Royal Institution antoi Faradaylle vapauden tutkia ilman velvoitteita, ja vuonna 1833 hänestä tuli JOHN FULLERIN yksityisen lahjoituksen turvin ensimmäinen Fullerian Professor of Chemistry. ( Niinistö 1991, 820; Lindell 1994, 151 152; Cantor, Gooding & James 1996, 10.) Kuva 1. Julkaisut Faradayn pitämästä luennosta. 8

Faraday luennoi itse ja järjesti perjantaisin Royal Institutionissa iltaluentoja. Luentoja oli vuosina 1835 62 lähes sata ja niiden keskimääräinen kuulijakunta ylitti 600:n rajan. Erityisen kuuluisia olivat nuorille tarkoitetut Joululuennot, joiden perinne jatkuu yhä Royal Institutionissa. Vuonna 1861 Faradayn pitämä luento The Chemical History Of a Candle käännettiin useille kielille, mm. suomeksi ja japaniksi (Kuva 1). (Niinistö 1991, 822.) Vaatimattomuus ja velvollisuudentunto olivat luonteenpiirteitä, jotka monet Faradayn elämän kerran kirjoittajat ovat liittäneet häneen. Kuitenkin hän oli toisaalta varsin arka tutkijankunniastaan ja kävi toisinaan kiivastakin kirjeenvaihtoa puolustaakseen prioriteettiaan löytämiinsä uusiin ilmiöihin ja lakeihin. (Williams 1965, 201 202; Niinistö 1991, 822.) Faraday kuului pieneen Sandemanin uskonlahkoon toimien myös seurakunnan luottamistehtävissä. Siirryttyään eläkkeelle vuonna 1862 Faraday asui Hampton courtin talossa, jonka kuningatar Viktoria oli antanut hänen käyttöönsä. Faraday kuoli 25.8.1867. (Niinistö 1991, 822.) 3.2. Faraday tutkijana Faraday oli ensisijaisesti kokeellinen tutkija. Häntä jopa moitittiin siitä, että hänen matemaattiset taitonsa olivat puutteelliset. Jo nuoruusvuosinaan Faraday ilmaisi oman suhtautumisensa kokeellisuuteen. Hänelle oli välttämätöntä osoittaa väite oikeaksi tai vääräksi kokeellisesti. Hän kirjoitti ystävälleen: I was never able make a fact without seeing it. How terrified I should be to set about learning science from books only." ("En koskaan kyennyt hyväksymään tosiasiaa näkemättä sitä. Miten kauhistunut olisin, jos joutuisin oppimaan tiedettä ainoastaan kirjoista.") (Niinistö 1991, 822; Hirshfeld 2006, 145 146, 219.) Järjestys oli Faradayn tieteellisessä ajattelussa tärkeä näkökulma: Jumala on luonut maailmankaikkeuden virheettömät lait, ja ymmärtääkseen nämä lait tiedemiehen on luotava täsmällinen ympäristö. Tiede veti Faradaytä puoleensa osittain juuri siksi, että siinä, toisin kuin politiikassa, oli rauha ja järjestys. Erityisesti hän käsittelee järjestyksen 9

merkitystä päiväkirjassaan Diary, jota hän kirjoitti yli kolmekymmentä vuotta. (Cantor ym. 1994, 24.) Faradayn sähköopillisten ja sähkökemiallisten kokeiden kuvaukset ilmestyivät teoksessa Experimental Researches in Electricity (1839 1855), ja varsinaisia kemiallisia töitä hän esitteli teoksessa Experimental Researches in Chemistry and Physics (1859). Nämä teokset osoittavat, että Faraday siirtyi tutkimuksissaan puhtaasta kemian syntetiikasta ja analytiikasta kohti sähkökemiaa ja fysiikkaa. Hänen kemian tutkimustensa saavutuksiin voidaan lukea bentseenin löytö, ensimmäinen kloorin nesteytys vuonna 1823 ja myös ensimmäinen kloorihydraatin valmistus sekä ensimmäiset hiilen ja kloorin binääriset yhdisteet: Cl2Cl4 ja C2Cl6. Vuonna 1827 Faraday julkaisi kemian työmenetelmiä kuvaavan teoksen Chemical Manipulation, joka käännettiin useille kielille. Teoksessa ei ole yhtään kemiallista kaavaa, sillä Faraday oli epäluuloinen Daltonin atomioppia kohtaan. (Niinistö 1991, 820 821; Lindell 1994, 151.) Faradayn merkittävimmät keksinnöt liittyvät sähköön ja magnetismiin. Tanskalainen HANS CHRISTIAN ÖRSTED (1777 1851) keksi vuonna 1820 sähkövirran magneettisen vaikutuksen. Seuraavana vuonna Faraday keksi sähkömagneettisen rotaattorin, jota voidaan pitää ensimmäisenä sähkömoottorina. Keksintö ei kuitenkaan johtanut käytännön sovelluksiin. Kuten Faraday kirjoitti muistiinpanoihinsa, sovellukset eivät häntä kiinnostaneet, hän tutki oppiakseen ymmärtämään ilmiöitä. Sähkömagneettisen induktion Faraday keksi vuonna 1831. Tämän ilmiön keksimisellä oli valtaisa käytännön merkitys, sillä muuntajat ja generaattorit perustuvat Faradayn esittämään periaatteeseen. Myös sähköisessä suojauksessa käytetty ns. Faradayn häkki perustuu induktioilmiöön. (Niinistö 1991, 821.) Cambridgen yliopiston matemaatikko JAMES CLERK MAXWELL (1831 79) kiinnostui Faradayn tutkimuksista ja täsmensi hänen tuloksensa vuosina 1855 62 matemaattiseen muotoon esittämissään Maxwellin laeissa, jotka ovat kaikkien makroskooppisten sähkömagneettisten ilmiöiden yhteiset peruslait. (Niinistö 1991, 822.) Faradayn elektrolyysia koskevat lait ja monet hänen käyttöön ottamansa nimitykset kuten elektrodi ja elektrolyytti ovat tuttuja kaikille kemian ja fysiikan opiskelijoille alan oppikirjoista. Hän kehitteli myös mittalaitteita sähkökemiallisia mittauksia varten kuten 10

voltametrin. Hän jätti kuitenkin usein laitteiden jatkokehittelyn muille tutkijoille ja käytti myöhemmin itsekin laitteiden parempia versioita. Faraday havaitsi polarisoidun valon värähtelytason kääntyvän magneettikentässä. Ilmiötä kutsutaan Faradayn ilmiöksi. Faraday luokitteli aineet dia- ja paramagneettisiksi sen perusteella, miten ne käyttäytyivät magneettikentässä. Hän otti käyttöön myös käsitteen dielektrinen permeabiliteetti. (Niinistö 1991, 221.) Faraday oli monella tavalla edelläkävijä. Hän uskoi saksalaisen filosofin IMMANUEL KANTIN tavoin, että kaikki luonnonvoimat kuten sähkö, magnetismi, valo, lämpö, ääni, jne., ovat yhden ja saman voiman eri ilmenemismuotoja. Koska voimilla oli perimmäinen yhteys, niin ne pitäisi voida muuntaa toisikseen. Tässä on selväsi alullaan energian käsitteen muodostuminen, ajatus energian lajeista ja jopa energian säilymislaista, jotka yhdistävät toisiinsa kaikkia luonnon ilmiöalueita. Energian säilymisen periaatteen esitti Hermann von Helmholtz vuonna 1847 kirjassaan Voiman säilymisestä" (Über die Erhaltung der Kraft.) Hän siis vielä käytti sanaa voima" (die Kraft) energian merkityksessä. Sana 'energia' tuli yleiseen käyttöön vasta 1850-luvulla. Faraday ajatteli myös, että kaikki näkyvän maailman voimat aiheutuivat kahdesta perusvoimasta, joista toinen oli vetovoima ja toinen poistovoima. Tässä ajatuksessa taas voidaan nähdä idullaan nykyaikaisen teoreettisen fysiikan pyrkimys yhdistää kaikki vuorovaikutukset yhden ainoan perusvuorovaikutuksen ilmenemismuodoiksi ja luoda näin kaikki ilmiöt yhdistävä "kaiken teoria". Käsitys voimien muuntumisesta ohjasi paljolti Faradayn kokeellista tutkimusta, ja monet hänen kokeistaan olivat ilmiöalueiden yhteyksien etsimistä. Örstedin kokeen jälkeen hän ryhtyi etsimään käänteistä ilmiötä magnetismin sähköistä vaikutusta. Vuonna 1822 hän kirjoitti muistikirjaansa muunna magnetismia sähköksi. Edellä mainittu Faraday ilmiön löytyminen merkitsi magnetismin vaikutusta valoon. Faraday teki turhaan kokeita sähkön synnyttämiseksi valon avulla. Vielä vuonna 1858 hän etsi gravitaation ja sähkön välistä yhteyttä.(williams 1965, 62, 64, 409 410; Thomas 1991, 67, 74; Lindell 1994, 106, 153, 162, 166; Cantor ym. 1996, 76 77.) Faraday hylkäsi eetterin käsitteen. Puhuessaan kentästä hän rinnasti sähkökentän, magneettikentän ja painovoimakentän. Faraday ajatteli, että avaruudessa leviää magneettisia, sähköisiä ja gravitaation kenttäviivoja, joiden välityksellä voimavaikutus eteni vä11

rähtelyinä. Hän esitti, että valo voisi levitä värähtelynä kenttäviivojen välityksellä. (Williams 1965, 459; Hirshfeld 2006, 167.) 4. Sähkön magneettiset vaikutukset Sähkövirran magneettisten vaikutusten löytyminen ja niiden ensimmäiset tutkimukset antoivat Faradaylle ratkaisevan sysäyksen magnetismin tutkimukseen. Erityinen merkitys oli tanskalaisen HANS CHRISTIAN ÖRSTEDin tekemillä kokeilla ja ranskalaisen ANDRÉ MARIE AMPÈREn esittämällä mallilla näiden vaikutusten selittämiseksi. FARADAYN tutkimukset selvittivät magneettisen vuorovaikutuksen 'poikittaisen' luonteen, joka oli täysin erilainen kuin siihen asti tunnetuilla suoraviivaisilla veto- ja poistovoimilla. Tämä tulos johti vallankumoukselliseen keksintöön, magneettiseen rotaattoriin, joka oli ensimmäinen tunnettu menetelmä synnyttä jatkuvaa liikettä sähkövirran ja magnetismin avulla. 4.1. Alustavia havaintoja Vielä 1800-luvun alussa sähköä ja magnetismia pidettiin toisistaan riippumattomina luonnonilmiöinä. WILLIAM GILBERT oli kirjassaan esittänyt, että sähkö ja magnetismi olivat yhtäläisyyksistä huolimatta kaksi eri luonnon voimaa. Vuonna 1759 FRANZ AEPINUS oli turmaliinikokeiden perusteella päätellyt, että sähkö ja magnetismi noudattivat samoja matemaattisia lakeja. CHARLES AUGUSTIN COULOMB osoitti tämän kokeellisesti vuonna 12

1785, mutta piti sähköä ja magnetismia eri voimina. Hänen arvovaltansa aiheutti, ettei asiaa paljon tutkittu. (Lindell 1994, 103.) Kuitenkin sähkön ja magnetismin yhteydestä oli jo tehty havaintoja. Salamaniskun tiedettiin aiheuttaneen rautaesineiden magnetoitumisen. Esimerkiksi vuonna 1731 Philosophical Transaction kertoo tapauksesta, jossa salama oli iskenyt taloon. Tällöin oli puuarkku pirstoutunut, ja siinä olevat veitset ja haarukat olivat tulleet magneettisiksi. Oli myös havaintoja, joiden mukaan laivojen kompassit osoittivat ukonilmalla väärin. (Lindell 1994, 103.) Myös laboratoriossa oli saatu hajanaisia havaintoja sähkön aiheuttamasta magnetismista. Tutkiessaan salaman ominaisuuksia BENJAMIN FRANKLIN oli vuonna 1751 yrittänyt magnetoida ompeluneulaa Leydenin pullon purkauksen avulla. Tällaiset kokeet eivät ilmeisesti tuntuneet tarpeeksi merkittäviltä verrattuina ukkosenjohdatinkokeisiin, eikä niitä jatkettu. Italialainen GIOVANNI B. BECCARIA (1716 1781) havaitsi, että purkautuvan Leydenin pullon lähelle sijoitettu metalliliuska tuli magneettiseksi, jos se oli kipinään nähden poikittain. Magneettisuutta ei taas esiintynyt, jos liuska oli kipinän suuntainen. (Lindell 1994, 103 104.) ALESSANDRO VOLTA julkaisi keksimänsä pariston vuonna 1800. Tällöin tuli mahdolliseksi saada jatkuvaa sähkövirtaa lyhytaikaisten purkausten sijaan. Siten paranivat mahdollisuudet havaita sähkön magneettinen vaikutus. Vuonna 1801 ranskalainen kemisti NICHOLAS GAUTHEROT havaitsi, että kahden lähekkäin olevan johtimen välille syntyi voimavaikutus, kun niihin kytkettiin sähkövirta paristosta. Mutta ilmiötä ei yhdistetty magnetismiin. Genovalainen kemisti GIUSEPPE MOJON taas havaitsi vuonna 1804, että teräsneula tuli magneettiseksi oltuaan virtapiirin lähellä tarpeeksi kauan. (Lindell 1994, 104.) Vuonna 1802 fyysikko GIAN DOMENICO ROMAGNOSI teki kokeen, jossa magneettineulaa kosketettiin Voltan patsaan napaan kiinnitetyn johtimen päällä. Tällöin havaittiin magneettineulan kääntyvän toiseen asentoon. Koetta on joskus sanottu ensimmäiseksi sähkön magneettisen vaikutuksen havainnoksi, mutta siinä tehdyn havainnon tulkinta ei ole selvä. On arveltu, että kyseessä oli joko sähköstaattinen ilmiö tai käden kautta kulkevan virran aiheuttama magneettinen ilmiö. Sähkömagnetismin kehitykseen havainnolla ei ollut vaikutusta. SIR HUMPHRY DAVY huomasi, että valokaari taipui, jos sen lähelle tuotiin 13

magneetti. Siten magnetismi näytti vaikuttavan valokaareen, jonka tiedettiin olevan sähköä. (Lindell 1994, 104.) 4.2. Örstedin koe ÖRSTEDin kokeet osoittivat lopulta kiistatta sähkön ja magnetismin välisen yhteyden. Örsted oli omaksunut saksalaisten filosofien näkemyksen, jonka mukaan magnetismi, sähkö, lämpö, kemialliset sidokset ja gravitaatio olivat yhden ja saman luonnonvoiman erilaisia esiintymismuotoja ja ne voivat muuttua toisikseen. Davy oli osoittanut metallilangan lämpenevän sähkön vaikutuksesta. Ohut metallilanka säteili myös valoa, ja Örsted ajatteli, että se voisi säteillä myös magneettisuutta. (Lindell 1994, 107.) Ensimmäisen kokeen hän teki 15. helmikuuta vuonna 1820 mielijohteesta yleisön edessä luennoidessaan sähkön ja lämmön välisestä yhteydestä. Tässä kokeessa hänellä oli lasilla peitetyn kompassin yläpuolella ohut platinalanka paristoon kytkettynä. Kun virtapiiri suljettiin, kompassineula värähti heikosti. Vasta kolmen kuukauden kuluttua heinäkuussa hän teki uuden koesarjan voimakkaammalla paristolla. Ilmiö oli nyt voimakkaampi mutta yhä heikko. (Lindell 1994, 107.) Örsted käytti näissä kokeissa ensin ohutta lankaa, koska hän halusi saada langan hehkumaan. Mutta hänelle selvisi pian, että paksu lanka aiheuttaa magneettineulaan voimakkaamman vaikutuksen kuin ohut, joten voimakkaampi virta aiheutti suuremman magneettisen voiman. Örsted havaitsi myös, että magneettineula kääntyi virtajohtimeen nähden poikittain. Näin selvisi ilmiön tärkeä perusominaisuus: sähkövirran magneettinen vaikutus suuntautuu ympyrän muotoisesti johtimen ympärillä. Tämä selostus sähkömagnetismin keksimisestä perustuu Örstedin itse kirjoittamaan tietosanakirjan artikkeliin. Toisissa lähteissä väitetään alkuperäisen havainnon syntyneen langan hehkutuskokeen aikana, kun Örstedin katse osui sattumalta kompassineulaan. (Lindell 1994, 107 108.) Ranskalainen fyysikko FRANÇOIS ARAGO (1786 1853) tiedotti Örstedin kokeesta 4. syyskuuta Ranskan tiedeakatemialle. Tietoon suhtauduttiin tällöin epäillen. Epäilyt hälveni- 14

vät, kun Arago demonstroi kokeen julkisesti 11.9.1820 tiedeakatemian kokouksessa. (Lindell 1994, 110.) 4.3. Ampèren mallit Aragon tiedonanto herätti Ranskassa voimakkaan kiinnostuksen sähkövirran magneettisiin vaikutuksiin. ANDRÉ-MARIE AMPÈRE esitti jo seuraavassa istunnossa viikon kuluttua, että yhdensuuntaisten virtajohdinten välille muodostuu aina magneettinen vuorovaikutus, attraktiivinen, jos sähkövirrat ovat samansuuntaiset, repulsiivinen, jos ne ovat vastakkaissuuntaiset. Vähän myöhemmin hän täsmensi tätä tulosta osoittamalla, että tämä magneettinen voima oli verrannollinen sähkövirtoihin ja kääntäen verrannollinen johdinten väliseen etäisyyteen. JEAN BAPTISTE BIOT ja FÉLIX SAVart puolestaan osoittivat magneettineulan heilahteluja tutkimalla, että suoran johtimen magneettinen vaikutus heikkenee kääntäen verrannollisena etäisyyteen johtimesta. (Lindell 1994, 113 114.) Vielä ennen vuoden 1820 loppua Ampère esitti yhteenvedon sähkömagneettisista tutkimuksistaan. Etevänä matemaatikkona hän oli onnistunut johtamaan yleisen lain, jonka perusteella voitiin laskea minkä tahansa virtajohtimen magneettisen vaikutuksen riippuvuus paikasta. Hän otti käyttöön sanat sähködynamiikka ja sähköstatiikka. (Lindell 1994, 114.) Ampère oli myös havainnut, että kierretyllä virtajohtimella eli solenoidilla oli sama magneettinen vaikutus kuin sauvamagneetilla, joten magneetti voitiin korvata sähkövirroilla. Hän päätteli tästä edelleen, että kaikki magneettisuus oikeastaan johtuukin sähkövirroista. Hänen mallinsa mukaan kestomagneetin magneettisuus johtuu virroista, jotka kiertävät raudassa kohtisuorasti magneettisten napojen yhdyssuoraa vastaan. (Williams 1965, 144 145; Lindell 1994, 114.) Mallin ongelmana oli, että magneettisuutta aiheuttavien virtojen piti olla pysyviä. Ne eivät myöskään lämmittäneet magneettia niin kuin niiden aivan ilmeisesti olisi pitänyt. Ranskalainen AUGUSTIN FRESNEL ehdotti selitykseksi, että nämä sähkövirrat ovat molekyylien sisäisiä eikä väliaineen resistiivisyys siksi vaikuttanut niihin. Ampère hyväksyi tämän. (Williams 1965, 147; Lindell 1994, 115.) 15

Ampèren mukaan aineen magneettisuus johtuu siis siitä, että sähkövirrat molekyylissä ovat järjestäytyneet. Sellaisissa aineissa kuten rauta, nikkeli ja koboltti, molekyylivirrat yleensä kiertävät kaikissa suunnissa. Nämä aineet magnetoituvat, kun molekyylivirrat kääntyvät ulkoisten virtojen vaikutuksesta samansuuntaisiksi. Aine on magnetoitumatonta, jos molekyylien sisäiset virrat eivät käänny ulkoisen virran vaikutuksesta. (Williams 1965, 150.) Ampèrella oli myös omat ajatuksensa sähkövirran luonteesta ja sen magneettisten vaikutusten mekanismista. Hän selitti, että Voltan parin toimiessa, erilaiset metallit aiheuttavat eetterissä 'kemiallisen epätasapainon', joka saa eetterin jakautumaan positiiviseksi ja negatiiviseksi sähköksi. Voltan parin sähkömotorinen voima työntää erimerkkiset sähköiset nesteet liikkeelle vastakkaisiin suuntiin. Kun ne sitten kohtasivat johtimessa, ne yhdistyivät jälleen eetteriksi. Olosuhteiden pysyessä samana tämä eetterin jakautuminen ja jälleenyhdistyminen toistui jatkuvasti yhä uudestaan, niin kauan kun Voltan pari on toiminnassa. Siten johtimessa oli samalla kertaa sekä jatkuva kahden erilaisen nesteen, positiivisen ja negatiivisen sähkön, virta että jatkuva sarja eetterin 'kemiallisia' värähtelyitä. Nämä värähtelyt levisivät ympäröivään eetteriin ja aiheuttivat johtimien väliset veto- tai poistovoimat. Magneettien sisäiset kiertävät virrat syntyivät hänen mielestään samalla tavalla kuin Voltan parissa. (Williams 1965, 149.) Englantiin tieto Örstedin kokeesta saapui lokakuussa 1820, kuusi viikkoa myöhemmin kuin Ranskaan. Davy kertoi asiasta Faradaylle, ja he toistivat kokeen välittömästi. Örsted oli todennut, että virtajohtimen läheisyydessä magneettinen voima kiertää johdinta ympyrän muotoisesti. Davy huomasi toisaalta, että virtajohdin vetää puoleensa sen alapuolelle asetettua magneettineulaa, joka tarttuu johtimeen. ja että myös rautalastut tarttuvat johtimeen, kun sähkövirta kulkee johtimen läpi. Nämä havainnot saivat hänet uskomaan, että itse johdin muuttui magneettiseksi sähkövirran kulkiessa siinä. Myös Faraday erehtyi Davyn tavoin. Vielä elokuussa 1821 hän ajatteli, että sähköjohtimen ja magneettineulan väliset voimat olivat yksinkertaisia veto- ja poistovoimia. (Williams 1965, 151 152.) WILLIAM HYDE WOLLASTON, joka oli Faradaytä 30 vuotta vanhempi arvostettu tutkija, oivalsi kuitenkin, ettei magneettinen vuorovaikutus ollut luonteeltaan näin yksinkertainen. 16

Hänkin oli havainnut, kuten Ampère, että yhdensuuntaiset johtimet vetävät toisiaan puoleensa, jos virrat niissä kulkevat samaan suuntaan, ja hylkivät toisiaan, jos virrat niissä olivat vastakkaissuuntaiset. Hän oletti Ampèren tavoin, että magneettinen vaikutus voitaisiin selittää "ympyrämuotoisilla" virroilla. Mutta toisin kuin Ampère hän liitti tämän ajatuksen johtimissa kulkeviin virtoihin. Hän ajatteli, että sähkövirta kulkee umpinaisessa virtapiirissä spiraalista rataa napojen välillä, ja osoitti, että virtajohdinten väliset veto- ja poistovoimat voitiin selittää tällä tavalla. (Williams 1965, 152.) Faradaytä, joka vierasti matemaattisia esityksiä, magneettisia vaikutuksia koskeva Ampèren laki ei ilmeisesti suuremmin kiinnostanut. Sen sijaan kysymykset sähkövirran luonteesta ja magnetismin syntymisen ja vaikutusten mekanismista olivat hänelle läheisiä, ja hän tarttui hanakasti Ampéren malleihin. Hän suhtautui epäilevästi Ampèren käsitykseen, että magneettisuus aiheutuisi magneetin sisäisistä sähkövirroista. Aineen magneettisuus oli hänen mielestään eräänlainen molekyylien välinen voima, joka lävistää magneetin ja keskittyy sen napoihin. Faraday hylkäsi myös Örstedin käsitykset sähkömagnetismista johtimeen ja sen ympärille muodostuvana sähköisenä konfliktina myöntäen tosin, ettei hän täysin ymmärrä niitä.(williams 1965, 153 155, 166.) Faraday oli eri mieltä myös sähkövirtojen luonteesta: Kirjoituksessa, joka ilmestyi sarjassa Annals of Philosophy hän huomautti, että aineellinen sähkövirta on vain olettamus, vaikka sen puolesta on perusteluja. Sähkövirran aineellisuudesta ja virtauksesta johtimessa ei ole todisteita. Sähkövirraksi kutsuttua ilmiötä ei pitäisi hänen mielestään tulkita miksikään virtaukseksi, vaan se pitää ymmärtää johtimen tilaksi, joka muodostuu johtimeen Voltan parin vaikutuksesta. Näihin kysymyksiin hän palasi jatkuvasti tutkimuksissaan. Erityisesti kokeet, joilla hän pyrki testaamaan Ampèren ajatuksia sähkövirran luonteesta, johtivat hänen sähkömagneettisen induktion jäljille, kuten myöhemmin, luvun 5 alussa käy ilmi. (Williams 1965, 153 155.) 4.4. Magneettisten voimien poikkeuksellinen luonne 17

Virtajohtimen aiheuttaman magnetismin luonne johdinta kiertävänä vaikutuksena, jonka jo Örsted kokeissaan havaitsi, herätti kysymyksen mahdollisen kiertävän tai pyörivän liikkeen synnyttämisestä sen avulla. Tämä johti kokeisiin, joilla samalla voitiin testata ilmiöön liittyviä erilaisia malleja. Wollaston päätteli, että hänen kierteisen sähkövirran mallinsa perusteella johtimen pitäisi ruveta pyörimään oman akselinsa ympäri, kun kestomagneetti tuodaan sen läheisyyteen. Huhtikuussa vuonna 1821 Davy ja Wollaston testasivat tätä ennustetta, mutta eivät onnistuneet aikaansaamaan johtimen pyörimistä minkäänlaisella koejärjestelyllä. Mallia ei näin ollen saatu vahvistetuksi kokeellisesti. (Williams 1965, 152; Lindell 1994, 151.) Faraday ei ollut paikalla näitä kokeita suoritettaessa, mutta hän kuuli Davyn ja Wollastonin keskustelevan ongelmasta. Ei ole kuitenkaan mitään viitteitä siitä, että tämä olisi vaikuttanut häneen jollakin tavalla. Hän oli silloin kiinnostunut aivan muista kysymyksistä kuin sähkömagnetismista. Hänen mielenkiintonsa sähkömagnetismiin heräsi, kun häntä pyydettiin vuonna 1821 kirjoittamaan historiallinen katsaus tähän uuteen tieteenhaaraan sarjassa Annals of Philosophy. (Williams 1965, 153; Lindell 1965, 151.) Alkaessaan hänellä oli vielä se käsitys, että sähkömagneettiset voimat olivat samalla tavalla "suoraviivaisia" veto- ja poistovoimia kuin muut tunnetut voimat. Tehtävä ei ollut hänelle helppo. Oli vaikeata muodostaa selvää kuvaa siitä, mitä oli tehty ja ketkä olivat tehneet. Artikkeleissa esitettiin ja puolustettiin niin monia erilaisia teorioita. ("I found much difficulty in gaining a clear idea of what had been done, and by whom, in consequence of their great variety, the number of theories advanced in them, "). Hän myös vakuuttui siitä, ettei mikään näin monimutkainen voinut olla totta. (Williams 1965, 153 154.) Hän näki paljon vaivaa pohtiessaan erilaisia malleja. Tässä yhteydessä hän esitti myös aiemmin mainitun kritiikkinsä Ampèren esittämää sähkövirran mallia kohtaan. Lopulta hän kuitenkin käänsi huomionsa sähkövirtaa koskevista olettamuksista todellisiin havaittaviin vaikutuksiin. Hän oli jo artikkelitehtävänsä alussa selvittänyt tilannetta toistamalla Örstedin, Aragon, ja Ampèren tärkeimmät kokeet. Syyskuun alussa 1821 hän kirjasi laboratoriopäiväkirjaansa eräitä outoja tosiasioita. Magneettineulan ja virtajohtimen väliset veto- ja poistovoimat eivät olleetkaan niin yksinkertaisia kuin hän oli ajatellut. Voimien todellinen luonne olikin sellainen, että se pyrkii aiheuttamaan liikkeen sivut18

tain. Magneetin vaikutus virtajohtimeen oli siis täysin erilainen kuin Wollaston oli ajatellut. Pyörimisen asemesta johdin joutuukin kiertoliikkeeseen magneettinavan ympäri. Vastaavasti magneettinen voima saisi magneettinavan kiertämään johdinta. (Williams 1965, 152.) A. B. Kuva 2. Faradayn kaksi rotaattoria. A. Tutkielman tekijän 3.7.2001 ottama kuva Royal Institutionin Faraday-museossa. B. Kaavakuva (Lindell 1965, 152). Saman tien Faraday toteutti molemmat tavat synnyttää liikettä sauvamagneetin ja virtajohtimen avulla (Kuva 2). Toisessa tavassa sauvamagneetti asetetaan pystyyn elohopealla täytettyyn kuppiin toinen napa ilmassa, ja riippuva virtajohdin, jonka alapää on elohopeassa, kiertää magneetin ylempää napaa. Toisessa tavassa vastaavasti virtajohdin on kiinteästi pystyssä alapää elohopeassa, ja magneetti, jonka alapää on paikallaan elohopeamaljan pohjassa kiertää sitä kartiomaisesti. Näin oli syntynyt ensimmäinen rotaattori, jolla saatiin sähkövirran ja magneetin avulla aikaan mekaaninen liike, jatkuva pyörimisliike. Tieto keksinnöstä julkaistiin lokakuussa 1821 julkaisussa Quarterly Journal of Science otsikolla On some new Electro-Mechanical Motions and a Theory of Magnetism, ja Faradaystä tuli kuuluisa Euroopassa. (Williams 1965, 155 157; Lindell 1994, 152.) 19

5. Magnetismista sähkövirtaa 5.1. Yrityksiä sähkövirran indusoimiseksi Faraday ajatteli kuten Örsted, että vain yksi ja sama voima esiintyy erilaisina voimina luonnossa ja että erilaiset voimat voivat muuttua tietyissä olosuhteissa toisikseen. Jos kerran sähkövirralla on magneettisia vaikutuksia, pitäisi magnetismin avulla voida synnyttää sähkövirtaa. Hänen muistikirjassaan on vuodelta 1822 merkintä yrityksistä synnyttää magnetismin avulla sähköä. Joulukuussa 1824 Faraday suoritti kokeen, jossa hän työnsi rautalankasolenoidin sisään sauvamagneetin. Mitään vaikutusta hän ei kuitenkaan havainnut solenoidiin kytketyssä galvanometrissä. Marraskuussa 1825 hän yritti saada sähkövirtaa indusoiduksi sekä kahden vierekkäisen, paperilla erotetun johtimen välillä että toinen johdin kierrettynä toisen ympärille. Samat kokeet toistettiin joulukuussa 1825 ja huhtikuussa 1828 mutta yhä edelleen ilman tulosta. (Lindell, 1994 153.) Marraskuussa 1825 Faraday ryhtyi testaamaan kokeellisesti Ampèren malleja (luku 4.3). Jos sähkövirta olisi Ampèren ehdotusten mukainen, johtimessa esiintyisi jatkuvasti sekä virtaavaa positiivista ja negatiivista sähköä että näiden yhtyessä syntyvää neutraalia eetteriä. Ajat, joina erimerkkiset sähköt esiintyivät johtimessa erillisinä olivat lyhyitä mutta nollasta eroavia. Niiden aikana varausten pitäisi vaikuttaa staattisen sähkön tavoin. Niiden pitäisi siis indusoida lähellä olevaan materiaan vastakkaista merkkiä lukuun ottamatta samanlainen ja samalla tavalla liikkuva sarja varauksia kuin primaarisessa johtimessa. Toisin sanoen, sähkövirran pitäisi indusoida sähkövirta sen lähelle tuotuun johtimeen. Tämä pitäisi voida havaita galvanometrilla. (Williams 1965, 155, 174.) Faraday siis pyrki havaitsemaan pysyvän vaikutuksen, jonka olisivat aiheuttaneet ensiökäämissä jatkuvasti esiintyvät varaukset. Ymmärrämme, ettei hän voinutkaan havaita mitään, koska ensiöpiiri oli suljettu ennen toisiopiiriä, johon galvanometri oli kytketty. Mutta hänellä ei ollut mitään aihetta ajatella, että galvanometri näyttäisi jotakin vain silloin, kun virta kytkettiin tai katkaistiin. Eikä hänellä ollut syytä epäillä, että tarvittaisiin paljon herkempi galvanometri. Hänhän odotti sekundaarisen ilmiön olevan täysin rinnasteinen primaariselle. Jos galvanometri oli riittävän herkkä näyttämään virran primaa20

ripiirissä, sen pitäisi näyttää samalla tavoin myös sekundaaripiirissä. (Kuva 3). (Williams 1965, 155, 173 174. ) Kuva 3. Faradayn koejärjestely marraskuussa 1825. Ilmiö, jota Ampèren sähkövirran malli harhautti Faradayn etsimään, ei edes ollut hänen etsimänsä käänteinen ilmiö. Siinähän sähkövirran ajateltiin synnyttävän sähkövirtaa toiseen johtimeen puhtaasti sähköisen induktion avulla, primaarivirrassa liikkuvien sähkövarausten vaikutuksesta. Magnetismin osuus siinä oli täysin epäselvä. Faraday testasi Ampèren teoriaa myös kokeella, jossa hän käytti johdinkierukkaa. Ampèren mukaan magneettisuus aiheutui sähködynaamisten molekyylien järjestäytymisestä aineessa tavalla, joka vastasi magneettista akselia kiertäviä samankeskisiä sähkövirtoja. Jos hän oli oikeassa, pitäisi sähkövirralla johdinkierukassa olla samanlainen vaikutus, joka keskittyisi kierukan akselille. Tällaisen voimakeskittymän pitäisi häiritä eetterin tasapainoa silmukan akselille sijoitetussa johtimessa ja synnyttää siihen sähkövirtaa. Faraday ei kuitenkaan havainnut mitään vaikutuksia. (Williams 1965, 174 175.) Faradayn epäonnistuneet yritykset havaita ilmiöitä, joiden hän katsoi oikeutetusti seuraavan Ampéren mallista, vahvistivat hänen epäluuloaan Ampèren teoriaa kohtaan. Näin vahvistui hänen käsityksensä, ettei sähkömagnetismi ollut pelkästään kahden sähkönesteen vaikutusta toisiinsa vaan että sen aiheutti erityinen tila, johon johtimen rakennehiukkaset joutuivat. Vuonna 1922 hän teki kokeita polarisoidulla valolla yrittäen todentaa sähkön vaikutusta valoon. Samalla hän halusi todentaa tällaisen tilan olemassaolon. Kokeet eivät kuitenkaan onnistuneet. Hän oli kuitenkin vakuuttunut idean oikeu- 21

tuksesta ja palasi siihen jatkuvasti. Noin 10 vuotta myöhemmin hän nimesi tämän tilan elektrotoniseksi tilaksi. (Williams 1965, 175.) 5.2. 'Voiman' siirtymisen värähtelymalli Sähkömagneettisen roottorin keksiminen pakotti Faradayn modifioimaan elektrotonisen tilan ajatusta. Tila ei voinut merkitä pelkästään hiukkasten järjestymistä, sillä staattinen järjestys ei voinut mitenkään aiheuttaa jatkuvaa liikettä. Aineen sisäiset voimat kykenivät kyllä aikaan saamaan järjestystä, mutta roottori osoitti, että nämä voimat siirtyivät jollakin tavoin johtimien välityksellä. Siten jotakin täytyy liikkua johtimessa. Näin Faraday joutui pohtimaan etävuorovaikutuksen ongelmaa: Miten voima saattoi välittyä ilman, että ainetta samalla siirtyi? ( Williams 1965, 175.) 1700-luvulla 'voiman' ajateltiin voivan välittyä kahdella tavalla: suoraan kappaleiden koskettaessa toisiaan tai kaukovaikutuksena, jonka 'mystinen' luonne oli kuitenkin jatkuvien keskustelujen kohde. Silloin oli myös yleisesti vallalla käsitys, jonka mukaan esimerkiksi magnetismi, sähkö, valo ja lämpö olivat "painottomia nesteitä" (imponderable fluids). Olisiko niistä löydettävissä selitystä mystisille kaukovaikutuksille? 1820luvun tienoilla saavutti suosiota uusi kiinnostava idea 'voiman' välittymisestä värähtelyjen avulla, joka teki tarpeettomaksi mystisen kaukovaikutushypoteesin mutta ei edellyttänyt aineen siirtymistä. Myös Ampère oli selittänyt magneettisen vaikutuksen leviävän eetterin värähtelyjen välityksellä (vrt. luku 4.3). (Williams 1965, 54, 1765 176.) THOMAS YOUNG oli jo vuonna 1801 esittänyt ajatuksen valon aaltoluonteesta. Mutta idea torjuttiin jyrkästi ja Young luopui aiheesta. Ranskalainen AUGUSTIN FRESNEL päätyi Youngista riippumatta valon aaltoluonteen kannalle. Kiistattomien optisten tosiasioiden perusteella hän näki sen väistämättömäksi. Hänen esiteltyään teoriansa Ranskan Tiedeakatemialle sarjassa hyvin matemaattisia julkaisuja valon aaltoliiketeoria sai vähitellen kannatusta. (Williams 1965, 176.) Fresnelin.alkuperäisellä tutkielmalla oli vähän merkitystä Faradaylle, koska hän ei pystynyt ymmärtämään Fresnelin teoriaa puutteellisten matemaattisten taitojensa vuoksi. Sitä paitsi, siihen aikaan, kun teoria ensimmäisen kerran julkaistiin, hän ei ollut kiinnos- 22

tunut optiikasta. Vuoden 1824 jälkeen tilanne muuttui, kun Faraday työskenteli parantaakseen optisen lasin ominaisuuksia. Työskentely optisen lasin parissa johdatti hänet miettimään valon luonnetta, ja sähköisen ja magneettisen voiman siirtymisen ongelma alkoi askarruttaa häntä yhä enemmän. Valo oli yksi painoton neste. Voisiko sen luonteen syvällisempi ymmärtäminen tarjota selityksen myös muiden 'imponderaabelien' vaikutustavoille. Faraday tutustui Fresnelin teoriaan Qurterly Journal of Science -lehden artikkelisarjan avulla, jossa teoria esitettiin vuosien 1827 ja 1829 välillä vähemmän matemaattisessa muodossa. Eikä Faradayllä ollut vaikeuksia ymmärtää sen käsitteitä. (Williams 1965, 176 177.) Fysikaalinen optiikka ei ollut kuitenkaan ainoa ala, joka käsitteli aaltoliikettä. Faraday harrasti musiikkia vuosien 1828 ja 1830 välillä osallistumalla Royal Institutionissa järjestettäviin musiikkitapahtumiin. Taustalla oli kuitenkin enemmän kuin pelkän viihteen etsiminen. Faraday kiinnostui CHARLES WHEATSTONen tutkimuksiin musiikin ja soitinten luonteesta. Wheatstone oli keksinyt laitteen, jonka avulla jännitettyjen kielten ja tankojen värähtelyt saatiin näkyviin ja analysoitavaksi. Aallot, jotka Fresnel ymmärsi vain matemaattisina yhtälöinä ja sielun silmin, voitiin nyt heijastaa valkokankaalle. (Williams 1965, 177.) Wheatstone oli lumoutunut kokeista, joissa hiekkaa siroteltiin lasi- tai teräslevyn päälle ja levy saatiin värähtelemään hankaamalla sen reunaa viulun jousella. Tällä tavalla aaltoliike saatiin havaittavaan muotoon ilman matematiikkaa. Näin syntyvät kuviot (Kuva 4 ) oli löytänyt vuonna 1785 saksalainen fyysikko ERNST FLORENS FRIEDRICH CHLADNI, jota pidetään kokeellisen akustiikan perustajana. Wheatstonea kiinnostivat vain kuvioiden kauneus ja symmetria, mutta Faraday kiinnitti huomiota kuvioiden tuottamiseen. Erityisen tärkeä oli Savartin tutkimuksissa esiin tullut mahdollisuus saada niitä aikaan myös epäsuorasti saattamalla pinta värähtelemään resonanssin avulla. Lisäksi Savart teki useita uusia havaintoja kuvioiden muuntumisesta. (Williams 1965, 177 178; Thomas 1991, 140 141.) 23

Kuva 4. Chladnin hiekkakuviota ohuella metallilevyllä. Vaikka Faraday tai Wheatstone eivät niin sanoneet, he olivat tarkastelemassa ilmiötä, jota voisi kutsua akustiseksi induktioksi. Yhden levyn värähtely vaikutti viereisen levyn pinnalla olevien hiukkasten järjestäytymiseen. Koska levyt olivat selvästi erillään, oli ilmeistä, että vaikutus siirtyi väliaineen, ilman, välityksellä. Kun Faraday pohti myöhemmin sähköisen induktion ongelmaa, hän havahtui huomaamaan sen samankaltaisuuden akustisen induktion kanssa. (Williams 1965, 178.) Vuonna 1830 Faraday tutustui JOHN HERSCHELIN ajatuksiin valon ja äänen analogiasta. Herschel esitti, että valon ja äänen samankaltaisuus johtaa yhteen perimmäiseen yleiseen ilmiöön. Molemmat ovat värähdysliikettä elastisessa väliaineessa. Herschel kiinnitti erityistä huomiota Chladnin ja Savartin töihin, jotka mahdollistivat värähtelyn tutkimuksen näköhavaintojen avulla. Faraday näki pitemmälle. Jos valo ja ääni ovat värähdysliikettä, niin eikö olisi mahdollista, että myös sähkö on aaltoliikettä. Ajatus ei kuitenkaan ollut uusi. Örsted oli jo vuonna 1806 esittänyt, että myös sähkö voisi olla äänen ja valon tavoin luonteeltaan etenevää värähdysliikettä. Hän oli jopa viitannut Chladnin ku- 24