Hóa học

Michael Faraday trong phòng thí nghiệm. Những năm 1850 họa sĩ Harriet Jane Moore đã ghi chép cuộc đời Faraday bằng những bức tranh màu nước.tetrachloroethylene molecule

Công việc hóa học đầu tiên của Faraday là làm phụ tá cho Humphry Davy. Faraday nghiên cứu riêng biệt về clo, ông đã phát hiện ra hai clorua của cacbon. Ông cũng làm thí nghiệm gian khổ đầu tiên về sự khuếch tán khí, một hiện tượng đã được biết đến bởi John Dalton, tầm quan trọng của hiện tượng vật lý này đã được Thomas Graham và Joseph Loschmidt đưa ra ngoài ánh sáng. Ông đã thành công trong việc hóa lỏng một vài loại khí; nghiên cứu về hợp chất của thép, và tạo ra những loại thủy tinh mới dùng cho mục đích quang học. Một mẫu vật trong những miếng thủy tinh nặng nề này sau đó đã làm nên lịch sử khi mà Faraday đã phát hiện ra hiện tượng xoay mặt phẳng ánh sáng phân cực khi đưa miếng thủy tinh này vào trường điện từ, và nó cũng là vật liệu đầu tiên bị đẩy bởi các cực của từ trường.

Ông đã sáng chế ra thứ mà sau này gọi là đèn Bunsen, loại đèn này đã được sử dụng hầu hết trong các phòng thí nghiệm vì tính tiện lợi của nguồn nhiệt.[17][18]Faraday nghiên cứu bao trùm trong lĩnh vực hóa học, khám phá ra các chất hóa học như benzene, và hóa lỏng các khí ví dụ như clo. Sự hóa lỏng khí chứng minh rằng khí chỉ là dạng hơi của chất lỏng có điểm sôi rất thấp, và đưa ra quan điểm chắc chắn về sự kết hợp phân tử. Vào năm 1820 Faraday công bố hợp chất tổng hợp đầu tiên làm từ cacbon và clo, C2Cl6 và C2Cl4, và xuất bản các kết quả nghiên cứu trong các năm tiếp theo.[19][20][21] Faraday cũng xác định được cấu tạo của chlorine clathrate hydrate, chất đã được khám phá bởi Humphry Davy vào năm 1810.[22][23]

Faraday cũng đã khám phá ra các định luật điện phân và đưa ra công chúng các thuật ngữ như anode, cathode, electrode, và ion, các thuật ngữ này phần lớn xuất phát bởi William Whewell.

Faraday là người đầu tiên công bố cái mà sau này được gọi là metallic nanoparticles. Vào năm 1847 ông khám phá ra rằng quang tính của nước vàng (gold colloid) khác với quang tính của các kim loại thông thường khác. Đây có thể là xuất bản đầu tiên về sự khảo sát tác động ở mức lượng tử, và có thể được xem là đã khai sinh ra ngành công nghệ nano.[24]

Điện và Từ

Faraday được biết đến nhiều nhất vì những thành quả trong lĩnh vực Điện và Từ học. Thí nghiệm được ghi chép đầu tiên của ông là làm nên pin volta bằng 7 đồng xu, xếp chồng lên 7 tấm kẽm và 7 miếng giấy được tẩm nước muối. Với loại pin này, ông đã phân tích hợp chất Magie sulphat.

Pin VoltaThí nghiệm điện trường xoay của Faraday, ca. 1821[25]Một solenoid

Vào năm 1821, ngay sau khi nhà hóa học, vật lý học người Đan Mạch, Hans Christian Ørsted khám phá ra hiện tượng điện từ trường, Davy và một nhà khoa học người Anh William Hyde Wollaston cố gắng làm ra một động cơ điện nhưng bất thành.[3] Faraday, đã thảo luận vấn đề động cơ điện với hai ông này, tiến hành chế tạo hai thiết bị phát ra điện từ trường xoay: chuyển động xoay liên tục xuất phát từ lực từ xoay xung quanh dây điện và dây điện được nhúng vào cốc nước thủy ngân có thỏi nam châm bên trong sẽ xoay xung quanh thỏi nam châm nếu được cấp dòng điện từ nguồn pin hóa học. Thiết bị sau này được biết đến với cái tên homopolar motor. Những thí nghiệm và phát minh này hình thành ra nền tảng của công nghệ điện từ hiện đại. Quá hứng thú, Faraday đã công bố các kết quả này mà không đề cập đến phần việc làm với Wollaston và Davy. Từ đó dẫn đến cuộc tranh cãi trong Hội hoàng gia Luân Đôn, nó làm căng thẳng mối quan hệ thâm niên của ông với Davy và có thể đã góp phần bổ nhiệm ông sang lĩnh vực khác, vì thế ông đã bị đưa ra khỏi hoạt động nghiên cứu điện từ trường trong vài năm.[26][27]

Từ phát hiện đầu tiên về điện từ vào năm 1821, Faraday tiếp tục công việc ở phòng thí nghiệm để khám phá tính chất của vật liệu và tiến hành các thí nghiệm cần thiết. Vào năm 1824, Faraday làm một mạch điện để tìm hiểu liệu một từ trường có thể tác động lên dòng điện của dây điện đặt gần nhau, nhưng không tìm ra kết quả nào.[28] Ông theo đuổi các nghiên cứu với ánh sáng và điện từ trong ba năm mà không có kết quả nào mới.[29][30] Trong suốt bảy năm tiếp theo, Faraday dành phần lớn thời gian vào việc hoàn thiện công thức cho chất lượng kính quang học, hợp chất chì boro-silicate,[31] thứ mà ông đã sử dụng cho nghiên cứu sau này về việc kết hợp giữa ánh sáng và điện từ.[32] Trong khi nhàn rỗi, Faraday tiếp tục xuất bản các kết quả thí nghiệm (một số liên quan tới điện từ) và đã trao đổi thư từ với các nhà khoa học nước ngoài (cũng làm việc với điện từ) mà ông đã gặp trước đây ở các chuyến đi châu Âu với Davy.[33] Sau khi Davy mất được 2 năm, vào năm 1831, ông bắt đầu công bố một loạt các thí nghiệm mà ông đã khám phá về cảm ứng điện từ. Joseph Henry dường như đã khám phá ra hiện tượng tự cảm ứng sớm hơn vài tháng và kết quả của cả hai muộn hơn của Francesco Zantedeschi ở Ý đã được công bố vào năm 1829 và 1830.[34]

Nhà hóa học người Anh John Daniell (bên trái) và Michael Faraday (bên phải), được tin là sáng lập ra ngành điện hóa ngày nay.

Thành quả lớn nhất của Faraday đến khi ông quấn hai cuộn dây cách điện xung quanh một vòng kim loại, và phát hiện rằng, mỗi khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây này thì lập tức có một dòng điện được sinh trong cuộn dây kia.[3] Hiện tượng này được gọi là hỗ cảm. Dụng cụ cuộn dây - vòng kim loại này vẫn còn được trưng bày tại Học viện Hoàng Gia. Trong các thí nghiệm tiếp theo, ông thấy rằng, nếu ông di chuyển thanh nam châm qua cuộn dây, một dòng điện sẽ chạy trong cuộn dây. Dòng điện cũng sẽ xuất hiện nếu cuộn dây di chuyển qua thanh nam châm đứng yên. Thí nghiệm của ông cho thấy rằng sự thay đổi từ trường tạo ra dòng điện. Mối quan hệ này được toán học hóa bởi James Clerk Maxwell với tên Định luật cảm ứng Faraday, một trong bốn Phương trình Maxwell. Những phương trình này ngày nay được biết đến với tên gọi lý thuyết trường.

Sau này Faraday sử dụng nguyên lý này để tạo ra dynamo, nguồn gốc của máy phát điện ngày nay.

Vào năm 1839, ông hoàn thành loạt sách về các thí nghiệm nghiên cứu bản chất cơ bản của điện học. Faraday đã sử dụng tĩnh điện, pin, và điện sinh học để tạo ra lực hút tĩnh điện, điện phân, điện từ trường, v.v.. Ông kết luận rằng, trái ngược với quan điểm khoa học thời đó, ranh giới giữa "các loại" điện là hư cấu. Faraday thay vì kết luận rằng chỉ có một loại điện tồn tại, thì ông nói sự thay đổi về số lượng và cường độ (dòng và thế) sẽ tạo ra nhiều hiện tượng khác nhau.[3]

Khi gần kết thúc sự nghiệp của mình, Faraday cho rằng lực điện từ trường tồn tại ở khoảng không gian trống xung quanh cuộn dây. Ý tưởng này đã bị phản đối bởi những nhà khoa học sau ông, và Faraday đã không sống đến lúc nhìn thấy ý tưởng được chứng minh là đúng. Những khái niệm của Faraday về đường từ phát ra từ nam châm đã chỉ ra cách quan sát dòng điện và từ trường. Kiến thức này đã góp phần quan trọng tạo nên sự phát triển thành công của các thiết bị điện cơ mà nó đã chiếm lĩnh trong lĩnh vực công nghệ và công nghiệp trong những năm còn lại thế kỷ 19.

Nghịch từ

Michael Faraday đang cầm thanh thủy tinh mà ông sử dụng vào năm 1845 để chứng minh rằng từ trường có thể tác động đến ánh sáng trong điện môi.[35]

Vào năm 1845, Faraday khám phá ra rằng nhiều vật liệu tồn tại một lực đẩy nhỏ bởi từ trường, một hiện tượng ông gọi là nghịch từ.

Faraday cũng phát hiện ra rằng mặt phân cực của ánh sáng phân cực tuyến tính có thể bị đảo bởi một từ trường ngoài tác động lên đường đi của ánh sáng. Ngày nay cái này được biết đến với thuật ngữ Hiệu ứng Faraday. Ông viết rằng, "I have at last succeeded in illuminating a magnetic curve or line of force and in magnetising a ray of light". ("Cuối cùng tôi đã thành công trong việc chiếu sáng đường cong của điện từ hoặc đường lực và trong việc từ hóa các tia sáng")

Lúc cuối đời (năm 1862), Faraday sử dụng kính quang phổ để tìm sự biến đổi khác nhau của ánh sáng, sự thay đổi quang phổ ánh sáng vì từ trường. Tuy nhiên, những thiết bị ông dùng không đủ tốt để phát hiện ra sự thay đổi quang phổ. Pieter Zeeman sau này đã sử dụng thiết bị cải tiến hơn để nghiên cứu hiện tượng này, công bố kết quả vào năm 1897 và nhận giải Nobel vật lý vào năm 1902 vì thành công này. Trong cả bản nghiên cứu năm 1897[36] và bản thuyết trình nhận giải Nobel,[37] Zeeman đều đề cập tới thí nghiệm của Faraday.

Lồng Faraday

Điện trường bên ngoài tạo ra dòng điện trong bề mặt lồng Faraday, làm cho bên trong lồng không có điện trường.