تحصیلات فارادی در یک مدرسه معمولی بود و او تا 13 سالگی در این مدرسه تنها خواندن و نوشتن و حساب مقدماتی آموخت، و سپس در یک صحافی مشغول به کار شد. همین شغل مسیر زندگی او را عوض کرد و او را در راستای خواندن کتاب‌های علمی قرار داد. فارادی می‌گوید: من عاشق خواندن کتاب‌های علمی بودم که از زیر دستم می‌گذشت؛ به‌ویژه در بین آن‌ها از کتاب «گفت‌وگوهایی درباره شیمی» اثر جین مارست2 و نیز مقالات الکتریکی که در دایرئ‌المعارف بریتانیکا می‌خواندم بسیار لذت می‌بردم. دسترسی به کتاب گرچه امری لازم بود ولی برای پیشرفت فارادی کافی نبود. ولی همان کتاب‌ها سبب شد فارادی در سخنرانی‌های آموزشی همفری دیوی3 که در مؤسسه سلطنتی در لندن ایراد می‌شد شرکت کند. دیوی یکی از مشهورترین دانشمندان مؤسسه سلطنتی و معلمی محبوب بود. فارادی در نامه‌ای به دیوی از او درخواست کرد که در آزمایشگاه وی استخدام شود. دیوی پذیرفت و ابتدا او را به‌عنوان کاتب و بعد به‌عنوان دستیار خود در آزمایشگاه مؤسسه سلطنتی به خدمت گرفت. در سال 1813 میلادی فارادی به همراه دیوی به‌عنوان دستیار در آزمایش‌ها و یادداشت‌برداری عازم یک سفر دوساله اروپایی شد. شهرت دیوی درها را در هر جا می‌گشود و فارادی با بسیاری از دانشمندان پیشرو آن زمان مانند آمپر4 و اورستد5 و ... دیدار کرد.
کار اولیه فارادی در مؤسسه سلطنتی، عمدتاً کار یک شیمی‌دان بود و نخستین مقاله علمی خود را در سال 1816 میلادی وقتی بیست‌وپنج‌ساله بود، منتشر کرد. وی تا سال 1820 شیمی‌دانی کارآزموده شده بود. همچنین در همین سال بود که به پژوهش عمده و اصلی‌اش یعنی الکتریسیته و مغناطیس بازگشت.
شکل 1. فارادی شیمی‌دان
در ادامه به مهم‌ترین کارهای فیزیکی فارادی می‌پردازیم.
1. چرخش الکترومغناطیسی6
رویدادی که الهام‌بخش فارادی در علاقه‌مندی او به الکتریسیته و مغناطیس شد آزمایش اورستد بود. می‌دانیم که در این آزمایش سیم حامل جریان باعث انحراف عقربه مغناطیسی در کنار سیم می‌شود. فارادی حدس زد که یک سیم حامل جریان می‌تواند یک آهن‌ربا را با چرخشی دائمی حول محور سیم در حال دوران نگاه دارد.
شکل 2. آزمایش‌های چرخش مغناطیسی
او آزمایشی را که در شکل 2 مشاهده می‌کنید طراحی کرد تا این چرخش دائمی را نشان دهد. در سمت چپ این شکل جامی پر از جیوه با یک سیم ثابت حامل جریان الکتریکی را که در جیوه فرو رفته است نشان می‌دهد. یک میله آهن‌ربای کوچک ولی قوی کنار سیم قرار گرفته که با یک نخ به ته جام بسته شده است. وقتی جریان الکتریکی از سیم و جیوه درون جام عبور می‌کند، قطب بالایی آهن‌ربا گرداگرد سیم می‌چرخد. سمت راست شکل نیز آزمایش مشابهی را نشان می‌دهد که در آن آهن‌ربا ثابت است و سیم حامل جریان می‌چرخد. با انتشار این آزمایش، فارادی در مقام یکی از دانشمندان درجه اول اروپا قرار گرفت و از آن پس در هر آزمایشگاه، دستگاهی مشابه دستگاه شکل 2 ساخته شد. دستگاه فارادی کاملاً کاربردی بود. در حقیقت او موتور الکتریکی را اختراع کرده بود.
2. القای الکترومغناطیسی7
قبل از فارادی، اورستد اثر مغناطیسی ایجادشده توسط جریان الکتریکی را نشان داده بود. حال، نخستین آزمایش القای فارادی نمایش معکوس این عمل بود. یعنی او با تغییر میدان مغناطیسی توانست یک میدان الکتریکی ایجاد کند.
کل 3 آزمایش القای الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد. فارادی به دور یک استوانه توخالی مقداری سیم روکش‌دار پیچید و انتهای آن را به یک گالوانومتر متصل کرد. با حرکت دادن یک آهن‌ربای الکتریکی یا آهن‌ربای ثابت درون استوانه توخالی اول، گالوانومتر ایجاد جریان الکتریکی را نشان می‌دهد. این آزمایش فارادی در واقع اساس کار مولدها و مبدل‌های الکتریکی است که امروز چرخ‌های عظیم صنعت و فناوری را به حرکت درمی‌آورد.
شکل 3. آزمایش القای الکترومغناطیسی
3. قوانین الکترولیز فارادی8
آزمایش‌های الکترولیز آب، قبلاً در سال 1800 میلادی، انجام شده بود ولی فارادی با انجام این آزمایش‌ها به دو نکته مهم رسید. اولاً در تمام موارد، مقدار ماده تجزیه‌شده متناسب با بار الکتریکی عبوری از مدار است، و ثانیاً جرم عناصر آزادشده در الکترولیز نیز متناسب با جرم اتمی مواد است. بدین ترتیب ما می‌توانیم اعتبار و امتیاز بنیان‌گذاری علم الکتروشیمی را از آن فارادی بدانیم. او نه‌تنها دو قانون اساسی الکتروشیمی بالا را پیشنهاد کرد، بلکه زبان الکتروشیمی، شامل اصطلاحات الکترولیت، الکترود، کاتود، آنود، کاتیون، آنیون و یون را نیز خودش ابداع کرد (شکل 4).
شکل 4
شکل 5. اتاقک فارادی
4. آزمایش اتاقک فارادی9
این آزمایش نشان می‌دهد که بارهای الکتریکی همواره روی سطح خارجی رسانا پخش می‌شوند؛ به عبارت دیگر میدان الکتریکی نمی‌تواند به داخل یک رسانا نفوذ کند. این آزمایش هم بسیار کاربردی است طوری‌که می‌توان با استفاده از آن برای ساختمان‌ها حفاظ الکتریکی یا همان برق‌گیر را ساخت، و یا با یک توری فلزی، سپری در مقابل جرقه‌های الکتریکی ساخت. به شکل 5 توجه کنید.
5. اثر مغناطیسی ـ نوری10
پدیده قطبش نور به‌ویژه در نور بازتابش‌شده از سطح اجسام، سال‌ها پیش شناخته شده بود. فارادی نشان داد که یک آهن‌ربای قوی می‌تواند یک دی‌الکتریک شفاف را تحت‌تأثیر قرار دهد، به‌گونه‌ای که دوقطبی‌های دی‌الکتریک بتوانند باعث انحراف پرتوهای قطبیده‌شده نورانی شوند (شکل 6)، به عبارت دیگر فارادی نشان داد که رابطه‌ای بین نور و میدان مغناطیسی وجود دارد؛ و همین کشف به یکی از دستاوردهای مهم قرن نوزدهم منجر شد و توسط ماکسوِل فرمول‌بندی شد. فارادی آزمایش‌های جالبی نیز در مورد مواد دیامغناطیس و دور شدن آن‌ها از میدان‌های مغناطیسی انجام داد.
شکل 6. قطعه شیشه‌ای
6. خطوط نیرو
فارادی از پذیرش مفهوم جاذبه بین دو جسم که نیوتون ابداع کرده بود امتناع می‌کرد. این اصل که کنش از راه دور11 نامیده می‌شد، بیان می‌کند که یک نیرو خواه الکتریکی، خواه مغناطیسی و خواه گرانشی می‌تواند از فضای خالی از یک جسم به جسم دیگر برسد. در جهان‌بینی فارادی، فضا با میدان‌هایی شامل خطوط نیرو اشغال شده است. به عبارت دیگر در فضای اطراف هر بار الکتریکی یک میدان الکتریکی با خطوطی نامرئی قرار گرفته است و اگر بار الکتریکی دیگری در این میدان قرار گیرد، در اثر برهم‌کنش با این خطوط بر آن نیرو وارد می‌شود و این قاعده در مورد نیروی مغناطیسی و نیروی گرانشی هم صادق است. شکل 7 این خطوط را نمایش می‌دهد.
شکل 7
این نظریه فارادی مخالفانی هم داشت، زیرا فارادی با زبان ریاضی پیشرفته‌ای که مورد انتظار نظریه‌پردازان آن دوره بود بحث نمی‌کرد. ریاضیات فارادی فراتر از ریاضیات مقدماتی نبود. احتمالاً در زمان فارادی ریاضیات امتیازی برای خلاقیت بوده است. به گفته نظریه‌پرداز بزرگ میدان در قرن بیستم، آلبرت اینشتین12، مفهوم میدان محصول یک ذهن فوق‌العاده مبتکر و بدیع است، ذهنی که هرگز چسبیده به فرمول‌ها نیست. گرچه جیمز کلارک ماکسول13 مدت کوتاهی پس از مرگ فارادی نظریه بزرگ الکترومغناطیس را دسته‌بندی و ارائه کرد.
فارادی در آخرین کارهایش، آزمایش‌های دیگری را شروع کرد که البته به نتیجه‌ای هم نرسید. او با الهام از ارتباط بین نیروهای الکتریکی و مغناطیسی، سعی کرد رابطه‌اي بین این نیروها و نیروی گرانش برقرار کند. وی در یادداشت‌های آزمایشگاهی‌اش می‌نویسد: نیروی گرانش حتماً باید رابطه‌ای با دو نیروی الکتریکی و مغناطیسی داشته باشد. او از پای ننشست و آزمایش‌های زیادی طراحی کرد. اما نیروی گرانش از پیوستن به نیروهای دیگر امتناع می‌کرد. او در پایان گزارش کارش می‌نویسد: نتایج منفی بود. اما این نتایج احساس مرا در مورد وجود رابطه‌ای بین گرانش و الکتریسیته و مغناطیس متزلزل نمی‌کند.
فارادی در صف بلند فیزیک‌دانان برجسته‌ای که برای یافتن «نظریه وحدت نیروها» پژوهش کرده‌اند نفر اول است. صد سال بعد از او اینشتین هم سال‌ها تلاش کرد، با این حال برای ایجاد یک «نظریه میدان واحد» که شامل گرانش و الکترومغناطیس باشد ناموفق ماند.
پی‌نوشت‌ها
1. Michael Faraday
2. Jane Marcet
3. Humphy Davy
4. Ampere
5. Oersted
6. Electromagnetic Rotation
7. Electromagnetic Induction
8. Faraday's Laws of Electrolysis
9. The Faraday Cage
10. magneto-optical effect
11. action-at-distance
12. Albert Einstein
13. James Clark Maxwell
منابع
1. سرگذشت فیزیک نوین، اثر میشل بیزونسکی، ترجمه لطیف کاشیگر.
2. سرگذشت فیزیک، اثر جورج گاموف، ترجمه رضا اقصی.
3. فیزیک‌دانان بزرگ از گالیله تا هاوکینگ، اثر ویلیام ه.کوپر، ترجمه احمد خواجه نصیر طوسی