Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Człowiek, który odkrył
20 centymetrów
niczego

Ściskanie gazu
Zabawa w nazwy
Pelikan i balon
Z powrotem do atomu
Pasjans z
pierwiastkami

Elektryczne żaby
Tajemnica wiązania
chemicznego: znowu
cząstki

Szok w Kopenhadze
Znowu déjà vu
Świece, silniki,
dynama

Niech pole będzie
z tobą

Z prędkością światła
Hertz na ratunek
Magnes i kulka
Pora do domu?
Pierwsza prawdziwa
cząstka

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Świece, silniki, dynama
 
Świece, silniki, dynama
 
O
to, co Michael Faraday zdziałał: mając 21 lat zaczął profesjonalną działalność jako chemik i odkrył kilka związków organicznych, między innymi benzen. Po czym zajął się fizyką, po drodze porządkując elektrochemię. (Gdyby fizycy z  Uniwersytetu Stanu Utah, którzy w  1989 roku myśleli, że odkryli reakcje termojądrowe zachodzące w  temperaturze pokojowej, lepiej rozumieli prawa elektrolizy Faradaya, zaoszczędziliby sobie i  nam nieco wstydu). Potem Faraday zaczął dokonywać wielkich odkryć dotyczących elektryczności i  magnetyzmu:
  •   odkrył prawo indukcji (nazwane jego nazwiskiem), według którego zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne;
  •   jako pierwszy uzyskał prąd elektryczny za pomocą pola magnetycznego;
  •   wynalazł silnik elektryczny i  dynamo;
  •   wykazał związek między elektrycznością i  wiązaniami chemicznymi;
  •   odkrył wpływ magnetyzmu na światło;
  •   i  znacznie więcej!
  •        A  wszystko to bez tytułów doktora, magistra, bakałarza czy choćby matury. Był matematycznym analfabetą. Swoje odkrycia notował w  formie opisowej, prostym językiem, często ilustrując tekst rysunkami objaśniającymi.
           W  roku 1990 Uniwersytet w  Chicago zainicjował serię programów telewizyjnych zatytułowanych Wykłady świąteczne i  mnie przypadł w  udziale zaszczyt wygłoszenia pierwszego z  nich. Nazwałem go Świeca i  Wszechświat. Tytuł ten zapożyczyłem od Faradaya, który w  roku 1826 wygłaszał pierwsze Wykłady świąteczne dla dzieci. Twierdził wtedy, że w  płomieniu świecy można odnaleźć wszystkie znane nam procesy fizyczne. Było to prawdą w  1826 roku, ale nie w  1990, kiedy wiemy już sporo o  procesach, które nie zachodzą w  płonącej świecy, gdyż panująca tam temperatura jest zbyt niska. Niemniej wykłady Faradaya były błyskotliwe oraz zajmujące i  znakomicie nadawałyby się na prezent gwiazdkowy dla Twoich dzieci, drogi Czytelniku, gdyby tylko jakiś aktor o  aksamitnym głosie nagrał je na płytę kompaktową. Dodajmy więc kolejny rys do portretu tego niezwykłego człowieka – Faraday jako popularyzator.
           Omówiliśmy już jego badania nad zjawiskiem elektrolizy, które przygotowały teren dla odkrycia elektrycznej natury atomów chemicznych, a  także samych elektronów. Teraz chciałbym opowiedzieć o  dwóch najważniejszych osiągnięciach Faradaya: o  indukcji elektromagnetycznej i  jego niemal mistycznej koncepcji „pola”.
           Droga wiodąca do współczesnego rozumienia elektryczności (a właściwie elektromagnetyzmu czy też pola elektromagnetycznego) przypomina słynną podwójną zagrywkę baseballową: Tinker do Eversa do Chance'a. W  tym przypadku mamy: Oersted do Ampère'a  do Faradaya. Oersted i  Ampère jako pierwsi gromadzili wiedzę na temat prądu elektrycznego i  pola magnetycznego. Prąd elektryczny płynący w  przewodach, takich jak te, które znajdują się w  każdym domu, wytwarza pole magnetyczne. Dlatego też, odpowiednio manipulując prądem, można zrobić magnes o  dowolnej sile – od napędzanego prądem z  kieszonkowej bateryjki maleńkiego magnesu poruszającego wiatraczek do ogromnych magnesów stosowanych w  akceleratorach. Ta wiedza na temat elektromagnesów pozwala nam przypuszczać, że naturalne magnesy zawierają jakieś elementy obwodów elektrycznych w  atomowej skali, które współdziałając wytwarzają magnes. Substancje, które nie wykazują własności magnetycznych, także zawierają takie obwody, tylko że są one ułożone chaotycznie – nie powstaje wokół nich żadne wypadkowe pole magnetyczne.
           Faraday bardzo długo próbował połączyć elektryczność i  magnetyzm. Jeśli elektryczność może wytwarzać pole magnetyczne, zastanawiał się, to czy magnesy mogą produkować elektryczność? Czemu nie? Przyroda uwielbia symetrię. Ale potrzebował ponad dziesięciu lat (od 1820 do 1831 roku) na udowodnienie, że jest to możliwe. To było prawdopodobnie największe jego odkrycie.
           Jest ono znane pod nazwą indukcji elektromagnetycznej, a  symetria, której Faraday poszukiwał, przybrała zaskakującą postać. Faraday najpierw zastanawiał się, czy magnes może spowodować ruch przewodu, w  którym płynie prąd. Wyobrażając sobie działające siły, sporządził urządzenie, składające się z  przewodu, którego jeden koniec przyłączył do baterii; drugi zanurzył w  zlewce z  rtęcią. Koniec ten wisiał tak, że mógł swobodnie krążyć wokół żelaznego magnesu umieszczonego w  zlewce. Gdy prąd popłynął, przewód zaczął poruszać się wokół magnesu. Ten dziwny wynalazek znamy dziś pod nazwą silnika elektrycznego. Faraday przekształcił elektryczność w  ruch zdolny do wykonywania pracy.
           Przenieśmy się do roku 1831 i  przyjrzyjmy się innemu wynalazkowi. Faraday nawinął wiele zwojów drutu miedzianego po jednej stronie obwarzanka wykonanego z  miękkiego żelaza i  podłączył oba końce zwoju do wrażliwego urządzenia mierzącego prąd, zwanego galwanometrem. Podobny kawałek drutu nawinął po przeciwnej stronie obwarzanka, a  końce przyłączył do baterii, tak aby prąd popłynął przez ten zwój. Dziś takie urządzenie nazywamy transformatorem. Powtórzmy: mamy dwa zwoje nawinięte po przeciwnych stronach obwarzanka. Jeden, nazwijmy go A, jest podłączony do baterii, drugi (B) do galwanometru. Co się stanie, gdy włączymy prąd?
           Odpowiedź jest bardzo ważna dla historii nauki. Prąd płynący w  zwoju A  wytwarza pole magnetyczne. Faraday sądził, że pole to powinno wywołać przepływ prądu w  zwoju B, ale zamiast tego zauważył dziwne zjawisko. Gdy włączył prąd, wskazówka galwanometru podłączonego do zwoju B  odchylała się – voilà! elektryczność! – ale tylko na moment. Po nagłym skoku wracała na swoje miejsce przy zerze i  uparcie tam tkwiła. Gdy Faraday odłączał baterię, wskazówka znów na chwilę odchylała się w  przeciwnym kierunku. Poprawianie czułości galwanometru nie przyniosło żadnego efektu. Zwiększanie liczby zwojów nie przyniosło żadnego efektu. Podłączanie silniejszych baterii nie przyniosło żadnego efektu. Aż wreszcie – heureka! (w  Anglii wołają wtedy: na Jowisza!) – Faraday zdał sobie sprawę, że prąd w  pierwszym zwoju faktycznie wywoływał przepływ prądu w  drugim, ale tylko wtedy, gdy się zmieniał. Tak więc odkrył, że zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne, co potwierdziło się w  ciągu następnych trzydziestu lat badań.
           Zjawisko to znajduje zastosowanie w  generatorze prądu. Obracający się magnes wytwarza nieustannie zmieniające się pole magnetyczne, które z  kolei wytwarza pole elektryczne i  jeśli umieści się w  tym polu obwód, popłynie w  nim prąd. Magnes można poruszać kręcąc korbą, za pomocą wodospadu albo turbiny parowej. Znaleźliśmy więc sposób wytwarzania prądu elektrycznego, by zamienić noc w  dzień i  zasilić energią wszystkie gniazdka elektryczne w  domach i  fabrykach.
           Ale my, poszukiwacze czystej wiedzy... tropimy a-tom i  Boską Cząstkę; rozwodzimy się nad techniką tylko dlatego, że bardzo trudno byłoby zbudować akcelerator bez pomocy elektryczności. Jeśli zaś chodzi o  Faradaya, to elektryfikacja świata tylko o  tyle zrobiłaby na nim wrażenie, że teraz mógłby pracować także w  nocy.
           Faraday sam zbudował pierwszy ręczny generator na korbę, który nazwano dynamem. Ale był zbyt zajęty „odkrywaniem nowych faktów [...] w  przekonaniu, że [zastosowania praktyczne] potem się pojawią”, by zastanawiać się, do czego takie dynamo mogłoby się przydać. Często powtarzana anegdota głosi, że gdy premier brytyjski odwiedził w  1832 roku laboratorium Faradaya, wskazał na dziwaczne urządzenie i  zapytał, do czego ono służy. „Nie wiem, ale idę o  zakład, że kiedyś pański rząd obłoży je podatkiem” – powiedział Faraday. Podatek od wytwarzania elektryczności wprowadzono w  Anglii w  1880 roku.
    góra strony
    poprzedni fragment następny fragment
    Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach