Michael Faraday

Bedeutung und Lebensweg

Michael Faraday (* 22. September 1791 in Newington Butts, Surrey; † 25. August 1867 in Hampton Court Green, Middlesex) war ein englischer Naturforscher und gilt als einer der bedeutendsten Experimentalphysiker. Seine wichtigsten Beiträge betreffen Elektrizität, Magnetismus, Chemie und die anschauliche Beschreibung physikalischer Wirkungen durch Kraftlinien und Felder. Seine Entdeckungen der „elektromagnetischen Rotation“ und der elektromagnetischen Induktion legten Grundlagen für Elektromotoren, Generatoren, Transformatoren und damit für die spätere Elektroindustrie. Außerdem entdeckte er unter anderem Benzol und Buten, verflüssigte mehrere Gase und formulierte die Grundgesetze der Elektrolyse.

Faraday wuchs in einfachen Verhältnissen auf. Sein Vater war Schmied, die Familie zog Anfang 1791 in die Nähe von London. Faraday besuchte nur bis zum zwölften Lebensjahr eine einfache Tagesschule, wo er Lesen, Schreiben und Rechnen lernte. 1804 wurde er Laufbursche beim Buchhändler George Riebau, 1805 begann er dort eine siebenjährige Buchbinderlehre. Beim Binden und Lesen von Büchern eignete er sich selbst Wissen an, besonders durch Jane Marcets Conversations on Chemistry und Artikel über Elektrizität. Er führte kleine chemische und elektrische Experimente durch und lernte, Vorträge mitzuschreiben und Notizen systematisch zu ordnen.

1812 besuchte Faraday Vorlesungen des Chemikers Humphry Davy und schickte ihm seine sauber ausgearbeiteten Mitschriften. Nachdem Davy bei Experimenten verletzt worden war, brauchte er Hilfe bei seinen Notizen. Am 1. März 1813 erhielt Faraday eine Stelle als Laborgehilfe an der Royal Institution. Diese Einrichtung wurde für etwa vier Jahrzehnte seine wichtigste Wirkungsstätte. Dort unterstützte er Vorlesungen, betreute Instrumente, führte eigene Experimente durch und stieg später zum Labordirektor auf.

Von 1813 bis 1815 begleitete Faraday Davy auf einer Reise durch Kontinentaleuropa. Er kam mit bedeutenden Naturforschern in Kontakt und beteiligte sich an Experimenten, unter anderem zu Iod und zur Zusammensetzung von Diamanten aus reinem Kohlenstoff. Nach der Rückkehr wurde er wieder an der Royal Institution angestellt, entwickelte sich rasch zum chemischen Analytiker und veröffentlichte ab 1816 wissenschaftliche Arbeiten. 1821 heiratete er Sarah Barnard; die Ehe blieb kinderlos. 1833 wurde Faraday erster Fuller-Professor für Chemie. Insgesamt führte er etwa 30.000 Experimente durch und veröffentlichte 450 wissenschaftliche Artikel.

Chemie und frühe Forschung

Faraday galt bereits um 1820 als führender chemischer Analytiker Großbritanniens. Er arbeitete zunächst an vielen praktischen und analytischen Aufgaben: Er untersuchte Papier, Tonerde, Stahllegierungen und Stoffproben für Auftraggeber. 1820 beschrieb er in einer Arbeit zwei von ihm entdeckte Chlorkohlenstoffverbindungen, Tetrachlorethen und Hexachlorethan.

Ein wichtiger chemischer Erfolg war die Verflüssigung von Gasen. 1823 untersuchte Faraday Chlorhydrat und konnte Chlor durch Erhitzen unter Druck erstmals verflüssigen. 1823 und erneut 1844 verflüssigte er weitere Gase, darunter Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid, Distickstoffmonoxid, Chlorwasserstoff, Schwefelwasserstoff, Dicyan und Ethen. Er erkannte, dass es eine kritische Temperatur gibt: Oberhalb dieser Temperatur lässt sich ein Gas unabhängig vom Druck nicht mehr verflüssigen. Damit zeigte er auch, dass die Zustände fest, flüssig und gasförmig ineinander überführbar sind und keine starren Kategorien bilden.

1825 entdeckte Faraday in flüssigen Rückständen von Leuchtgas eine neue Kohlenwasserstoff-Verbindung, die er „Bicarburet of Hydrogen“ nannte. Eilhard Mitscherlich gab dieser Substanz im selben Jahr den Namen Benzol. Kurz darauf entdeckte Faraday mit Buten eine Verbindung, die die gleiche Verhältnisformel wie Ethen hatte, sich aber chemisch anders verhielt. 1826 bestimmte er außerdem die Zusammensetzung von Naphthalin.

1827 veröffentlichte Faraday Chemical Manipulation, eine Einführung in die praktische Chemie. Das Buch richtete sich an Anfänger und behandelte unter anderem die Einrichtung eines Labors, die Durchführung chemischer Experimente und die Fehleranalyse. Daneben arbeitete Faraday von 1824 bis 1830 an der Herstellung besserer optischer Gläser. Ziel war es, hochwertige Gläser für optische Geräte herzustellen, die mit den deutschen Flintgläsern von Joseph von Fraunhofer konkurrieren konnten. Obwohl einige Ergebnisse brauchbar waren, hielt Faraday die Resultate seiner fünfjährigen Arbeit selbst für unzureichend.

Elektrizität, Magnetismus und Elektrolyse

Faradays wichtigste physikalische Arbeiten behandelten den Zusammenhang von Elektrizität und Magnetismus. 1821 wiederholte er Experimente von Hans Christian Ørsted, André-Marie Ampère und François Arago. Ørsted hatte gezeigt, dass ein elektrischer Strom eine Kompassnadel ablenken kann. Faraday gelang am 3. September 1821 ein Experiment, bei dem sich ein stromdurchflossener Leiter unter dem Einfluss eines Dauermagneten um seine eigene Achse drehte. Diese „elektromagnetische Rotation“ war eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung des Elektromotors.

Am 29. August 1831 entdeckte Faraday die elektromagnetische Induktion. Dabei entsteht in einem Leiter eine elektrische Spannung, wenn sich das Magnetfeld ändert. In seinem Versuch nutzte er einen Weicheisenring mit Drahtwicklungen. Beim Schließen und Öffnen eines Stromkreises auf einer Seite bewegte sich auf der anderen Seite eine Magnetnadel. Das zeigte, dass eine Änderung des elektrischen Stroms und damit des Magnetfelds eine elektrische Wirkung in einer getrennten Wicklung erzeugen kann. Dieses Prinzip liegt späteren Transformatoren zugrunde. Faraday zeigte außerdem, dass ein Stabmagnet, der durch eine Drahtspule bewegt wird, eine Spannung in der Spule induziert. Nach diesem Grundprinzip arbeiten elektrische Generatoren.

Faraday untersuchte danach, ob Elektrizität je nach Entstehungsart verschieden ist. Er verglich voltaische Elektrizität, Reibungselektrizität, Thermoelektrizität, tierische Elektrizität und magnetische Elektrizität. Sein Ergebnis lautete: „…daß die Elektricität, aus welcher Quelle sie auch entsprungen sey, identisch ist in ihrer Natur“.

Ein weiterer Schwerpunkt war die Elektrolyse, also die chemische Zersetzung einer Substanz durch elektrischen Strom. Faraday führte dafür wichtige Fachbegriffe ein oder übernahm sie nach Vorschlägen von Whitlock Nicholl und William Whewell: Elektrode für die Ein- und Austrittsflächen des Stroms, Elektrolyse für den Vorgang, Elektrolyt für die betroffene Substanz, Anode und Kathode für die beiden Elektroden sowie Anion, Kation und Ion für die beteiligten Teilchen. 1834 formulierte er zwei Grundgesetze der Elektrolyse: „Die chemische Kraft eines elektrischen Stroms ist direct proportional der absoluten Menge von durchgegangener Elektricität.“ Und: „Die elektro-chemischen Aequivalente sind den gewöhnlichen chemischen gleich.“ Damit zeigte Faraday, dass chemische und elektrische Kräfte quantitativ zusammenhängen.

Felder, Abschirmung und Licht

Faraday suchte anschauliche Erklärungen für elektrische und magnetische Wirkungen. Er war unzufrieden mit der Vorstellung, Kräfte wirkten einfach aus der Ferne. Stattdessen dachte er in Kraftlinien und Feldern. Ein Feld bezeichnet dabei einen Raum, in dem eine Kraftwirkung vorhanden ist; Kraftlinien veranschaulichen Richtung und Verlauf dieser Wirkung.

1836 führte Faraday ein berühmtes Abschirmungsexperiment durch. Er baute im Hörsaal der Royal Institution einen Würfel mit 12 Fuß, also etwa 3,65 Meter Seitenlänge, dessen Flächen mit Kupferdraht bespannt waren. Der Würfel stand isoliert auf Glasfüßen und wurde elektrisch geladen. Im Inneren konnte Faraday mit einem Goldblatt-Elektrometer keine Elektrizität nachweisen. Diese Anordnung wurde später als faradayscher Käfig bekannt: Im Inneren eines geschlossenen leitfähigen Körpers verschwindet das elektrische Feld. Dieses Prinzip dient bis heute zur Abschirmung elektrostatischer Felder.

1837 untersuchte Faraday den Einfluss von Isolatoren auf elektrische Wirkungen. Ein Isolator ist ein Stoff, der elektrischen Strom schlecht oder gar nicht leitet. Mit zwei Kugelkondensatoren zeigte er, dass ein Kondensator mit einem Isolator zwischen den Leitern mehr Ladung aufnehmen kann. Für dieses Maß verwendete er den Ausdruck „specific inductive capacity“, was heute der Dielektrizitätskonstanten entspricht. Für den nichtleitenden Stoff zwischen zwei Leitern nutzte er den von Whewell vorgeschlagenen Begriff Dielektrikum. Faraday erklärte das Ergebnis mit einer Polarisation der Teilchen im Isolator.

1845 wies Faraday nach, dass Magnetismus und Licht zusammenhängen. Er schickte polarisiertes Licht durch verschiedene Stoffe, die sich in einem starken Magnetfeld befanden. Bei einem Bleiborat-Glas fand er eine Drehung der Polarisationsebene, wenn der Lichtstrahl parallel zu den Magnetfeldlinien verlief. Dieser magnetooptische Effekt heißt heute Faraday-Effekt. Faraday deutete damit an, dass Licht und Magnetismus verbundene physikalische Phänomene sind.

Ebenfalls 1845 entdeckte Faraday den Diamagnetismus. Diamagnetische Stoffe werden in einem Magnetfeld so beeinflusst, dass sie sich anders verhalten als gewöhnlich magnetische Stoffe; Faraday beobachtete dies zuerst an Bleiboratglas und besonders deutlich an Bismut. Whewell schlug die Begriffe diamagnetisch und paramagnetisch vor. Faraday verwendete in diesem Zusammenhang am 7. November 1845 erstmals den Begriff „Magnetfeld“. Später entdeckte er auch die magnetische Anisotropie, also die Orientierung bestimmter Kristalle entlang bevorzugter Achsen im Magnetfeld.

Lehre, Öffentlichkeit und staatliche Aufgaben

Faraday war nicht nur Forscher, sondern auch ein wichtiger Vermittler von Naturwissenschaft. An der Royal Institution entwickelte er ab 1825 die Freitagabendvorlesungen, in denen Themen aus Naturforschung und Technik verständlich für Laien vorgestellt wurden. Die erste dieser Vorlesungen hielt er am 3. Februar 1826 über Kautschuk. Bis 1862 gab Faraday insgesamt 126 einstündige Freitagabendvorlesungen.

Besonders wichtig wurden die Weihnachtsvorlesungen, die sich an junge Hörer richteten. Faraday prägte diese Vortragsform bis Anfang der 1860er Jahre wesentlich und war ab 1827 für insgesamt 19 Folgen verantwortlich. Seine Vorlesungsreihe Chemical History of a Candle, auf Deutsch Naturgeschichte einer Kerze, wurde mitgeschrieben, als Buch veröffentlicht und in viele Sprachen übersetzt. Sie gilt als eines der erfolgreichsten populärwissenschaftlichen Bücher.

Faraday arbeitete auch im öffentlichen Dienst. Mehr als zwanzig Jahre lang unterrichtete er Kadetten der Royal Military Academy in Woolwich in Chemie und hielt dort bis 1852 jährlich 25 Vorlesungen. Ab 1836 war er wissenschaftlicher Berater von Trinity House, der Behörde für englische Leuchttürme. Er analysierte Materialien, begutachtete Beleuchtungssysteme und unterstützte die Modernisierung der Leuchttürme, unter anderem durch den Einsatz von Fresnel-Linsen und Experimente zur Elektrifizierung.

Außerdem wurde Faraday bei staatlich wichtigen Untersuchungen eingesetzt. Nach einer Explosion in der Schießpulverfabrik Waltham Abbey 1843 untersuchte er mögliche Ursachen und gab Empfehlungen zur Vermeidung künftiger Unfälle. Nach der Explosion in der Haswell-Grube 1844, bei der 95 Menschen starben, erkannte er gemeinsam mit Charles Lyell und Samuel Stutchbury, dass Kohlenstaub eine wesentliche Rolle spielte, und empfahl eine bessere Bewetterung. Faraday beriet zudem Einrichtungen wie die National Gallery, das British Museum und das Metropolitan Board of Works, etwa bei Fragen zur Konservierung von Gemälden, zur Untersuchung antiker Skulpturen und zum Schutz von Kalkstein am Houses of Parliament.

Späte Jahre und Nachwirkung

Faraday war Mitglied der Sandemanianer, einer kleinen christlichen Minderheit, die sich auf eine wörtliche Auslegung der Bibel stützte. Er trat 1821 in die Gemeinde ein, wurde 1832 Diakon und 1840 Ältester. Seine religiösen Überzeugungen waren für ihn privat; öffentlich sprach er nur selten darüber.

Ende 1839 erlitt Faraday nach Überarbeitung einen schweren gesundheitlichen Zusammenbruch mit Kopfschmerzen, Schwindel und zeitweiligem Gedächtnisverlust. Danach arbeitete er zeitweise nur sporadisch. Dennoch setzte er seine Forschungen fort, etwa zu Gasen, Magnetismus, Licht und möglichen Zusammenhängen zwischen Gravitation und Elektrizität. Versuche, einen Zusammenhang zwischen Gravitation und Elektrizität oder Wärme nachzuweisen, blieben erfolglos. 1855 stellte er den dritten und letzten Band seiner Experimental Researches in Electricity zusammen. 1861 begann er seine letzte Versuchsreihe mit einem Spektroskop; sie blieb wegen nicht ausreichend empfindlicher Messgeräte ohne Erfolg. Am 20. Juni 1862 hielt er seinen letzten Freitagabendvortrag. 1865 wurde er von allen Verpflichtungen an der Royal Institution entbunden. Faraday starb am 25. August 1867 in Hampton Court und wurde auf dem Highgate Cemetery begraben.

Faradays Konzepte wirkten stark auf James Clerk Maxwell. Faraday beschrieb elektrische und magnetische Vorgänge ohne mathematische Formeln mit Kraftlinien und Feldern. Maxwell überführte diese experimentellen Befunde in eine mathematische Theorie des Elektromagnetismus. 1864 formulierte er die Maxwellschen Gleichungen, die zur Grundlage der Elektrodynamik wurden und Faradays elektromagnetische Entdeckungen erklären konnten. Eine der vier Maxwellschen Gleichungen beschreibt mathematisch die von Faraday entdeckte elektromagnetische Induktion.

Faraday erhielt zahlreiche Ehrungen. Die Royal Society zeichnete ihn mit der Copley-Medaille 1832 und 1838, der Royal Medal 1835 und 1846 sowie der Rumford-Medaille 1846 aus. Das Angebot, Präsident der Royal Society zu werden, lehnte er 1848 und 1858 ab. 1842 erhielt er den preußischen Verdienstorden Pour le Mérite. Nach ihm benannt sind unter anderem die Einheit Farad für elektrische Kapazität, ein Mondkrater, ein Asteroid, mehrere Preise und die Pflanzengattung Faradaya. Sein schriftlicher Nachlass umfasst unter anderem Labortagebücher, Notizen, Manuskripte, Briefe und Aufzeichnungen zu etwa 30.000 Experimenten; von seiner Korrespondenz sind etwa 4800 Briefe in 230 Archiven erhalten.