Vater der erweiterten Lehre des Elektromagnetismus Vom Draht zur Stromquelle: Faradays Weg zur elektrischen Revolution

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Vom Prinzip der elektromagnetischen Induktion bis zur Idee des Faraday’schen Käfigs: Im zweiten Teil beleuchten wir Faradays bahnbrechende Experimente, seine Entdeckungen zur Elektrizität und warum er fast daran zerbrach.

Den ersten Teil zum Leben und Wirken von Michael Faraday schlossen wir mit seiner Aufnahme in die Royal Society im Jahr 1824 und den dort von ihm eingeführten Sondervorlesungen ab. Wir gehen zu Beginn noch einmal ein paar Jahre zurück in das Jahr 1820, als Faraday begann, sich intensiver mit dem Thema Elektrizität zu beschäftigen, genauer gesagt mit dem Wechselspiel zwischen Elektrizität und Magnetismus. Dabei entdeckte er im September 1821 die „elektromagnetische Rotation“, das Grundprinzip für einen Elektromotor.

Den Vorwurf, er habe die Idee von William Hyde Wollaston kopiert, entkräftete Faraday durch das Offenlegen seiner Beteiligung an einer bereits zuvor veröffentlichten Arbeit zu dem Thema, bei der er zunächst anonym geblieben war. Gegen Ende 1824 versuchte er zudem, Magnetismus in Elektrizität umzuwandeln, was ihm aber nicht gelang, und zwar auch nicht bei weiteren Versuchen in den Jahren 1825 und 1826.

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Aber auch im Forschungsfeld der Chemie war Faraday weiterhin aktiv. So wies er in zwei Etappen 1823 und 1844 durch Experimente mit verschiedenen Gasen nach, dass es eine bestimmte Temperatur gibt, ab der sich das jeweilige Gas nicht mehr verflüssigt, unabhängig vom herrschenden Druck. Per Zufall entdeckte er 1825 zudem eine Kohlenwasserstoff-Verbindung als Rückstand in Leuchtgas-Kannen, die Ethen sehr ähnlich war, aber andere Eigenschaften aufwies und später als Benzol bekannt wurde.

Weniger erfolgreich verliefen Forschungen zur Herstellung von hochwertigem Glas von 1825 bis 1830. Astronomen, die für Teleskope Gläser auf Basis der Forschungsergebnisse nutzen, zeigten sich in Berichten aus dem Jahr 1831 zwar zufrieden, aber Faraday selbst sah sich als gescheitert an – und widmete sich wieder verstärkt dem Forschungsfeld der Elektrizität.

Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus

Im Jahr 1831 entdeckte Faraday die elektromagnetische Induktion, die die Grundlage für Transformatoren ist. Er ließ für ein Experiment einen Eisenring anfertigen, bei dem er unten und oben jeweils isolierten Kupferdraht aufwickelte. Die Enden jeder Wicklung verband er durch einen Kupferdraht mit einer Magnetnadel, eine der Wicklungen zudem mit einer Batterie. Mit dem Schließen des Stromkreises bewegte sich die Nadel in eine Richtung, beim Öffnen des Stromkreises wiederum in die andere Richtung. Außerdem stellte er fest, dass ein Magnet, der durch einen Helix aus Draht bewegt wird, eine Spannung erzeugt – dies war wiederum die Grundlage für elektrische Generatoren.

Die Experimente fanden zwischen Ende August bis Anfang November 1831 statt, aber da Faraday mehrere Wochen gar nicht vor Ort war, sollen die Erkenntnisse in nur elf Tagen zustande gekommen sein. Neben einem Vortrag seiner Ergebnisse bei der Royal Society berichtete Faraday auch seinem französischen Brieffreund und Mathematiker Jean Nicolas Pierre Hachette über seine Experimente. Die wissenschaftlichen Neuigkeiten, dass man durch Magnetismus Strom erzeugen kann, verbreiteten sich in den Folgewochen rasch über Frankreich bis nach Italien.

Faraday setzte seine Arbeit im Jahr 1832 fort und kam zu der Erkenntnis, dass Elektrizität, egal ob es sich beispielsweise um Reibungselektrizität oder magnetische Elektrizität handelte, immer gleichartig sei. Bei Versuchen, mit Strom Eis zu schmelzen, stellte er fest, dass Wasser im gefrorenen Zustand im Gegensatz zum flüssigen Zustand nicht leitet. Er experimentierte mit weiteren Substanzen und stellte fest, dass sie im flüssigen Zustand zu Leitern werden und sich unter Spannungseinfluss dabei langsam zersetzen.

Der befreundete Arzt Whitlock Nicholl schlug vor, die jeweilige Substanz als Elektrolyt und den Vorgang als Elektrolyse sowie die Ansatzpunkte für den Stromfluss als Elektroden zu bezeichnen. Der Universalgelehrte William Whewell wiederum prägte die Begriffe Anode und Kathode für die Elektroden sowie für die bei der Elektrolyse beteiligten Moleküle die Bezeichnungen Ion, Anion und Kation. Faraday stellte daraufhin Grundsätze für Elektrolyse auf und klammerte bestimmte Faktoren, etwa die Größe der Elektroden, als Einfluss auf die Elektrolyse aus. Einzig die Elektrizitätsmenge und die chemischen Äquivalente seien relevant, was die klare Verbindung zwischen elektrischen und chemischen Kräften aufzeigte.

Der Faraday’sche Käfig und ein Burn-out

Die wohl bekannteste Erkenntnis von Michael Faraday war, dass man im Inneren eines Metallkäfigs frei von äußeren elektrischen Einflüssen ist. Bekannt ist dieses Phänomen daher auch als der Faraday’sche Käfig, obwohl die Erkenntnis hierzu eigentlich vom amerikanischen Multitalent Benjamin Franklin stammte, der bereits vor der Geburt von Michael Faraday verstorben war.

Anfang des Jahres 1836 baute Faraday ein Experiment mit einem großen Würfel auf, um Franklins Aussagen nachzuvollziehen. Die Kanten für den Würfel bestanden aus etwa 3,65 Meter langen Holzlatten. Für die Seitenflächen des Würfels spannte er ein durchgängiges Drahtgeflecht auf. Durch Glasfüße war die Konstruktion vom Boden isoliert. Faraday setzte das Drahtgeflecht unter Strom. Im Inneren des Würfels maß ein Elektrometer die Elektrizität – doch nirgends im Inneren des Würfels war eine Spannung nachzuweisen.

Mittlerweile weiß man es genauer und nutzt das Wissen vorwiegend für Abschirmungszwecke: Das Innere eines von leitendem Material umschlossenen Raumes ist von äußeren elektrischen Einflüssen geschützt, und auch wenn im Inneren eines solchen Raumes Elektrizität vorhanden ist, dringt sie wiederum nicht nach außen. 1837 startete Faraday zudem noch mit Experimenten, die sich mit Isolatoren auseinandersetzten und zu der Entdeckung der Dielektrizitätskonstanten führten, welche ein Maß für die Polarisierbarkeit eines Materials durch elektrische Felder sind.

Die vielen Versuche, Vorlesungen und Vorträge setzten Michael Faraday allerdings gesundheitlich zu, sodass er 1839 einen, zumindest würde man es heute so nennen, Burn-out erlitt. Bis zum Mai 1844 führte er nur noch sporadisch Experimente durch, um sich dann zunächst wieder mit Gasen zu beschäftigen, obwohl er mittlerweile Zweifel hatte, dass er für die Wissenschaft noch nützlich sei.

Kraftlinien und Magnetfelder

Ab Mitte des Jahres 1845 experimentierte Michael Faraday erfolglos mit den Einflüssen von lichtdurchlässigen Nichtleitern auf polarisiertes Licht. Nachweise gelangen erst nach Faradays Tod durch den schottischen Physiker John Kerr. Faraday nutzte aber die zuvor verwendeten Materialien für weitere Versuche, bei denen er mit verschiedenen Sorten Glas experimentierte und feststellte, dass es einen Einfluss von Magnetfeldern auf Lichtstrahlen gibt und beide somit miteinander in Verbindung standen. Dieser Zusammenhang, der magnetooptische Effekt, wird inzwischen auch Faraday-Effekt genannt.

Faradays Veröffentlichungen aus dem Jahr 1846 mit Überlegungen dazu, ob Licht wiederum Magnetismus oder Elektrizität erzeugen könnte, inspirierten den schottischen Physiker James Clerk Maxwell zu seiner 1864 formulierten elektromagnetischen Theorie des Lichts. Angetrieben durch die Erkenntnisse rund um mögliche Einflüsse durch Magnetismus auf andere Stoffe, identifizierte Faraday mehr und mehr Materialien, die diamagnetisch waren, also nicht auf Magnetismus reagieren.

Quasi nebenbei prägte er als erster Wissenschaftler den Begriff des Magnetfeldes und experimentierte weiter, um Theorien über Kraftlinien und Magnetfelder zu veröffentlichen. Über viele Jahre hinweg hatte sich Faraday ab etwa 1836 in den Kopf gesetzt, Zusammenhänge zwischen Magnetismus und Gravitation nachzuweisen, auch da er ein Werk des italienischen Physikers Ottaviano Fabrizio Mossotti sehr schätzte, das die Gravitation mit Elektrizität erklärte. Im November 1850 berichtete er über seine Experimente in Form einer Vorlesung, hatte aber keine Erfolge vorzuweisen. Bis ins Jahr 1859 bemühte sich Faraday weiterhin, Beweise für seine Thesen zu finden – allerdings ohne positive Erkenntnisse. Das mündete darin, dass man ihm von einem Vortrag seiner 1860 fertig formulierten Zusammenfassung seiner Arbeiten der letzten Jahre abriet, was er auch einsah. Denn es gab schließlich außer Misserfolgen nichts zu berichten.

Staatsdienst und letzte Lebensjahre

Faraday war im Laufe seines Lebens auch für staatliche Einrichtungen tätig. So hielt er zwischen 1829 und 1852 jedes Jahr 25 Vorlesungen an der Royal Military Academy. Er arbeitete zudem als Berater für die Schifffahrtsbehörde Trinity House, für die er deren Leuchttürme modernisierte. Ebenso half Faraday bei den Ermittlungen zu zwei Explosionen mit ungeklärter Ursache. Eine davon war die Katastrophe von Haswell, bei der durch eine Grubenexplosion 95 Männer und Jungen zwischen 10 und 65 Jahren ums Leben kamen. Auch für Museen und Baubehörden war Faraday beratend tätig, und er forschte zu der Frage, wie man die Themse sauberer machen könnte.

Im Jahr 1855 erschien seine letzte größere Veröffentlichung im wissenschaftlichen Metier, nämlich der letzte Band der Experimental Researches in Electricity mit einer Zusammenfassung seiner Arbeiten der vorigen neun Jahre. 1858 durfte Michael Faraday in ein Haus umziehen, das im Besitz von Queen Victoria war. Drei Jahre später, im Alter von 70 Jahren, bat Faraday um seine Entlassung aus der Royal Institution – der Bitte wurde praktisch gesehen zugestimmt. Formal technisch aber wurde Faraday nicht entlassen, befand sich dennoch in einer Art Ruhestand. Denn seine einzige Aufgabe war, dass er weiterhin die Planung und Durchführung der jährlichen Weihnachtsvorlesung übernahm.

Von 1862 bis 1865 war er aber schließlich nur noch zu vereinzelten Vorlesungen in der Lage und wurde schließlich aus dem Dienst entlassen. Seine letzte Vorlesung war im Juni 1862 eine populäre Vorlesung zum Thema Gasöfen, die von 800 Menschen besucht wurde. Am 25. August 1867 verstarb er schließlich im Alter von 77 Jahren in seinem Wohnhaus. Sein Grabmahl liegt auf dem Friedhof Highgate im Norden von London.

Durch seine Arbeiten gilt Faraday für viele darauf basierende Erfindungen und Erkenntnisse zumindest als eine Art Patenonkel, wenn nicht gar als Vater. Beispiele sind Elektromotoren, Transformatoren, Generatoren sowie die magnetische Feldtheorie. Michael Faraday wurden etliche Ehrungen zuteil, auch posthum, die zu nennen an dieser Stelle den Rahmen sprengen würden. Es gibt unter anderem einen Mondkrater und einen Asteroiden namens Faraday, und auch Carl Wilhelm Siemens, der Bruder des Konzerngründers Werner von Siemens, ehrte Faraday, indem er ein Schiff zum Verlegen von Kabeln nach ihm benannte. (sb)

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