Michael Faraday è stato un chimico e fisico britannico che ha dato un contributo significativo allo studio dell’elettromagnetismo e dell’elettrochimica. Nato 1791 nel sud di Londra da una famiglia di umili origini Michael Faraday ricevette un’istruzione di base.
Grazie a un lavoro di apprendista presso un legatore locale si istruì leggendo libri su una vasta gamma di argomenti scientifici e nel 1812 frequentò delle lezioni tenute dal chimico Humphry Davy alla Royal Institution su uno dei più intriganti problemi della chimica: la definizione di acidità. Michael Faraday prese appunti e poi fece così tante aggiunte agli appunti che produsse un libro manoscritto di 300 pagine, che rilegò e inviò a Davy come omaggio.
A quel tempo Faraday aveva iniziato esperimenti più sofisticati nel retro della libreria, costruendo una batteria elettrica usando monete di rame e dischi di zinco separati da carta umida e salata e utilizzò la sua batteria per decomporre sostanze chimiche come il solfato di magnesio.
Humphry Davy contribuì all’educazione scientifica di Michael Faraday e lo presentò a famosi scienziati in Europa, tra cui André-Marie Ampère e Alessandro Volta e, quando andò in pensione nel 1827, Faraday lo sostituì come professore di chimica alla Royal Institution.
Michael Faraday e elettromagnetismo
Sebbene alla fine del XVIII secolo furono fatti importanti scoperte in relazione ai fenomeni elettrici grazie al genio degli italiani Luigi Galvani ricordato per la scoperta dell’elettricità biologica e di alcune sue applicazioni, come la cella elettrochimica e Alessandro Volta inventore del primo generatore elettrico mai realizzato, la pila, regnava ancora molta confusione sulla relazione tra elettricità e magnetismo.
Fu solo nel 1820 che il fisico e chimico danese, Hans Christian Ørsted, scoprì che un filo percorso da una corrente elettrica genera un campo magnetico dimostrando in tal modo che elettricità e magnetismo sono fenomeni collegati che costituì il concetto alla base della teoria dell’elettromagnetismo.
Alla luce di queste scoperte Michael Faraday scoprì un effetto, denominato in suo onore effetto Faraday, secondo il quale il piano di polarizzazione di un’onda elettromagnetica viene ruotato in un materiale sotto un campo magnetico applicato parallelamente alla direzione di propagazione dell’onda luminosa.
Elettricità
Nel 1821 inventò il motore elettrico e nel 1831 realizzò la prima dinamo, nota come disco di Faraday, un precursore dell’attuale generatore elettrico, quando scoprì l’induzione di correnti elettriche. La legge di induzione di Faraday è il principio operativo di base dei trasformatori e di molti tipi di motori e generatori elettrici.
Nel suo lavoro sull’elettricità statica Michael Faraday nel 1836, osservò che in un conduttore cavo, elettricamente carico, le cariche si concentrano sulla superficie esterna e non hanno alcuna influenza su ciò che si trova all’interno in quanto le cariche esterne si ridistribuiscono in modo tale che i campi interni dovuti a esse si annullano.
Per dimostrare questo fenomeno Faraday costruì un dispositivo denominato gabbia di Faraday, rivestito con un foglio di metallo, e lasciò che scariche ad alto voltaggio da un generatore elettrostatico colpissero l’esterno della gabbia. Utilizzò un elettroscopio per dimostrare che non c’era alcuna carica elettrica in eccesso all’interno delle pareti e del volume della stanza.
La gabbia di Faraday può essere utilizzata per impedire il passaggio di onde elettromagnetiche e campi elettrici, contenendoli o escludendoli dal suo spazio interno.
Si noti che le gabbie di Faraday schermano l’interno anche dalle radiazioni elettromagnetiche esterne, oltre che dai campi elettrici, se il conduttore o la parete sono sufficientemente spessi e se i fori sono significativamente più piccoli della lunghezza d’onda della radiazione.
Liquefazione dei gas
Intorno al 1920 Michael Faraday condusse un lavoro pionieristico sulla liquefazione del cloro, ammoniaca e anidride carbonica. Il metodo di Faraday si basa sul principio del raffreddamento di un gas e dell’applicazione di una certa pressione per facilitare la sua transizione dallo stato gassoso a quello liquido.
Per la liquefazione di un gas si può operare comprimendo un gas in un sistema in cui si perde calore nell’ambiente circostante. Una volta raffreddato a sufficienza, la compressione continua finché il gas non diventa liquido.
Il metodo si basa su due fattori chiave ovvero pressione e temperatura che può essere interpretato attraverso i principi di ciò che oggi è noto come diagramma di fase di una sostanza. Sperimentalmente riuscì a trovare le condizioni tali da consentire al gas di attraversare la linea gas-liquido del diagramma di fase, consentendone quindi la liquefazione.
La scoperta del benzene
Michael Faraday isolò e identificò per primo il benzene, capostipite dei composti aromatici, nel 1825 dal residuo oleoso derivante dalla produzione di gas illuminante. Quest’ultimo veniva ottenuto versando olio di balena o di pesce in una fornace calda, comprimendo il gas che si era creato e poi conservandolo in contenitori da utilizzare nelle lampade di edifici privati e pubblici. Nell’ambito dei suoi studi sulla liquefazione dei gas Michael Faraday sperimentò la distillazione di questa miscela e, come riferì in un articolo alla Royal Society il 16 giugno, riuscì a separare un nuovo composto di carbonio e idrogeno.
Poco più di trent’anni dopo la scoperta di Faraday, l’importanza industriale del benzene fu compresa con l’istituzione dell’industria dei coloranti sintetici come la mauveina che fu il primo colorante sintetico ottenuta dall’anilina nel 1856.
La struttura del benzene intrigò gli scienziati dell’epoca e solo nel 1865, il chimico tedesco Friedrich August Kekulé pubblicò un articolo suggerendo che la struttura conteneva un anello di sei atomi di carbonio con legami singoli e doppi alternati e delocalizzati
Leggi di Faraday
Per la trattazione quantitativa dell’elettrolisi, processo tramite il quale l’energia elettrica si converte in energia chimica e avvengono reazioni non spontanee che avvengono in verso opposto in una cella galvanica, ci si avvale delle due leggi di Michael Faraday pubblicate nel 1833.
Secondo la prima legge di Faraday la massa di un elemento che si deposita agli elettrodi è proporzionale alla quantità di elettricità che passa nella soluzione ovvero q = i Δt dove i è l’intensità di corrente elettrica e Δt è l’intervallo di tempo in cui tale corrente è circolata .
Secondo la seconda legge di Faraday le masse di diversi elementi depositati dalla stessa quantità di elettricità sono proporzionali agli equivalenti. Nello specifico, per decomporre un equivalente di sostanza occorrono 96500 coulombs. A tale quantità di elettricità si dà il nome di Faraday