Faradays Entdeckung der elektrischen Induktion

Faraday, der größte Experimentalphysiker auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus des 19. Jahrhunderts und einer der größten Experimentalphysiker aller Zeiten, arbeitete zehn Jahre lang immer wieder daran, zu beweisen, dass ein Magnet Elektrizität induzieren kann. Im Jahr 1831 gelang ihm dies schließlich mit zwei Drahtspulen, die um gegenüberliegende Seiten eines Rings aus Weicheisen gewickelt waren (Abbildung 7). Die erste Spule wurde an eine Batterie angeschlossen; wenn ein Strom durch die Spule floss, wurde der Eisenring magnetisiert. Ein Draht der zweiten Spule wurde zu einer einen Meter entfernten Kompassnadel geführt, die weit genug entfernt war, um nicht direkt vom Strom im ersten Stromkreis beeinflusst zu werden. Beim Einschalten des ersten Stromkreises beobachtete Faraday eine kurzzeitige Auslenkung der Kompassnadel und ihre sofortige Rückkehr in ihre ursprüngliche Position. Als der Primärstrom abgeschaltet wurde, kam es zu einer ähnlichen Auslenkung der Kompassnadel, allerdings in die entgegengesetzte Richtung. Aufbauend auf dieser Beobachtung zeigte Faraday in weiteren Experimenten, dass Änderungen des Magnetfeldes um die erste Spule für die Induktion des Stroms in der zweiten Spule verantwortlich sind. Er wies auch nach, dass ein elektrischer Strom durch die Bewegung eines Magneten, durch das Ein- und Ausschalten eines Elektromagneten und sogar durch die Bewegung eines elektrischen Drahtes im Magnetfeld der Erde induziert werden kann. Innerhalb weniger Monate baute Faraday den ersten, wenn auch primitiven, elektrischen Generator.

Henry hatte die elektrische Induktion ganz unabhängig 1830 entdeckt, aber seine Ergebnisse wurden erst veröffentlicht, nachdem er die Nachricht von Faradays Arbeit 1831 erhalten hatte, und er entwickelte die Entdeckung auch nicht so umfassend wie Faraday. In seiner Arbeit vom Juli 1832 berichtete Henry über die Selbstinduktion und interpretierte sie richtig. Er hatte große elektrische Lichtbögen aus einem langen spiralförmigen Leiter erzeugt, als dieser von einer Batterie getrennt wurde. Als er den Stromkreis geöffnet hatte, war durch den schnellen Abfall des Stroms eine große Spannung zwischen dem Batteriepol und dem Draht entstanden. Als der Draht von der Batterie abgezogen wurde, floss der Strom für kurze Zeit in Form eines hellen Lichtbogens zwischen der Batterieklemme und dem Draht weiter.

Faradays Denken war durchdrungen vom Konzept der elektrischen und magnetischen Kraftlinien. Er stellte sich vor, dass Magnete, elektrische Ladungen und elektrische Ströme Kraftlinien erzeugen. Als er eine dünne, mit Eisenfeilspänen bedeckte Karte auf einen Magneten legte, konnte er sehen, wie die Feilspäne Ketten von einem Ende des Magneten zum anderen bildeten. Er glaubte, dass diese Linien die Richtungen der Kräfte zeigten und dass elektrischer Strom die gleichen Kraftlinien haben würde. Die Spannung, die sie aufbauen, erklärt die Anziehung und Abstoßung von Magneten und elektrischen Ladungen. Faraday hatte bereits 1831 bei seinen Induktionsexperimenten magnetische Kurven visualisiert; er schrieb in seinen Notizen: „Mit magnetischen Kurven meine ich Linien magnetischer Kräfte, die durch Eisenfeilspäne dargestellt würden.“ Faraday wandte sich gegen die vorherrschende Vorstellung, dass Induktion „in der Ferne“ auftritt; stattdessen vertrat er die Ansicht, dass Induktion aufgrund der Wirkung aneinandergrenzender Teilchen entlang gekrümmter Kraftlinien erfolgt. Später erklärte er, dass Elektrizität und Magnetismus durch ein Medium übertragen werden, in dem sich elektrische oder magnetische „Felder“ befinden, die alle Stoffe bis zu einem gewissen Grad magnetisch machen.

Faraday war nicht der einzige Forscher, der den Grundstein für eine Synthese zwischen Elektrizität, Magnetismus und anderen Bereichen der Physik legte. Auf dem europäischen Kontinent, vor allem in Deutschland, stellten Wissenschaftler mathematische Verbindungen zwischen Elektrizität, Magnetismus und Optik her. Die Arbeiten der Physiker Franz Ernst Neumann, Wilhelm Eduard Weber und H.F.E. Lenz gehören in diese Zeit. Zur gleichen Zeit klärten Helmholtz und die englischen Physiker William Thomson (später Lord Kelvin) und James Prescott Joule das Verhältnis zwischen Elektrizität und anderen Energieformen. Joule untersuchte in den 1840er Jahren die quantitative Beziehung zwischen elektrischen Strömen und Wärme und formulierte die Theorie der Erwärmungseffekte, die den Stromfluss in Leitern begleiten. Helmholtz, Thomson, Henry, Gustav Kirchhoff und Sir George Gabriel Stokes erweiterten ebenfalls die Theorie der Leitung und Ausbreitung elektrischer Effekte in Leitern. 1856 bestimmten Weber und sein deutscher Kollege Rudolf Kohlrausch das Verhältnis von elektrischen und magnetischen Einheiten und stellten fest, dass es die gleichen Abmessungen wie Licht hat und fast genau seiner Geschwindigkeit entspricht. 1857 nutzte Kirchhoff diese Erkenntnis, um zu zeigen, dass sich elektrische Störungen auf einem gut leitenden Draht mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.