ഫാരഡേയുടെ കണ്ടെത്തലുകൾ

ജീന എ.വി. എഴുതുന്ന വിദ്യുത്കാന്തിക വർണരാജി ലേഖനപരമ്പ ആറാംഭാഗം

പ്രകാശം അനുപ്രസ്ഥ തരംഗമാണെന്ന അനുമാനത്തിലേക്ക് പ്രകാശശാസ്ത്രം നീങ്ങി. അടുത്ത ചോദ്യം സ്വാഭാവികമായും എന്തിന്റെ ദോലനമാണ് പ്രകാശം? ഇതിനുത്തരം പറയുന്നതിനു മുൻപ് ഒന്ന് മൈക്കൽ ഫാരഡേയുടെ ലാബ് വരെ പോയി വരാം നമുക്ക്. വൈദ്യുതിയുടെ പിതാവെന്ന് വിളിക്കപ്പെടുന്ന ബ്രിട്ടീഷ് ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ് മൈക്കൽ ഫാരഡേ (Michael Faraday, 1791-1867). കാന്തികത, വൈദ്യുതി, വിദ്യുത്-കാന്തികത തുടങ്ങിയ മേഖലകളിൽ ഒരുപാട് കണ്ടെത്തലുകൾ നടത്തിയ ഒരു ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ് ഫാരഡേ. പൊതുവെ പ്രകാശശാസ്ത്രം പഠിക്കുമ്പോൾ ഫാരഡേയുടെ പേര് എവിടെയും കാണാറില്ല എങ്കിലും, പ്രകാശത്തിനു വിദ്യുത് കാന്തികതയുമായുള്ള ബന്ധത്തിന്റെ അടിത്തറ പാകിയതിൽ ഒരു പ്രധാനിയാണ് ഫാരഡേ.

കാന്തത്തിനു ചുറ്റും കാന്തപ്പൊടിയിട്ടു നോക്കിയിട്ടുണ്ടോ? കാന്തപ്പൊടി ഒരു നിശ്ചിത രൂപത്തിൽ വളഞ്ഞ വരകൾ വരച്ചതുപോലെ കാന്തത്തിനു ചുറ്റും വിന്യസിക്കുന്നതു കാണാം, അല്ലേ? കാന്തത്തിനു ചുറ്റും ഒരു കാന്തിക മണ്ഡലമുണ്ട്. ഒരു കാന്തത്തിനു ചുറ്റും കാന്തപ്പൊടി വിതറിയാൽ, ചിത്രം 1-ൽ കാണുന്നതുപോലെ, അതിന്റെ കാന്തിക മണ്ഡലത്തിനനുസരിച്ച് അത് വിന്യസിക്കും. കാന്തത്തിനു ചുറ്റുമുള്ള മണ്ഡലത്തിൽ, കാന്തിക പ്രഭാവവും വിദ്യുത് പ്രഭാവവും കാണാം എന്ന് ഫാരഡേ നിരീക്ഷിച്ചു. 

തുടർന്ന്, 1830-ൽ ഫാരഡേ  ‘ബലരേഖകൾ’ എന്ന ഒരാശയം മുന്നോട്ടുവച്ചു; 

“കാന്തം കാരണം കാന്തിക-വിദ്യുത് പ്രഭാവങ്ങൾ ഉണ്ടാവുന്നു എന്നതിനു പകരം, ആ ‘മണ്ഡലത്തിന്റെ പ്രത്യേകത’യാണ് കാന്തിക-വിദ്യുത് പ്രഭാവങ്ങൾ ഉണ്ടാക്കുന്നത്. വിവിധ തരത്തിലുള്ള ചലനങ്ങൾ (motions) കൊണ്ട് കാന്തികബലത്തെ വിദ്യുത്ബലമായും വിദ്യുത്ബലത്തെ  കാന്തി ബലമായും മാറ്റാം”. 

ഇത് പറയുക മാത്രമല്ല, പരീക്ഷണം നടത്തി കാണിക്കുകയും ചെയ്തു. 1831-ൽ ഫാരഡേ ഒരു ഡൈനാമോ ഉണ്ടാക്കി. ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് ഇൻഡക്ഷന്റെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ കാന്തികബലത്തിൽനിന്നും ഡിസി (direct current)  വൈദ്യുതി ഉണ്ടാക്കുന്ന ഒരു ഉപകരണമാണ് ഡൈനാമോ. ചിത്രം 2a-ൽ ഫാരഡേയുടെ ഡൈനാമോയുടെ രേഖാചിത്രം കൊടുത്തിരിക്കുന്നു. കുതിരലാടം പോലുള്ള ഒരു കാന്തത്തിന്റെ കാന്തികമണ്ഡലത്തിലൂടെ വട്ടത്തിലുള്ള ഒരു ചെമ്പിന്റെ തളിക (തകിട്) ഒരേ ദിശയിൽ കറങ്ങുമ്പോൾ ചിത്രത്തിലെ ‘brush’ എന്ന് അടയാളപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്ന രണ്ടിടങ്ങളിലായി വോൾട്ടേജ് വ്യത്യാസം ഉണ്ടാവും. അങ്ങനെ, ആ തളികയുടെ കേന്ദ്രഭാഗത്തുനിന്നും പുറത്തേയ്ക്കുള്ള ദിശയിൽ വൈദ്യുതി ഉണ്ടാവുന്നു. ചിത്രത്തിലെ വൈദ്യുതിമീറ്ററിനു പകരം അവിടെ ഒരു LED ബൾബ് വച്ചാൽ, ആ ബൾബ് കത്തുന്നത് കാണാം.

ചിത്രം 2 : a) ഫാരഡേയുടെ ഡൈനാമോ b) കുതിരലാടം കാന്തത്തിന്റെ കാന്തിക മണ്ഡലം

പ്രകാശത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ലേഖനത്തിൽ കാന്തത്തിനും വെെദ്യുതിയ്ക്കുമെന്താ കാര്യം എന്ന് തോന്നുന്നുണ്ടോ? ഒന്ന് കണ്ണടച്ച് തുറക്കുമ്പോഴേക്കും കാണിച്ചുതരാലോ!

ഫാരഡേ ഇഫെക്ട് (Faraday effect):

അനുപ്രസ്ഥ തരംഗങ്ങളായ പ്രകാശം (or പ്രകാശമെന്ന അനുപ്രസ്ഥ തരംഗങ്ങൾ?), ഒരു ലീനിയർ പോളറൈസറിലൂടെ (linear polarizer) കടക്കുമ്പോൾ ഒരു നിശ്ചിത ദിശയിൽ/ കോണളവിൽ (ഉദാ: ലംബം/ തിരശ്ചീനം) മാത്രം ദോലനം ചെയ്യുന്ന കിരണങ്ങൾ ആയിരിക്കും പുറത്തുവരിക എന്ന് കഴിഞ്ഞ ലക്കത്തിൽ നാം കണ്ടു. പുറത്തുനിന്നും ഒരുതരത്തിലുമുള്ള തടസ്സം/ സ്വാധീനം വരാത്തിടത്തോളം അതിന്റെ പോളറൈസേഷൻ കോൺ മാറില്ല. 

1845 സെപ്റ്റംബർ മാസം. ബ്രിട്ടീഷ് പ്രകൃതി ശരത്കാലത്തിലേക്ക് വഴിമാറി. ലാബിൽ പോളറൈസ്‌ഡ്‌ പ്രകാശവും കാന്തവും വച്ച് പരീക്ഷണത്തിലായിരുന്നു ഫാരഡേ. വ്യത്യസ്ത വസ്തുക്കളും പരീക്ഷണങ്ങളുമായി പ്രകാശവും കാന്തികമണ്ഡലവും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം പഠിക്കുകയായിരുന്നു അദ്ദേഹം. സെപ്റ്റംബർ പതിമൂന്നാം തിയ്യതി, ഫാരഡേ ഒരു പരീക്ഷണം നടത്തി. പോളറൈസ്‌ഡ്‌ പ്രകാശത്തെ കാന്തികമണ്ഡലത്തിൽ വച്ചിരിക്കുന്ന ഒരു ദ്രവ്യം/ക്രിസ്റ്റലിലൂടെ കടത്തിവിട്ട് അതിന്റെ പോളറൈസേഷൻ കോൺ അളന്നുനോക്കുന്നതായിരുന്നു പരീക്ഷണം. ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് ഇൻഡക്ഷൻ തത്ത്വത്തിന്റെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്നതായിരുന്നു ആ കാന്തികമണ്ഡലം. അതുകൊണ്ടുതന്നെ, ഒരു പരീക്ഷണവസ്തുക്കളെയും അനക്കാതെ, വൈദ്യുതിയുടെ ദിശ മാറ്റി കാന്തിക മണ്ഡലത്തിന്റെ ദിശ മാറ്റാം, വൈദ്യുതിയുടെ അളവ് കൂട്ടിയും കുറച്ചും കാന്തികബലം മാറ്റാം. ഇലക്ട്രോമാഗ്നെറ്റിക് ഇൻഡക്ഷൻ കോയിലിന്റെ നടുവിൽ പലതരത്തിലുള്ള ക്രിസ്റ്റലുകൾ വച്ച്, അതിലൂടെ പോളറൈസ്‌ഡ്‌ പ്രകാശം കടത്തിവിട്ട് പരീക്ഷണം ആവർത്തിച്ചു. ‘heavy glass’ (ഒരുതരം സിലിക്കോ ബോറേറ്റ് ചില്ല്) എന്ന് ഫാരഡേ വിളിച്ച ഒരു ക്രിസ്റ്റലിൽ വേറിട്ട ഒരു നിരീക്ഷണം ഉണ്ടായി.  അത് ഫാരഡേ തന്റെ ഗവേഷണ ഡയറിയിൽ കുറിച്ചത് ചിത്രം 3-ൽ കൊടുത്തിരിക്കുന്നു.

അതിങ്ങനെയായിരുന്നു: പോളറൈസ്ഡ് പ്രകാശം സഞ്ചരിക്കുന്ന ദിശയിൽ കാന്തികമണ്ഡലം ഉണ്ടാവുമ്പോൾ പോളറൈസേഷന്റെ കോൺ മാറുന്നു. ഈ കോണിലുള്ള മാറ്റം കാന്തികബലത്തിനു ആനുപാതികവുമാണ്. പോളറൈസേഷൻ കോൺ മാറി എന്നാൽ, പോളറൈസ്‌ഡ്‌ ആയ അനുപ്രസ്ഥ തരംഗങ്ങളുടെ ദോലനത്തിന്റെ ദിശ മാറി എന്ന് ഉറപ്പിക്കാം. അവിടെയുള്ള കാന്തികമണ്ഡലത്തിലൂടെ പോവുമ്പോൾ ഇത് സംഭവിക്കണമെങ്കിൽ പ്രകാശതരംഗങ്ങൾക്ക് വൈദ്യുതി അല്ലെങ്കിൽ കാന്തികതയുമായി ഒരു ബന്ധം ഉണ്ടാവണം. ആ ക്രിസ്റ്റൽ പിടിച്ചമർത്തിയും അതിന്റെ അടുത്ത് ഇരുമ്പുകഷണം വച്ചും മറ്റു ചെറിയ മാറ്റങ്ങൾ കൊണ്ടുവന്നും പരീക്ഷണം ആവർത്തിച്ചു. ഓരോ പ്രസക്തമായ നിരീക്ഷണങ്ങളും ഫാരഡേ തന്റെ ഗവേഷണ ഡയറിയിൽ എഴുതിവെച്ചിട്ടുണ്ട് [ഫാരഡേയുടെ ഗവേഷണ ഡയറി]. ഇതോടെ പരീക്ഷണം ചെയ്യാൻ ഉത്സാഹവും കൂടി! കുറേക്കൂടി ശക്തി കൂടിയ കാന്തവും കൂടുതൽ ക്രിസ്റ്റലുകളുമൊക്കെയായി പരീക്ഷണത്തോടു പരീക്ഷണം! പരീക്ഷണങ്ങൾ ചെയ്ത് ഒരു റിസൾട്ട് കിട്ടുമ്പോൾ, ആ കിട്ടിയ റിസൾട്ട് ശരിയാണോ തെറ്റാണോ എന്ന് ഉറപ്പിക്കേണ്ടത് പരീക്ഷകരുടെ ചുമതലയാണ്. ഒപ്പം എന്താണ് ആ റിസൾട്ടിൽ നിന്നും നമുക്ക് മനസ്സിലാക്കാവുന്നത് എന്നറിയണമെങ്കിൽ പലതവണ ഒരേ പരീക്ഷണം ആവർത്തിക്കുകയും വേണം. ഇതുകൊണ്ടായിരുന്നു ഒരു പരീക്ഷണം വിജയിച്ചതോടെ ആ നിരീക്ഷണത്തിലൂന്നിക്കൊണ്ട് കൂടുതൽ പരീക്ഷണങ്ങൾ ഫാരഡേ നടത്തിയത്.

അങ്ങനെ ഒരുപാട് പരീക്ഷണങ്ങൾക്കൊടുവിൽ, സെപ്റ്റംബർ 30-നു ഫാരഡേ തന്റെ ഗവേഷണ ഡയറിയിൽ ഇങ്ങിനെ കുറിച്ചു: “… I have at last succeeded in illuminating a magnetic curve or line of force, and in magnetizing a ray of light“

അങ്ങനെ നീണ്ട പരീക്ഷണങ്ങൾക്കൊടുവിൽ പ്രകാശത്തിന്റെ കാന്തികസ്വഭാവം ഫാരഡേ കണ്ടെത്തി.

പരീക്ഷണം- ഫാരഡേ കേജ്‌

അടുത്ത ലക്കത്തിന് മുന്നോടിയായുള്ള ഒരു പരീക്ഷണമാണ് ഇത്തവണ. കാന്തിക-വൈദ്യുത മണ്ഡലത്തിനു കടന്നുചെല്ലാൻ പറ്റാത്ത ഒരു ലോഹക്കൂടാണ്  ‘ഫാരഡേ കേജ്‌’. മരുഭൂമിയുടെ നടുവിലോ പർവതത്തിനു മുകളിലോ ആവട്ടെ, ഒരുഗ്രൻ ഫാരഡേ കേജിന്റെ ഉള്ളിലിരുന്നാൽ ഇടിമിന്നൽ വന്നാൽ പേടിക്കേണ്ട കാര്യമില്ല. വൈദ്യുതിക്ക് കടന്നുവരാൻ പറ്റില്ലല്ലോ!

ഇരുമ്പുപോലെ വിദ്യുത്ചാലകമായ വസ്തുക്കൾ കൊണ്ടുണ്ടാക്കിയ അടപ്പുള്ള പെട്ടി അല്ലെങ്കിൽ പാത്രം എടുക്കുക. ആറുവശവും കമ്പിവല കൊണ്ടുണ്ടാക്കിയ പെട്ടിയും ആവാം (ചോറ്റുപാത്രം മുതൽ എലിക്കെണി വരെ ഒരുപാട് സാദ്ധ്യതകൾ). എന്നിട്ട്, അതിലൊരു മൊബൈൽ ഫോൺ വച്ച് പെട്ടി അടയ്ക്കുക. ആ ഫോണിലേക്ക് മറ്റൊരു ഫോണിൽനിന്നും വിളിച്ചുനോക്കുക. പെട്ടി തുറന്നതും ഫോണിന്റെ റേഞ്ച് കാണിക്കുന്ന ബാർ നോക്കുക. എന്താണ് നിരീക്ഷണം? ലോഹത്തിനു പകരം കാർഡ്ബോർഡ് പെട്ടി, മരത്തടി കൊണ്ടുണ്ടാക്കിയ പെട്ടി, തുണിസഞ്ചി പോലുള്ളവ ഉപയോഗിക്കുമ്പോൾ ഒരേ നിരീക്ഷണമാണോ?

എന്താണ് ഈ നിരീക്ഷണത്തിനു കാരണം?

(ഒരു ക്ലൂ തരാം! മൊബൈൽ ഫോൺ വഴി ആശയവിനിമയം സാധ്യമാവുന്നത് പ്രകാശത്തിന്റെ കുടുംബത്തിലെ ഒരു അംഗം വഴിയാണ്).

---

റഫറൻസുകൾ

1. Archives Biographies: Michael Faraday >>>
2. https://faradaysdiary.com/ws3/faraday.pdf >>>
3. https://www.slideshare.net/slideshow/faradays-dynamo/64389370#2 >>>

---