Wenn es um wissenschaftliche Ausbildung und Forschung geht, fällt sofort der Name einer uralten Institution nämlich der der Royal Institution of Great Britain. Sie wurde 1799 gegründet. Ihr Ziel war »die Verbreitung des Wissens und die Erleichterung der allgemeinen Einführung, der nützlichen mechanischen Erfindungen und der Verbesserungen; und das Unterrichten, durch Kurse, philosophische Vorträge und Experimente, die Anwendung der Wissenschaft im alltäglichen Leben.« Bis zum heutigen Tag veranstaltet die Royal Institution Vorträge, darunter auch die populären Christmas Lectures (die speziell für Kinder gedacht sind). Sie wurden 1825 von Michael Faraday eingeführt und nur während des Zweiten Weltkriegs unterbrochen.
Seit ihrer Gründung haben viele große Wissenschaftler an der Royal Institution gearbeitet und sogar gelebt. Faraday lebte viele Jahre in einer kleinen Wohnung in der Institution, wo er sich (hauptsächlich im Keller) mit Chemie und Elektrizität befasste. Er war Autodidakt und hochreligiöser Christ, entdeckte die magnetische Induktion (siehe Kasten), erarbeitete die Gesetze der Elektrolyse (die die Beziehungen zwischen der durch eine Lösung fließende Menge an Elektrizität und der Masse der produzierten chemischen Stoffe beschreiben) und zeigte, dass Magnetismus das Licht krümmen kann. Er entdeckte das Benzol und prägte die Begriffe Anode, Kathode, Elektrode und Ion.
Faraday war auch der erste, der Dynamos und Elektromotoren entwickelte, und er erfand den faradayschen Käfig (siehe Elektromagnetischer Impuls).
Sein Interesse an der Wissenschaft wurde zum Teil durch die öffentlichen Vorlesungen von Sir Humphrey Davy (der die Royal Institution mit ins Leben rief) geweckt, denen er an der Royal Institution beiwohnen durfte. Davy ist für seine Davy-Lampe (Die Davy-Lampe) bekannt, hat aber auch eine Reihe von Elementen entdeckt, darunter Natrium, Kalium, Kalzium, Magnesium, Barium und Bor. Insgesamt wurden in den Räumen der Royal Institution 10 Elemente entdeckt.
Der australische Physiker Sir William Lawrence Bragg (der an der Röntgenstrahlbeugung arbeitete und den Nobelpreis gewann) war Fullerian Professor of Chemistry an der Royal Institution (wie Faraday selbst auch).
Die mit dem Royal Institution verbundene Geschichte und die betreffenden wissenschaftlichen Aspekte werden wird in einem völlig renovierten Museum (dem früheren Faraday Museum) auf drei Stockwerken erläutert. In dem Keller, in dem Faraday arbeitete, ist ein ganzer Bereich für Experimente vorgesehen. Es gibt einen Nachbau von Faradays eigenem Labor mit den von ihm benutzten Geräten sowie eine Ausstellung vielfältiger Gerätschaften, die hier angefangen bei den frühesten Tagen der Royal Institution bis zur Gegenwart verwendet wurden.
Die Ausstellung im Keller ist so unterschiedlichen Themen wie der Elektrolyse und dem Elektromagnetismus, der Nanotechnologie, der Glasherstellung und der Erzeugung von Röntgenstrahlung gewidmet. Außerdem wird hier mittels eines Experiments veranschaulicht, warum der Himmel blau ist.
Die anderen Etagen sind den mit der Royal Institution verbundenen Personen sowie der vermittelnden und erzieherischen Arbeit der Institution gewidmet.
Besucherinformationen zur Royal Institution finden Sie unter http://www.rigb.org/. Falls Sie zum Mittagessen einen Ort mit vielen wissenschaftlichen Bezügen bevorzugen, können Sie das kleine Café Time and Space innerhalb des Gebäudes besuchen. (Es ist auch voller historischer Objekte.)
Elektromagnetische Induktion
Michael Faraday war nicht der erste, der den Elektromagnetismus entdeckte, doch er verband die Arbeit anderer und formulierte auf dieser Basis eine entsprechende Theorie. Außerdem entdeckte Faraday die elektromagnetische Induktion, die die Grundlage für Motoren, Dynamos, Generatoren und Transformatoren bildet.
Elektrizität und Magnetismus sind untrennbar miteinander verbunden. Strom, der durch einen Draht fließt, erzeugt ein Magnetfeld um den Draht. Wenn ein Draht durch ein Magnetfeld führt, wird Elektrizität erzeugt. Wenn irgendwo ein sich änderndes Magnetfeld vorhanden ist, gibt es auch immer ein elektrisches Feld, und immer dort, wo es ein sich änderndes elektrisches Feld gibt, findet man auch ein Magnetfeld.
Faraday entdeckte, dass wenn man zwei Drahtspulen um einen Eisenring wickelte, und Strom durch eine Spule lief, diese einen Strom in der zweiten Spule erzeugte. Der Versuchsaufbau ist in der Royal Institution zu sehen, zusammen mit dem ersten Exemplar eines Transformators. Bei dem Experiment handelt es sich um elektromagnetische Induktion –ein sich ändernder Strom in einer Spule erzeugt ein Magnetfeld, und das sich ändernde Magnetfeld erzeugt einen sich ändernden Strom in der anderen Spule.
Farraday zeigte auch, dass wenn man eine Drahtspule über einen Permanentmagneten hält, ein Strom im Draht erzeugt wird – man sagt, Strom wird im Draht induziert. Weil eine Drahtspule ein Magnetfeld erzeugt, wenn Elektrizität durchfließt, kann so auch Bewegung erzeugt werden: die Spule wird durch den Permanentmagneten angezogen oder abgestoßen. Dank dieser Experimente konnte Faraday Dynamos und Motoren entwickeln.
Ihm verdanken wir auch das Induktionsgesetz (Gleichung 75.1). Es besagt, dass die elektromotorische Kraft E, die durch ein sich änderndes Magnetfeld in einen Kreislauf induziert wird, der Menge entspricht, um die sich der Fluss des Magnetfelds, Ö, ändert.
Die elektromotorische Kraft steht für die Menge an Energie, die ein Gerät (etwa eine Batterie) den durchlaufenden Elektronen hinzufügt, genauer gesagt die Energie je durchfließender Ladungseinheit gemessen in Volt (tatsächlich war Volta – siehe Kapitel 26 – der erste, der von einer elektromotorischen Kraft sprach). Wenn man über eine Batterie oder einen Generator spricht, wird die betreffende elektromotorische Kraft üblicherweise als elektrische Spannung angegeben.
Der Fluss eines Magnetfelds ist die Menge an Magnetismus in einem Magnetfeld über eine bestimmte Fläche. Induziert ein Magnetfeld Strom in einen Draht, basiert der Fluss auf der Stärke des Magnetfelds in dem Bereich des Drahtes, durch den das Magnetfeld fließt. Der Fluss des Magnetfelds über eine Fläche entspricht der Stärke des Feldes mal der Fläche.
Erhöht man also die Stärke des Magnetfeldes oder die Menge an Draht, durch die das Magnetfeld fließt, dann erhöht sich auch die induzierte elektromotorische Kraft. (Aus diesem Grund werden üblicherweise Drahtspulen verwendet.)
Faradays Induktionsgesetz erklärt außerdem, wie Transformatoren konstruiert werden. Ein einfacher Transformator ist nämlich genau das, was Faraday ursprünglich gebaut hat: zwei Drahtspulen (mit einem bestimmten Durchmesser), die um einen Eisenring gewickelt sind. Fließt ein sich ändernder elektrischer Strom durch einen Draht, wird ein sich ändernder elektrischer Strom unterschiedlicher Stärke in der anderen Spule erzeugt (siehe Abbildung 75.1). Das Verhältnis dieser beiden Spannungen wird durch Faradays Gesetz beschrieben.
Die Drahtspulen eines Transformators werden als Primärwicklung (wo die zu transformierende Spannung angelegt wird) und als Sekundärwicklung (wo die transformierte Spannung anliegt) bezeichnet. Wird die Spannung VP an die Primärwicklung angelegt, wird ein Magnetfeld mit einem Fluss erzeugt, der Faradays Gesetz folgt. Da der Draht mehrfach um das Eisen gewickelt ist, entspricht die Fläche der Anzahl von Wicklungen NP. Der resultierende Magnetfluss hängt also auch von der Zahl der Wicklungen ab (Gleichung 75.2).
Das induzierte Magnetfeld läuft durch das zweite Gewinde und induziert eine Spannung VS, die ebenfalls proportional zur Anzahl der Windungen NS (Gleichung 75.3) der zweiten Spule ist.
Da der Magnetfluss in beiden Fällen gleich ist (einen idealen Transformator und keinerlei Flussverlust vorausgesetzt), kann er eliminiert werden, um zu zeigen, dass das Verhältnis der Spannung eines Transformators dem Verhältnis der Windungen beider Spulen entspricht (siehe Gleichung 75.4). Um einen einfachen Transformator zu bauen, der die europäischen 220V in die amerikanischen 110V umwandelt, ist für die beiden Spulen ein Verhältnis von 2:1 (Primär:Sekundär) erforderlich. Ein Akkulader für das Handy, der 110V in 5V umwandelt, benötigt einen Transformator mit einem Wicklungsverhältnis von 22:1.
