James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell Semnătura lui James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell (n . 13 iunie 1831 la Edinburgh , †  5 noiembrie 1879 la Cambridge ) a fost un fizician scoțian . El a dezvoltat un set de ecuații ( ecuațiile Maxwell ), care sunt fundamentele electrodinamicii , în special în 1864 a prezis existența undelor electromagnetice , pe care Heinrich Hertz a fost primul care le-a generat și a dovedit în 1886.

Teoria sa de câmp, numită după el, este una dintre cele mai importante realizări în fizică și matematică din secolul al XIX-lea.

În 1866 a dezvoltat teoria gazelor cinetice și, prin urmare, este considerat unul dintre fondatorii mecanicii statistice alături de Ludwig Boltzmann, care a lucrat ulterior . Distribuția clasică a vitezei moleculelor de gaz ( distribuția Maxwell-Boltzmann ) poartă numele ambelor. El a publicat prima fotografie color ca dovadă a teoriei amestecării culorilor aditive în 1861 .

Maxwell a fost ultimul reprezentant al liniei mai tinere a cunoscutei familii scoțiene Clerk din Penicuik . În 1858 s-a căsătorit cu Katherine Mary Dewar, fiica directorului Colegiului Marischal din Aberdeen . Căsătoria a rămas fără copii. Maxwell a murit de cancer gastric la Cambridge la vârsta de 48 de ani .

sens

Locul nașterii lui James Clerk Maxwell la 14 India Street, Edinburgh

În general, Maxwell este considerat naturalistul din secolul al XIX-lea cu cea mai mare influență asupra fizicii secolului al XX-lea . El a adus contribuții la modelele fundamentale ale naturii și a fost considerat a fi un constructor de poduri între matematică și fizică. La doar câțiva ani după moartea sa, importanța lui James Clerk Maxwell pentru științele naturii a fost acceptată în întreaga lume, fără ca, așa cum s-a întâmplat adesea mai târziu, să se limiteze la cercetările sale despre electromagnetism . În 1931, la centenarul nașterii lui Maxwell, Albert Einstein a descris opera sa ca fiind „cea mai profundă și mai fertilă pe care fizica a descoperit-o de la Newton ”.

Combinarea algebrei cu elemente de geometrie este una dintre caracteristicile principale ale operei sale. Maxwell a arătat că forțele electrice și magnetice sunt două fenomene complementare ale electromagnetismului. El a arătat că câmpurile electrice și magnetice sub formă de unde electromagnetice se  pot deplasa prin spațiu la o viteză constantă de aproximativ 3 · 10 8 m / s, care corespunde exact vitezei luminii . El a postulat că lumina este o formă de radiație electromagnetică.

Maxwell a rezumat rezultatele experimentelor și observațiilor electromagnetice și optice anterioare într-o serie de ecuații matematice. Aceste ecuații (precum și distribuția Maxwell) s-au dovedit de atunci extrem de utile în fizică. S-au dovedit în toate cazurile și au produs câteva noi legi ale electromagnetismului și opticii, dintre care cele mai importante sunt legate de radiațiile electromagnetice. Ecuațiile sunt fundamentale pentru radio și televiziune și pot fi folosite pentru a studia razele X, razele gamma, razele infraroșii și alte forme de radiații.

Viaţă

Primii ani

Maxwell la Cambridge în 1855, discul colorat al primelor sale experimente optice în mână.

Maxwell s-a născut singurul copil al lui John Clerk Maxwell, un avocat din Edinburgh, la 14 India Street din capitala Scoției, Edinburgh . Educația timpurie a lui Maxwell, care a inclus studiul biblic , a venit de la mama sa creștină. A petrecut cea mai mare parte a tinereții sale la moșia familiei Glenlair, lângă Dumfries . Mama lui Maxwell a murit când avea doar opt ani. Mai târziu, Maxwell a mers la Academia din Edinburgh. Porecla sa de școală era „Dafty” (Dussel sau excentric). A primit-o pentru că a purtat pantofi de casă în prima zi de școală. În 1845, la vârsta de 14 ani, Maxwell a scris o lucrare care descrie modul de a desena curbe matematice cu un șir.

Anii de mijloc

În 1847 Maxwell s-a înscris la Universitatea din Edinburgh și a studiat filosofia naturală, filosofia morală și filosofia mentală. La Edinburgh a studiat cu Sir William Hamilton . La vârsta de 18 ani, încă student la Edinburgh, el a scris două lucrări pentru Tranzacțiile Societății Regale din Edinburgh , dintre care una, Despre echilibrul solidelor elastice , a stat la baza unei descoperiri unice mai târziu în viață, birefringență temporară în lichide vâscoase cauzată de forțe de forfecare .

În 1850 Maxwell s-a mutat la Universitatea Cambridge . Mai întâi s-a înscris la Peterhouse , dar apoi s-a dus la Trinity College pentru că credea că ar fi mai ușor să obții o bursă aici. La Trinity College, a fost ales într-o asociație secretă cunoscută sub numele de Apostolii Cambridge . În noiembrie 1851, Maxwell a studiat împreună cu tutorele său William Hopkins , a cărui poreclă era „wrangler-maker” („ Wranglers ” sunt studenți care trec cel mai bine testul de matematică). Maxwell a finalizat o mare parte din elaborarea ecuațiilor sale electromagnetice când era încă student.

În 1854, Maxwell a absolvit al doilea cel mai bun examen de matematică din anul său. Imediat după absolvire, a publicat o lucrare științifică On Faraday's Lines of Force ( Despre liniile de forță Faraday ), în care a dat o primă indicație a cercetărilor sale electrice care ar trebui să culmineze în cea mai importantă lucrare din viața sa.

Prima fotografie color permanentă, demonstrată de James Clerk Maxwell într-o prelegere din 1861

Din 1855 până în 1872 a publicat periodic o serie de cercetări valoroase referitoare la viziunea culorilor și orbirea culorii . Instrumentele pe care le-a folosit pentru această cercetare au fost simple și utile (de exemplu, vârful de culoare ). „Pentru cercetările sale privind compoziția culorilor și alte contribuții la optică”, el a primit Medalia Rumford de către Royal Society în 1860 .

În 1861 a publicat prima fotografie color ca dovadă a teoriei amestecării aditive a culorilor .

În 1856 Maxwell a fost numit la catedra de filosofie naturală la Colegiul Marischal din Aberdeen, pe care l-a deținut până la fuziunea cu King's College în 1860.

În 1856 a câștigat Premiul Adams de la Cambridge pentru un eseu original cu care a dovedit că inelele lui Saturn nu sunt nici solide lichide, nici compacte, dar că stabilitatea nu poate exista decât dacă sunt formate dintr-o multitudine de corpuri solide mici care nu sunt conectate între ele. . De asemenea, el a infirmat teoria nebuloasei, care afirmă că galaxiile se formează prin condensarea progresivă a nebuloaselor gazoase. Conform teoriei sale, proporțiile de solide mici sunt necesare pentru aceasta.

În 1860 Maxwell a devenit profesor la King's College din Londra .

În 1861 a fost ales membru („ Fellow ”) în Societatea Regală. În acest timp a lucrat la corpuri elastice și geometrie pură.

Teoria gazelor cinetice

Una dintre cele mai importante cercetări ale lui Maxwell s-a ocupat de teoria cinetică a gazelor . Începând cu Daniel Bernoulli , această teorie a fost elaborată în continuare prin următoarele investigații de John Herapath , John James Waterston, James Prescott Joule și în special Rudolf Clausius . A atins un astfel de nivel de perfecțiune, încât precizia sa predictivă a făcut-o fără îndoială. Maxwell, care s-a arătat a fi un genial experimentator și teoretician în acest domeniu, l-a dezvoltat într-o manieră superioară.

În 1865, Maxwell s-a mutat la Glenlair, Kirkcudbrightshire , pe moșia pe care o moștenise de la tatăl său, John Clerk Maxwell.

În 1868 a renunțat la catedra de fizică și astronomie la King's College din Londra.

În 1860 a formulat teoria gazelor cinetice care a fost generalizată ulterior de Ludwig Boltzmann . Formula sa, numită distribuția Maxwell , calculează proporția moleculelor de gaz care se mișcă cu o anumită viteză la o anumită temperatură . În teoria cinetică a gazelor, temperatura și presiunea determină mișcarea moleculelor. Această abordare a subiectului cercetării a generalizat legile anterioare ale termodinamicii și a explicat observațiile și experimentele în detaliu. Munca lui Maxwell privind termodinamica l-a condus la un experiment de gândire cunoscut sub numele de „ Demonul Maxwellian ”.

Electromagnetismul

O carte poștală de la Maxwell la Peter Guthrie Tait .

Când Maxwell a devenit interesat de electricitate, i-a scris lui William Thomson, primul baron Kelvin , și l-a întrebat cum să procedeze cel mai bine. Kelvin a recomandat ca Maxwell să citească lucrările publicate ale lui Faraday, Kelvin, Ampère și apoi ale fizicienilor germani, în ordinea dată.

Cea mai mare parte a vieții lui Maxwell a fost dedicată cercetării în domeniul electricității . Cea mai importantă contribuție a lui Maxwell a fost elaborarea și formularea matematică a cercetărilor anterioare asupra electricității și magnetismului de către Michael Faraday , André-Marie Ampère și alții într-un sistem de ecuații diferențiale interdependente . Cu aceasta a susținut ipoteza identității electricității și magnetismului, care fusese răspândită de la începutul secolului al XIX-lea, cu un model matematic plauzibil. La început au existat 20 de ecuații, care au fost ulterior rezumate folosind notația vectorială. Aceste ecuații, denumite acum în mod colectiv ecuațiile lui Maxwell (sau uneori „ecuațiile minunate ale lui Maxwell”), au fost publicate pentru prima dată în Royal Society în 1864. Împreună descriu comportamentul câmpurilor electrice și magnetice, precum și interacțiunea lor cu materia. În plus, Maxwell a prezis unde de câmpuri electrice și magnetice vibratoare care se mișcau prin spațiul gol. El putea prezice viteza din experimente electrice simple; Folosind datele disponibile în acel moment, el a calculat viteza de propagare la 310.740.000 m / s. Maxwell a scris în 1864:

„Această viteză este atât de apropiată de cea a luminii, încât se pare că avem motive temeinice să concluzionăm că lumina însăși (inclusiv căldura radiantă și alte radiații, dacă există) este o perturbare electromagnetică sub formă de unde propagate prin câmpul electromagnetic în funcție de electromagnetic. legi. "

„Această viteză este atât de apropiată de cea a luminii încât avem motive temeinice să concluzionăm că lumina însăși (inclusiv radiația termică și posibilele alte radiații) este o perturbare electromagnetică care, conform legilor electromagnetice, este sub formă de unde în câmpul electromagnetic. se propagă. "

Presupunerea lui Maxwell a fost în esență corectă. Teoria ondulatorie a fost ulterior confirmată de experimente de către Heinrich Hertz și formează baza tuturor tehnologiilor de radio . Conexiunea cantitativă dintre lumină și electromagnetism este privită ca un mare triumf al fizicii secolului al XIX-lea. În acel moment, Maxwell credea că propagarea luminii necesita un mediu în care undele să se poată propaga. Despre acest mediu, numit eter luminos , Maxwell a scris o intrare care a apărut în Encyclopædia Britannica în 1878, cu următorul rezumat la final:

„Indiferent de dificultățile pe care le avem în dezvoltarea unei idei coerente a naturii eterului, nu poate exista nicio îndoială că spațiile interplanetare și interstelare nu sunt goale, ci sunt umplute cu o substanță materială sau un corp care este umplut cu securitate. cel mai mare și probabil cel mai uniform corp pe care îl știm ”.

Cu timpul, totuși, au apărut din ce în ce mai multe dificultăți în relaționarea existenței unui astfel de mediu, care a umplut întreaga cameră, dar nu a putut fi găsit prin mijloace mecanice, cu rezultatele unor experimente precum, de ex. B. pentru a reconcilia experimentul Michelson-Morley . În plus, părea să aibă nevoie de un cadru absolut de referință în care ecuațiile să fie valabile. Acest lucru ar fi însemnat că ecuațiile ar fi avut o formă diferită pentru un observator în mișcare. Această dificultate l-a stimulat pe Einstein să formuleze teoria specială a relativității și în acest proces Einstein a negat necesitatea unui eter ușor.

Analiză structurală

Mai puțin cunoscute, dar revoluționare la nivel științific individual, sunt contribuțiile lui Maxwell la teoria truss și statica grafică. Erhard Scholz a evaluat relația de dualitate a teoriei truss și a poligonului forței găsit de Maxwell în 1864 și 1867 drept „calul de paradă al staticii grafice”. În geometria elementară, teorema lui Maxwell a numit o afirmație despre triunghiuri după el, pe care a dovedit-o în contextul munca sa despre statică.

Anii târzii

James și Katherine Maxwell, 1869.

În 1871 a fost numit primul profesor Cavendish de fizică la Cambridge. Maxwell a supravegheat construcția Laboratorului Cavendish . El a supravegheat fiecare pas în construcția clădirii și achiziționarea prețioasei colecții de echipamente cu care laboratorul a fost aprovizionat datorită generoasei fondatoare, al șaptelea duce al Devonshire. A scris un manual despre teoria căldurii (1871) și un excelent tratat introductiv despre corp și mișcare (1876). În 1874 a fost ales la Academia Americană de Arte și Științe . Una dintre ultimele mari contribuții ale lui Maxwell la știință a fost evaluarea cercetărilor lui Henry Cavendish . S-a dovedit că Cavendish s-a ocupat, printre altele, de întrebări despre densitatea medie a pământului și compoziția apei. Când Maxwell a murit în 1879 la vârsta de 48 de ani, John William Strutt, al treilea baron Rayleigh , i-a succedat ca profesor Cavendish . Aceasta a introdus cursuri sistematice de fizică.

Viața lui James Clerk Maxwell a fost publicată în 1882 de colegul său de clasă și prieten de-o viață, profesorul Lewis Campbell (1830-1908). Lucrările sale colectate, inclusiv seria de articole despre proprietățile materiei, au fost publicate în două volume de Cambridge University Press în 1890.

Onoruri

În onoarea lui Maxwell, The unitatea CGS a fost numit Maxwell a fluxului magnetic . Un lanț montan de pe Venus, Maxwell Montes, a fost numit după el, deoarece a fost descoperit de undele electromagnetice pe care le-a postulat (observații radar). În plus, îi poartă numele Telescopul James Clerk Maxwell de pe Mauna Kea , cel mai mare telescop din lume pentru radiații electromagnetice între infraroșu și microunde cu un diametru de 15 m. Un crater lunar și asteroidul (12760) Maxwell poartă numele lui James C. Maxwell.

Premiul James Clerk Maxwell pentru fizica plasmei și medalia Maxwell sunt numite în onoarea sa.

Publicații (selecție)

literatură

Link-uri web

Commons : James Clerk Maxwell  - Colecție de imagini, videoclipuri și fișiere audio
Wikisursă: James Clerk Maxwell  - Surse și texte complete (engleză)
Wikicitat: James Clerk Maxwell  - Citate

Dovezi individuale

  1. ↑ Brockhaus Konversationslexikon îl descrie pe Maxwell în jurul anului 1896 după cum urmează: „Principalele realizări ale doamnei sunt în domeniul mecanic. Teoria căldurii, extinderea teoriei dinamice a gazelor; în domeniul teoriei electricității, însă, M. este fondatorul electro-opticii, pe care Hertz a dezvoltat-o ​​în continuare. În studiile sale despre magnetism și electricitate, M. a urmat cu Faraday și și-a completat opera în conformitate cu matematica. Direcţie. Încă din 1856 a lucrat la liniile de forță ale lui Faraday , apoi în 1864 și-a publicat teoria dinamică a câmpului magnetic și în 1868 metoda comparării directe a electrostaticului cu forța electromagnetică . "Citat din Konversationslexikon de la Brockhaus, FA Brockhaus Leipzig , Berlin și Viena, ediția a XIV-a, 1894-1896
  2. ^ Pentru colectivul autorilor von Meyers Konversationslexikon în jurul anului 1892, Maxwell era „alături de Thomson, cel mai important fizician matematic din Anglia. Numeroasele și semnificativele sale lucrări acoperă în principal teoria mecanică a căldurii, în special cea mai recentă teorie a gazelor, la dezvoltarea căreia a contribuit în mod semnificativ, și teoria electricității, tratamentul teoretic al căruia a parcurs căi complet noi. ”Citat din Meyers Konversationslexikon, Verlag des Bibliographic Institute, Leipzig și Viena, ediția a IV-a, 1885–1892
  3. ↑ Despre descrierea curbelor ovale și a celor care au o pluralitate de foci. De către dl grefier Maxwell Junior, cu observații ale profesorului Forbes. Comunicat de profesorul Forbes. Luni, 6 aprilie 1846 - Procesul Societății Regale din Edinburgh
  4. ^ Universitatea din Aberdeen
  5. ↑ James Clerk Maxwell: Despre stabilitatea mișcărilor inelelor lui Saturn. Cambridge 1859 online .
  6. ↑ The Maxwell at Glenlair Trust
  7. ^ Yelin, Julius von, "Magnetismul și electricitatea ca forțe primordiale identice", Munich Lentner, 1818
  8. ^ Maxwell, James Clerk: O teorie dinamică a câmpului electromagnetic . Trimis în 1864 și apoi publicat în: Philosophical Transactions of the Royal Society of London (155), 1865, pp. 459-512
  9. ↑ Text original complet al intrării lui Maxwell despre eter în Encyclopædia Britannica, ediția a IX-a pe Wikisource
  10. ↑ Citat și prezentat într-un context istoric în: Leonard Mlodinow : Fereastra către univers. O mică istorie a geometriei (original: Fereastra lui Euclid ), Campus Verlag 2002, ISBN 3-593-36931-1 - Partea 4, Povestea lui Einstein , paginile 171-177.
  11. ^ Karl-Eugen Kurrer : Contribuții la teoria cadrelor static nedeterminate . În: Istoria ingineriei structurale. În căutarea echilibrului . A doua ediție, foarte extinsă. Ernst & Sohn , Berlin 2016, ISBN 978-3-433-03134-6 , pp. 481-486 .
  12. ↑ Karl-Eugen Kurrer: De la statica grafică la grafostatică . În: Istoria ingineriei structurale. În căutarea echilibrului . A doua ediție, foarte extinsă. Ernst & Sohn, Berlin 2016, ISBN 978-3-433-03134-6 , pp. 455-470 .
  13. ↑ Erhard Scholz: Simetrie. Grup. Dualitate. Despre relația dintre matematica teoretică și aplicațiile în cristalografie și ingineria structurală în secolul al XIX-lea . În: Erwin Hiebert și Hans Wußing (eds.): Science Networks - Historical Studies . bandă 1 . Birkhäuser Verlag, Basel 1989, ISBN 3-7643-1974-7 , p. 201 .
  14. ^ Venus - Maxwell Montes și craterul Cleopatra. nasa.gov, accesat la 2 martie 2018 .
date personale
NUME DE FAMILIE Maxwell, James Clerk
SCURTA DESCRIERE Fizician scoțian
DATA DE NAȘTERE 13 iunie 1831
LOCUL NAȘTERII Edinburgh
DATA MORTII 5 noiembrie 1879
LOCUL DECESULUI Cambridge