Что открыл максвелл в физике
Джеймс Клерк Максвелл
Джеймс Клерк Максвелл (1831-79) — английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света, установил первый статистический закон — закон распределения молекул по скоростям, названный его именем.
Развивая идеи Майкла Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение, названное его именем. Исследовал вязкость, диффузию и теплопроводность газов. Максвелл показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла — Кремоны), термодинамике, истории физики и др.
Семья. Годы учения
Джеймс Максвелл родился 13 июня 1831, в Эдинбурге. Он был единственным сыном шотландского дворянина и адвоката Джона Клерка, который, получив в наследство поместье жены родственника, урожденной Максвелл, прибавил это имя к своей фамилии. После рождения сына семья переехала в Южную Шотландию, в собственное поместье Гленлэр («Приют в долине»), где и прошло детство мальчика.
В 1841 отец отправил Джеймса в школу, которая называлась «Эдинбургская академия». Здесь в 15 лет Максвелл написал свою первую научную статью «О черчении овалов». В 1847 он поступил в Эдинбургский университет, где проучился три года, и в 1850 перешел в Кембриджский университет, который окончил в 1854. К этому времени Джеймс Максвелл был первоклассным математиком с великолепно развитой интуицией физика.
Создание Кавендишской лаборатории. Преподавательская работа
По окончании университета Джеймс Максвелл был оставлен в Кембридже для педагогической работы. В 1856 он получил место профессора Маришал-колледжа в Абердинском университете (Шотландия). В 1860 избран членом Лондонского королевского общества. В том же году переехал в Лондон, приняв предложение занять пост руководителя кафедры физики в Кинг-колледже Лондонского университета, где работал до 1865 года.
Вернувшись в 1871 в Кембриджский университет, Максвелл организовал и возглавил первую в Великобритании специально оборудованную лабораторию для физических экспериментов, известную как Кавендишская лаборатория (по имени английского ученого Генри Кавендиша). Становлению этой лаборатории, которая на рубеже 19-20 вв. превратилась в один из крупнейших центров мировой науки, Максвелл посвятил последние годы своей жизни.
Вообще фактов из жизни Максвелла известно немного. Застенчивый, скромный, он стремился жить уединенно и не вел дневников. В 1858 Джеймс Максвелл женился, но семейная жизнь, видимо, сложилась неудачно, обострила его нелюдимость, отдалила от прежних друзей. Существует предположение, что многие важные материалы о жизни Максвелла погибли во время пожара 1929 в его гленлэрском доме, через 50 лет после его смерти. Он умер от рака в возрасте 48 лет.
Научная деятельность
Необычайно широкая сфера научных интересов Максвелла охватывала теорию электромагнитных явлений, кинетическую теорию газов, оптику, теорию упругости и многое другое. Одними из первых его работ были исследования по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии, начатые в 1852. В 1861 Джеймс Максвелл впервые получил цветное изображение, спроецировав на экран одновременно красный, зеленый и синий диапозитивы. Этим была доказана справедливость трехкомпонентной теории зрения и намечены пути создания цветной фотографии. В работах 1857-59 Максвелл теоретически исследовал устойчивость колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивы лишь в том случае, если состоят из не связанных между собой частиц (тел).
В 1855 Д. Максвелл приступил к циклу своих основных работ по электродинамике. Были опубликованы статьи «О фарадеевых силовых линиях» (1855-56), «О физических силовых линиях» (1861-62), «Динамическая теория электромагнитного поля» (1869). Исследования были завершены выходом в свет двухтомной монографии «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873).
Создание теории электромагнитного поля
Когда Джеймс Максвелл в 1855 начал исследования электрических и магнитных явлений, многие из них уже были хорошо изучены: в частности, установлены законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закон Кулона) и токов (закон Ампера); доказано, что магнитные взаимодействия есть взаимодействия движущихся электрических зарядов. Большинство ученых того времени считало, что взаимодействие передается мгновенно, непосредственно через пустоту (теория дальнодействия).
Решительный поворот к теории близкодействия был сделан Майклом Фарадеем в 30-е гг. 19 в. Согласно идеям Фарадея, электрический заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой, и наоборот. Взаимодействие токов осуществляется посредством магнитного поля. Распределение электрических и магнитных полей в пространстве Фарадей описывал с помощью силовых линий, которые по его представлению напоминают обычные упругие линии в гипотетической среде — мировом эфире.
Максвелл полностью воспринял идеи Фарадея о существовании электромагнитного поля, то есть о реальности процессов в пространстве возле зарядов и токов. Он считал, что тело не может действовать там, где его нет.
Первое, что сделал Д.К. Максвелл — придал идеям Фарадея строгую математическую форму, столь необходимую в физике. Выяснилось, что с введением понятия поля законы Кулона и Ампера стали выражаться наиболее полно, глубоко и изящно. В явлении электромагнитной индукции Максвелл усмотрел новое свойство полей: переменное магнитное поле порождает в пустом пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (так называемое вихревое электрическое поле).
Следующий, и последний, шаг в открытии основных свойств электромагнитного поля был сделан Максвеллом без какой-либо опоры на эксперимент. Им была высказана гениальная догадка о том, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле, как и обычный электрический ток (гипотеза о токе смещения). К 1869 все основные закономерности поведения электромагнитного поля были установлены и сформулированы в виде системы четырех уравнений, получивших название Максвелла уравнений.
Уравнения Максвелла — основные уравнения классической макроскопической электродинамики, описывающие электромагнитные явления в произвольных средах и в вакууме. Уравнения Максвелла получены Дж. К. Максвеллом в 60-х гг. 19 в. в результате обобщения найденных из опыта законов электрических и магнитных явлений.
Из уравнений Максвелла следовал фундаментальный вывод: конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Это главное, что отличает теорию близкодействия от теории дальнодействия. Скорость оказалась равной скорости света в вакууме: 300000 км/с. Отсюда Максвелл сделал заключение, что свет есть форма электромагнитных волн.
Работы по молекулярно-кинетической теории газов
Чрезвычайно велика роль Джеймса Максвелла в разработке и становлении молекулярно-кинетической теории (современное название — статистическая механика). Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 им был открыт первый статистический закон — закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Кроме того, он рассчитал значения вязкости газов в зависимости от скоростей и длины свободного пробега молекул, вывел ряд соотношений термодинамики.
Распределение Максвелла — распределение по скоростям молекул системы в состоянии термодинамического равновесия (при условии, что поступательное движение молекул описывается законами классической механики). Установлено Дж. К. Максвеллом в 1859.
Максвелл был блестящим популяризатором науки. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии и популярные книги: «Теория теплоты» (1870), «Материя и движение» (1873), «Электричество в элементарном изложении» (1881), которые были переведены на русский язык; читал лекции и доклады на физические темы для широкой аудитории. Максвелл проявлял также большой интерес к истории науки. В 1879 он опубликовал труды Г. Кавендиша по электричеству, снабдив их обширными комментариями.
Оценка работ Максвелла
Работы ученого не были по достоинству оценены его современниками. Идеи о существовании электромагнитного поля казались произвольными и неплодотворными. Только после того, как Генрих Герц в 1886-89 экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, его теория получила всеобщее признание. Произошло это спустя десять лет после смерти Максвелла.
После экспериментального подтверждения реальности электромагнитного поля было сделано фундаментальное научное открытие: существуют различные виды материи, и каждому из них присущи свои законы, не сводимые к законам механики Ньютона. Впрочем, сам Максвелл вряд ли отчетливо это сознавал и первое время пытался строить механические модели электромагнитных явлений.
О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Ричард Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием 19 столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием».
Джеймс Максвелл скончался 5 ноября 1879, Кембридж. Он похоронен не в усыпальнице великих людей Англии — Вестминстерском аббатстве, — а в скромной могиле рядом с его любимой церковью в шотландской деревушке, недалеко от родового поместья.
Джеймс Клерк Максвелл биография и вклад в науку
Считается, что одним из самых важных ученых, которые имели записи, был признан специально для формулировки теории электромагнитного излучения. Его идея заложила основы, на которых строится известное сегодня радио.
Кроме того, этот физик также разработал теории о причине устойчивости колец Сатурна, одной из планет Солнечной системы; он работал с кинетикой газов и, как известно, был первым, кто напечатал цветную фотографию.
Открытия Клерка Максвелла внесли вклад в фундамент современной физики. Многие эксперты в этой области считают его ученым 19-го века, оказавшим наибольшее влияние в области физики ХХ века..
Вклад, который он внес в научную область, считается с той же степенью важности, что и вклад Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна..
биография
Первые годы
Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге, Шотландия, в семье среднего класса. Он был единственным ребенком в паре, которая вышла замуж в преклонном возрасте; его мать родила его в 40 лет.
Его отец, Джон Клерк Максвелл из Миддлби, известный адвокат, унаследовал свою фамилию от важной семьи того времени. Фамилия Джеймса была синонимом шотландского высшего общества. Фрэнсис Кей была именем ее матери, женщины, которая принадлежала к семье с высоким положением в обществе того времени..
Вскоре после рождения клерка семья переехала в коттедж под названием Glenlair House, который находился в деревне Middlebie и приходе..
Первые исследования
Когда Максвеллу было примерно восемь лет, в 1839 году его мать умерла от рака брюшной полости. После мероприятия Клерк начал получать уроки от репетитора, который утверждал, что у молодого человека были проблемы с обучением из-за количества времени, которое ему потребовалось для запоминания информации..
Тем не менее, клерк Максвелл проявил большое любопытство в раннем возрасте и замечательную способность изучать новые идеи. Вскоре после того, как он начал посещать частные уроки, его тетя отправила его в школу в Эдинбургской академии в 1841 году, где он подружился с людьми, которые отметили его будущее.
Несмотря на его замечательное любопытство к учебе, учебная программа, которую он получил в школе, его не интересовала. По этой причине он начал склоняться к науке до такой степени, что даже опубликовал свою первую статью, касающуюся этой области, когда ему было всего 14 лет..
В эссе Клерк Максвелл описал серию овальных кривых, которые по аналогии можно нарисовать с помощью булавок и нитей, с помощью эллипса. Его интерес к геометрии и механическим моделям продолжался в течение всей его жизни как студента и помог ему в течение его времени как исследователя.
Высшее образование
В 16 лет Джеймс Клерк Максвелл начал учиться в Эдинбургском университете, одном из самых важных в Шотландии. За то время, что он оставался в этом учреждении, он опубликовал две научные статьи своего авторства..
Кроме того, физик посвятил несколько часов дополнительного обучения тем, кого он получил в университете. Он пришел, чтобы экспериментировать с импровизацией химических, электрических и магнитных устройств в доме, где он жил.
Часть этих практик служила для обнаружения фотоупругости (средства, определяющие распределение напряжения в физических структурах).
В 1850 году, когда физику было около 19 лет, он поступил в Кембриджский университет, и его интеллектуальные способности стали признаваться. В институте в Кембридже работал профессор математики Уильям Хопкинс, который считал Максвелла одним из своих самых важных учеников.
Через четыре года после начала обучения в этом учреждении, в 1854 году он был удостоен премии Смита. Эта престижная награда была вручена ему за проведение эссе о оригинальном научном исследовании..
Кроме того, он был выбран, чтобы получить стипендию, и он отказался вернуться в Шотландию, чтобы позаботиться о своем отце, который был в тяжелом состоянии здоровья..
Личная потеря и брак
В 1856 году он был назначен профессором естественной философии в Маришальском колледже, но его отец умер до его назначения, что означало значительную потерю для физика из-за сильных связей, которые связывали его с его отцом..
Ученый был примерно на 15 лет моложе других учителей, преподававших в Маришальском колледже; Тем не менее, это не помешало выработать твердую приверженность занимаемой им должности. Он разработал новые учебные программы и программы конференций со студентами..
Два года спустя, в 1858 году, он женился на Кэтрин Мэри Дьюар, дочери директора Маришальского колледжа. У них никогда не было детей вместе. Спустя годы он был назначен профессором естественной философии в Королевском колледже Лондона, Англия..
Достижения в профессиональной сфере
Следующие пять лет были самыми позитивными в его карьере благодаря научным достижениям, которых он достиг. За это время он опубликовал две статьи, посвященные теме электромагнитного поля, и продемонстрировал цветную фотографию..
Кроме того, он также сделал теоретическую и экспериментальную работу по вязкости газов. Значение, которое он приобрел в научной сфере, сделало его достойным членства в Королевском научном обществе в 1861 году..
С другой стороны, он отвечал за контроль экспериментального определения электрических единиц для Британской ассоциации. Его вклад в области науки привел к созданию Национальной физической лаборатории.
Он также внес важный вклад в теории скорости света, благодаря измерению соотношения электромагнитных и электростатических единиц электричества..
Вклад в науку
В 1865 году физик бросил свою работу в Королевском колледже, чтобы уйти в свое поместье Гленлер. Он совершил несколько поездок в Лондон и Италию, а через несколько лет начал писать трактат об электричестве и магнетизме..
исследование
Исследование Максвелла по электромагнетизму имело такое значение, что ученый стал считаться одним из самых важных в истории.
В Договор об электричестве и магнетизме, которая была опубликована в 1873 году, главной целью было преобразование физических идей Майкла Фарадея в математическую формулу. Он попытался наглядно проиллюстрировать идеи Фарадея.
Исследования, которые он провел в отношении этого закона, позволили ученому сделать важные открытия в области физики, что касается соответствующей информации о скорости света..
Ученый был выбран в 1871 году, чтобы он, как профессор, работал на новой кафедре, которая была открыта в Кембридже. После этого предложения он начал проектировать Кавендишскую лабораторию и руководил ее строительством. Несмотря на то, что в его ведении было мало учеников, у него была группа известных ученых того времени..
смерть
Восемь лет спустя, в 1879 году, Максвелл начал страдать от болезней несколько раз. Вскоре после того, как он вернулся в Гленлэр; однако его здоровье не улучшилось.
Ученый скончался 5 ноября 1879 года после недолгой болезни. Его похороны не имели публичных почестей; был похоронен на небольшом кладбище в Шотландии.
Вклад в науку
электромагнетизм
Исследования, которые Максвелл осуществил по закону индукции Фарадея, который поднял вопрос о том, что магнитное поле может измениться на одно электромагнитное, позволили ему осуществить важные открытия в этой научной области..
Пытаясь проиллюстрировать этот закон, ученый добился построения механической модели, которая породила «ток смещения», который мог бы стать основой поперечных волн..
Физик произвел расчет скорости этих волн и обнаружил, что они очень близки к скорости света. Это привело к теории, предполагающей, что электромагнитные волны могут генерироваться в лаборатории, что было продемонстрировано много лет спустя ученым Генрихом Герцем.
Это исследование, проведенное Максвеллом, позволило на протяжении многих лет создавать радио, которое мы знаем сегодня,.
Факты о кольцах Сатурна
В юности ученого приоритет отдавался объяснению того, почему кольца Сатурна продолжали связно вращаться вокруг планеты..
Исследование Максвелла привело к испытанию под названием Об устойчивости движения колец Сатурна. Разработка этого эссе сделала Максвелла достойной научной премии.
Работа пришла к выводу, что кольца Сатурна должны быть образованы массами материи, которые не были связаны друг с другом. Исследование было присуждено за важный вклад в науку, что означало.
Выводы Максвелла по этому вопросу были подтверждены более 100 лет спустя, в 1980 году, космическим зондом, отправленным на планету. Зонд признан мореплаватель, отправлено НАСА.
Исследование кинетической теории газов
Максвелл был первым ученым, применившим методы вероятности и статистики для описания свойств набора молекул, поэтому он мог продемонстрировать, что скорости молекул газа должны иметь статистическое распределение..
Его распределение было известно вскоре после того, как закон распределения Максвелла-Больцмана. Кроме того, физик исследовал свойства, которые позволяют транспортировать газ, основываясь на изменениях температуры и давления в зависимости от вязкости, теплопроводности и диффузии..
Цветовое зрение
Как и другие ученые того времени, Максвелл проявлял замечательный интерес к психологии, особенно к цветовому зрению.
В течение приблизительно 17 лет, между 1855 и 1872 годами, он опубликовал серию исследований, посвященных восприятию цвета, неспособности увидеть цвета и теории об этой области. Благодаря им он получил медаль за одно из своих эссе, озаглавленное К теории цветового зрения.
Исследования некоторых важных ученых, таких как Исаак Ньютон и Томас Янг, послужили основой для проведения исследований, связанных с этой темой. Однако физик особенно интересовался восприятием цвета в фотографии..
Проведя психологическую работу по восприятию цвета, он определил, что, если сумма трех источников света может воспроизвести любой цвет, воспринимаемый человеком, цветные фотографии могут быть получены с использованием специальных фильтров для достижения этого..
Максвелл предположил, что если фотография была сделана в черно-белом режиме с использованием красного, зеленого и синего фильтров, прозрачные отпечатки изображений можно было проецировать на экран с использованием трех протекторов, оборудованных аналогичными фильтрами..
Результат эксперимента по цветовому зрению
В тот момент, когда Мэйуэлл наложил изображение на экран, он понял, что человеческий глаз воспримет результат как полное воспроизведение всех цветов, которые были на сцене..
Спустя годы, в 1861 году, во время лекции в Королевском институте по теории цвета ученый представил первую в мире демонстрацию об использовании цвета в фотографии. Он использовал результаты своего анализа, чтобы оправдать свои идеи.
Однако результаты эксперимента оказались не такими, как ожидалось, из-за разницы в пигментации между фильтрами, используемыми для добавления цвета.
Несмотря на то, что он не достиг желаемых результатов, его исследования по использованию цвета в фотографии послужили основой для создания цветной фотографии несколько лет спустя..
Джеймс Максвелл
Джеймс Максвелл
