Надо Знать

добавить знаний



Джеймс Клерк Максвелл


Maxwell James Clerk.jpg

План:


Введение

Джеймс Клерк Максвелл
Maxwell James Clerk.jpg
Джеймс Клерк Максвелл
Родился 13 июня 1831
Эдинбург, Шотландия
Умер 5 ноября 1879 (48 лет)
Кембридж, Англия
Место жительства Шотландия, Англия
Гражданство Великобритания Великобритания
Национальность шотландец
Область научных интересов физика
Заведение Кембриджский университет, Абердинского университета, Королевский колледж университета Лондона
Alma mater Эдинбургский университет, Кембриджский университет
Ученое звание профессор
Известный в связи с: уравнения Максвелла, распределение Максвелла, демон Максвелла, рыбий глаз Максвелла
Награды медаль Румфорда, премия Адамса

Джеймс Клерк Максвелл ( англ. James Clerk Maxwell , * 13 июня 1831, Эдинбург, Шотландия - 5 ноября 1879, Кембридж, Англия) - шотландский ученый, создавший теорию электромагнитного поля и на основании ее сделал вывод, что переменные электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом, образуя единое электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью света. Основываясь на связи электрических, магнитных и световых явлений, Максвелл разработал теорию света и тем объединил в одно целое ранее разрозненные области электричества, магнетизма и оптики. Кроме этого, Максвелл принадлежат крупные открытия и в других отраслях физики, в частности молекулярной кинетической теории газов.


1. Биография

1.1. Ранние годы

Родился 13 июня 1831 в Эдинбурге в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Вскоре после рождения мальчика родители увезли его в свое имение Гленлэр. С этого времени "берлогу в узком ущелье" прочно вошел в жизнь Максвелла. Здесь жили и умерли его родители, здесь долгое время жил и похоронен он сам. Когда Джеймсу было восемь лет, тяжело заболела его мать и вскоре умерла. Теперь единственным воспитателем Джеймса стал отец.


1.2. Обучение

Вскоре настало время, когда мальчику надо было начинать учиться. Сначала приглашали учителей домой. Но такая форма обучения оказалась неэффективной, поэтому вскоре решено было отдать Джеймса в новую школу, которая носила название эдинбургской академии. Он стал с большим интересом относиться к урокам. Особенно ему нравилась геометрия. Она на всю жизнь осталась одним из сильнейших увлечений Максвелла. Геометрические образы и модели сыграли огромную роль в его научном творчестве. С нее начался научный путь Максвелла. Джеймсу едва исполнилось 14 лет, когда он написал свою первую теоретическую работу, придумав простой способ вычерчивания овальных фигур. Статья Максвелла была зачитана на заседании Эдинбургского Королевского общества профессором Форбсом, поскольку в те времена было не принято, чтобы школьник обращался непосредственно к членам общества. А в апреле 1846 года в "Трудах Эдинбургского Королевского общества" был напечатан его реферат о овальные кривые.


2. Эдинбургский университет. Фотопружнисть (1847-1850)

Эдинбургский университет в начале XIX века

В 1847 срок обучения в академии закончился, и в ноябре Максвелл поступил в Эдинбургского университета, где слушал лекции физика Форбса, математика Филиппа Келланда (англ. Philip Kelland), философа Уильяма Гамильтона (англ. Sir William Hamilton) изучал многочисленные труды по математике, физике, философии, ставил опыты по оптике, химии, магнетизма. За время учебы Максвелл подготовил статью о кривых качения, однако основное внимание он уделял изучению механических свойств с помощью поляризованного света. Идея этого исследования перекликается с его знакомством весной 1847 года с известным шотландским физиком Уильямом Николем (англ. William Nicol), который подарил ему два поляризационных приборы своей конструкции (призмы Николя). Максвелл понял, что поляризованное излучение можно использовать для определения внутренних напряжений нагруженных твердых тел.

Он изготовлял модели тел различных форм из желатина и, подвергая их деформации, наблюдал в поляризованном свете цветные картины, которые соответствовали кривым направлений сжатия и растяжения. Сравнивая результаты своих опытов с теоретическими расчетами, Максвелл проверил много старых и вывел новые закономерности теории упругости, в том числе в тех случаях, которые были слишком сложны для расчета. Всего он решил 14 задач о напряжении внутри полых цилиндров, стержней, круглых дисков, пустых сфер, плоских треугольников, сделав, таким образом, существенный вклад в развитие метода фотоупругости. Эти результаты также представляли значительный интерес для строительной механики. Максвелл доложил их в 1850 на одном из заседаний Эдинбургского королевского общества, что стало свидетельством первого серьезного признания его трудов.

Максвелл закончил Академию в одном из первых выпусков. На прощание он составил гимн Эдинбургской академии. И теперь перед ним встал вопрос о перспективе его дальнейшего обучения в Кембридже. Старейший колледж Кембриджа был основан в 1284 году колледж св. Петра (Питерхауз), а самый знаменитый - колледж св. Троицы (Тринити-колледж), основанный в 1546 году. Славу этого колледжа создал его знаменитый воспитанник Исаак Ньютон. Питерхауз и Тринити-колледж и были последовательно местом пребывания молодого Максвелла в Кембридже.


3. Кембридж (1850-1856)

3.1. Обучение в университете

Тринити-колледж

В 1850 году, несмотря на желание отца оставить сына поближе к себе, было решено, что Максвелл отправится в Кембриджский университет (все его друзья уже покинули Шотландию для получения престижной образования). Осенью он прибыл в Кембридж, где вступил в дешевый колледж Питерхаус (англ. Peterhouse), получив комнату в здании самого колледжа. Однако он не был доволен учебной программой Питерхаус, к тому же не было практически никаких шансов остаться в колледже после окончания учебы. Многие его родственников и знакомых, в том числе профессора Джеймс Форбс и Уильям Томсон (будущий лорд Кельвин), советовали ему перейти в Тринити-колледж, здесь же учились некоторые его шотландские друзья. В результате после первого семестра в Питерхаус Джеймс убедил отца в необходимости перевода в Тринити.

Объем знаний Максвелла, мощь его интеллекта и самостоятельность мышления позволили ему добиться высокого места в своем выпуске. Он занял второе место. Молодой бакалавр был оставлен в Тринити-колледже в качестве преподавателя. Но его волновали научные проблемы. Во время пребывания членом совета Тринити-колледжа с 1852 года Максвелл занимался экспериментами по теории цветов, выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех основных цветов Гельмгольца. В экспериментах по смешиванию цветов Максвелл применил особую волчок, диск которого был разделен на секторы, окрашенные в разные цвета (диск Максвелла). При быстром вращении волчка цвета сливались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым, а если одну его половину закрашивали красным, а другую - желтым, он казался оранжевым; смешивания синего и желтого создавало впечатление зеленого.

В 1852 Максвелл стал стипендиатом колледжа и получил комнату непосредственно в его доме. В это время он мало занимался научной деятельностью, зато много читал, посещал лекции Джорджа Стокса и семинары Уильяма Хопкинса, который готовил его к сдаче экзаменов, заводил новых друзей, писал ради забавы стихи (многие из них были впоследствии опубликованы Льюисом Кэмпбеллом). Максвелл принимал активное участие в интеллектуальной жизни университета. Он был избран в "клуб апостолов", объединявший двенадцать человек с оригинальными и глубокими идеями, там он выступал с докладами на различные темы. Общение с новыми людьми позволило ему компенсировать застенчивость и сдержанность, которые выработались у него за годы спокойной жизни на родине. Распорядок дня Джеймса также представлялся многим необычным: с семи утра до пяти вечера он работал, потом ложился спать, вставал в половине десятого и принимался за чтение, с двух до полтретьего ночи в качестве зарядки бегал по коридорам общежития, после чего снова спал, уже до утра.

К этому времени окончательно сформировались его философские и религиозные взгляды. Последние характеризовались значительной эклектичностью, мало корней с детских лет, когда он посещал как пресвитерианскую церковь отца, так и Епископальную церковь тети Изабеллы. В Кембридже Максвелл стал сторонником теории христианского социализма развивается теологом Фредериком Денисон Морис (англ. Frederick Denison Maurice), идеологом широкой церкви" (broad church) и одним из основателей Рабочего колледжа (Working Men's College). Считая главным способом совершенствования общества образование и развитие культуры, Джеймс участвовал в работе этого учреждения, читал там вечерами популярные лекции. Вместе с тем, несмотря на безусловную веру в Бога, он не был слишком религиозен, неоднократно получая предупреждение за пропуски церковных служб.

В 1860 за работы по восприятию цвета и оптики Максвелл был награжден медалью Румфорда. Помимо его старого увлечения геометрией и проблемой цветов, Максвелл заинтересовался электричеством.


3.2. Теория цвета

Молодой Максвелл с "диском Максвелла"

После сдачи экзамена Максвелл решил остаться в Кембридже для подготовки к профессорскому званию. Он занимался с учениками, принимал экзамены в Челтенхэм-колледже, заводил новых друзей, продолжал сотрудничать с Рабочим колледжем, по предложению редактора Макмиллана начал писать книгу по оптике (она так и не была закончена), а в свободное время посещал в Гленлэр отца, здоровье 'я которого резко ухудшилось. К этому же времени относится шутливое экспериментальное исследование с "котовертиння", вошедшее в кембриджский фольклор: его целью было определение минимальной высоты, падая с которого кошка становится на четыре лапы.

Однако главным научным интересом Максвелла в это время была работа по теории цветов. Она берет начало в творчестве Исаака Ньютона, который придерживался идеи о семи основных цветов. Максвелл выступил как продолжатель теории Томаса Юнга, который выдвинул идею трех основных цветов и связал их с физиологическими процессами в организме человека. Важную информацию содержали свидетельства больных цветовой слепотой, или дальтонизмом. В экспериментах по смешиванию цветов, во многом независимо повторяли опыты Германа Гельмгольца, Максвелл применил "цветную юлу", диск которой был разделен на окрашенные в разные цвета сектора, а также "цветную ящик", разработанную им самим оптическую систему, которая позволяла смешивать эталонные цвета. Подобные устройства использовались и ранее, однако только Максвелл начал получать с их помощью количественные результаты и довольно точно предсказывать цвета, возникающие в результате смешения. Так, он продемонстрировал, что смешение синего и желтого цветов дает не зеленый, как часто считали, а розовый оттенок. Опыты Максвелла показали, что белый цвет не может быть получен путем смешивания синего, красного и желтого, как считали Дэвид Брюстер и некоторые другие ученые, а основными цветами являются красный, зеленый и синий. Для графического представления цветов Максвелл, следуя Юнгу, использовал треугольник, точки внутри которого обозначают результат смешения основных цветов, расположенных в вершинах фигуры.


3.3. Начало научной деятельности

20 февраля 1854 Максвелл сообщает Томсону о своем намерении атаковать электричество. Результатом атаки было сочинение "О Фарадеем силовые линии" - первая из трех основных трудов Максвелла, посвященных изучению электромагнитного поля. Слово "поле" вперше з'явилося в тому ж листі Томсону, але ні в цьому, ні в наступному творі, присвяченому силовим лініям, Максвелл його не вживає. Це поняття знову з'явиться тільки в 1864 році в роботі "Динамічна теорія електромагнітного поля".

Восени 1856 Максвелл вступив на посаду професора натуральної філософії Марішаль-коледжу в Абердині. Кафедра натуральної філософії, тобто кафедра фізики в Абердині, до Максвелла, по суті справи, не існувала, і молодому професору довелося організовувати навчальну і наукову роботу з фізики. Перебування в Абердині ознаменувався важливою подією і в особистому житті Максвелла: він одружився на дочці глави Марішаль-коледжу Даніеля Дьюара Кетрін Мері Дьюар. Відбулася ця подія у 1858 році. З цього часу і до кінця життя подружжя Максвелл проходили свій життєвий шлях рука об руку.

В 1857 - 1859 роках учений провів свої розрахунки руху кілець Сатурна. Він показав, що рідке кільце при обертанні зруйнується хвилями, що виникають у ньому і розіб'ється на окремі супутники. Максвелл розглядав рух скінченного ряду таких супутників. Надзвичайне математичне дослідження принесло йому премію Адамса і славу першокласного математика. Премійований твір було видано в 1859 році Кембриджським університетом.


3.4. Динамічна теорія газів

Від вивчення кілець Сатурна цілком природним був перехід до розгляду руху молекул газу. Абердинський період життя Максвелла закінчився виступом його на зборах Британської Асоціації 1859 з доповіддю "Про динамічну теорію газів", в якій навів розподіл молекул за швидкостями (максвеллівський розподіл). Цей документ поклав початок багаторічним та плідним дослідженням Максвелла в області кінетичної теорії газів і статистичної фізики. Максвелл розвинув представлення свого попередника в розробці кінетичної теорії газів Рудольфа Клаузіуса, який ввів поняття "Середньої довжини вільного пробігу". Максвелл виходив з уявлення про газ як про ансамбль безлічі ідеально пружних кульок, хаотично рухомих у замкнутому просторі. Кульки (молекули) можна розділити на групи за швидкостями, при цьому в стаціонарному стані число молекул у кожній групі залишається постійним, хоча вони можуть виходити з груп і входити до них. З такого розгляду випливало, що "частки розподіляються за швидкостями за таким же законом, за яким розподіляються помилки спостережень у теорії методу найменших квадратів", тобто відповідно до статистики Гауса. У рамках своєї теорії Максвелл пояснив закон Авогадро, дифузію, теплопровідність, внутрішнє тертя (теорія перенесення). В 1867 показав статистичну природу другого закону термодинаміки ("демон Максвелла").

Оскільки кафедру, де працював Максвелл, закрили, вченому довелося підшукувати нову роботу. В 1860 році Максвелла обирають професором натуральної філософії Кінг-коледжу в Лондоні.

Лондонський період ознаменувався публікацією великої статті "Пояснення до динамічної теорії газів", яка була опублікована в провідному англійською фізичному журналі "Філософський журнал" у 1860 році. Цією статтею Максвелл вніс величезний внесок у нову галузь теоретичної фізики - статистичну фізику. Засновниками статистичної фізики в її класичній формі вважаються Максвелл, Больцман і Гіббс.

Літо 1860 перед початком осіннього семестру в Лондоні подружжя Максвелл провели в родовому маєтку Гленлер. Проте відпочити і набратися сил Максвеллу не вдалося. Він захворів віспою у важкій формі. Лікарі побоювалися за його життя. Але надзвичайна мужність і терпіння відданої йому Кетрін, яка робила все, щоб виходити хворого чоловіка, допомогли їм здобути перемогу над страшною хворобою. Таким важким випробуванням почалося його лондонське життя. У цей період свого життя Максвелл опублікував велику статтю про кольори, а також роботу "Пояснення до динамічної теорії газів". Але головна праця його життя була присвячена теорії електрики.


3.5. Теорія електромагнітного поля

Він публікує дві основні роботи зі створеної ним теорії електромагнітного поля "Про фізичні силові лінії" (1861 - 1862) і "Динамічна теорія електромагнітного поля" (1864 - 1865). За десять років Максвелл виріс у великого вченого, творця фундаментальної теорії електромагнітних явищ, що стала поряд з механікою, термодинамікою і статистичною фізикою однією з підвалин класичної теоретичної фізики. У цей же період життя Максвелл розпочав роботи з електричних вимірювань. Він був особливо зацікавлений в раціональній системі електричних одиниць, оскільки створена ним електромагнітна теорія світла грунтувалася тільки на збігу відносини електростатичних і електромагнітних одиниць електрики зі швидкістю світла. Цілком природно, що він став одним з активних членів "Комісії одиниць" Британської Асоціації. Крім того, Максвелл глибоко розумів тісний зв'язок науки і техніки, важливість цього союзу як для прогресу науки, так і для технічного прогресу. Тому з шістдесятих років і до кінця життя він невпинно працював в області електричних вимірювань.

Напружене лондонське життя погано відбилося на здоров'ї Максвелла і його дружини, і вони вирішили пожити у своєму родовому маєтку Гленлер. Це рішення стало неминучим після важкого захворювання Максвелла в кінці літнього відпочинку 1865 року, який він, як звичайно, проводив у своєму маєтку. Максвелл залишив службу в Лондоні і п'ять років (з 1866 по 1871 рік) прожив у Гленлері, виїжджаючи зрідка в Кембридж на іспити, і лише в 1867 році за порадою лікарів здійснив подорож до Италии. Займаючись у Гленлері господарськими справами, Максвелл не залишав наукових занять. Він напружено працював над головною працею свого життя "Трактатом з електрики і магнетизму" написав книгу "Теорія тепла", важливу роботу про регулятори, ряд статей з кінетичної теорії газів, брав участь у зборах Британської Асоціації. Творче життя Максвелла в селі тривало так само інтенсивно, як і в університетському місті.

В 1871 году Максвелл издал в Лондоне книгу "Теория тепла". Этот учебник пользовался большой популярностью. Ученый писал, что целью его книги "Теория тепла" являлось изложение учения о теплоте "в той последовательности, в которой оно развивалось". Вскоре после выхода Теории тепла" Максвелл получил предложение занять вновь организованную кафедру экспериментальной физики в Кембридже. Он согласился и 8 марта 1871 году был назначен Кавендишской профессором Кембриджского университета. В 1873 году выходят Трактат по электричеству и магнетизму" (в двух томах) и книга " Материя и движение" . "Материя и движение" - это небольшая книжка посвящена изложению основ механики. "Трактат по электричеству и магнетизму - главный труд Максвелла и вершина его научного творчества. В нем он подвел итоги многолетней работы по электромагнетизму, начавшейся еще в начале 1854 года. Предисловие к Трактата датировано 1 февраля 1873. Таким образом, Максвелл работал над своим основным трудом девятнадцать лет.

Титульный лист Трактата

Максвелл рассмотрел всю сумму знаний по электричеству и магнетизму своего времени, начиная с основных фактов электростатики и кончая созданной им электромагнитной теорией света. Он подвел итоги борьбы теорий дальнодействия и близкодействия, начавшейся еще при жизни Ньютона, посвятив последнюю главу своей книги рассмотрению теорий действия на расстоянии. Максвелл не высказался открыто против существовавших до него теорий электричества, он изложил фарадеевську концепцию как равноправную с господствующими теориями, но весь дух его книги, его подход к анализу электромагнитных явлений были настолько новы и необычны, что современники отказывались понять книгу.

В знаменитой предисловии к Трактата Максвелл так характеризует цель своего труда: описать важнейшие из электромагнитных явлений, показать, как их можно измерить и "проследить математические соотношения между измеряемыми величинами". Он указывает, что постарается "по возможности осветить связь математической формы этой теории и общей динамики, с тем чтобы в определенной степени подготовиться к определению тех динамических законов, среди которых нам следовало бы искать иллюстрации или объяснения электромагнитных явлений".

Законы механики Максвелл считает основными законами природы. Не случайно поэтому в качестве фундаментальной предпосылки к основным своим уравнений электромагнитной теории он излагает основные положения динамики. Но вместе с тем Максвелл понимает, что теория электромагнитных явлений - это качественно новая теория, которая не сводится к механике, хотя механика и облегчает проникновение в эту новую область явлений природы.

Главные выводы Максвелла сводятся к следующему: переменное магнитное поле, возбуждается изменяющимся током, создает в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т. д. Изменяемые электрические и магнитные поля, взаимно порождая друг друга, образуют единое переменное электромагнитное поле - электромагнитную волну. Он вывел уравнения, которые показывают, что магнитное поле, создаваемое источником тока, распространяется от него с постоянной скоростью. Первое уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея, второе - магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения, третье - закон сохранения количества электричества, четвертое - вихревой характер магнитного поля. Возникнув, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света 300 000 км / с, занимая все больший и больший объем. Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие провода, в котором есть переменный электрический ток. Они отличаются друг от друга только длиной. Очень короткие волны и есть видимый свет.


4. Последние годы

Джеймс Максвелл с женой

В середине семидесятых годов была опубликована работа Максвелла "О динамическом доказательство молекулярного строения тел, которая представляет важное дополнение к его "Теории тепла и его работ по кинетической теории газов. В 1874 году он начинает большую историческую работу: изучение научного наследия ученого XVIII века Генри Кавендиша и готовит ее к печати. После исследований Максвелла стало ясно, что Кавендиш задолго до Фарадея открыл влияние диэлектрика на величину электроемкости и за 15 лет до Кулона открыл закон электрических взаимодействий.

Работы Кавендиша по электричеству с описанием экспериментов заняли большой том, вышедший в 1879 году под названием "Статьи по электричеству достопочтенного Генри Кавендиша". Это была последняя книга Максвелла, выпущенная при жизни. 5 ноября 1879 в Кембридже он умер.


Источники


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам