James Clark Maxwell: Lo scienziato e il suo demone. Lavori scientifici di James Maxwell

James Clerk Maxwell (1831-79) - fisico inglese, creatore dell'elettrodinamica classica, uno dei fondatori della fisica statistica, organizzatore e primo direttore (dal 1871) del Laboratorio Cavendish, predisse l'esistenza delle onde elettromagnetiche, avanzò l'idea della natura elettromagnetica della luce e stabilì la prima legge statistica - la legge della distribuzione delle molecole in base alla velocità, che porta il suo nome.

Sviluppando le idee di Michael Faraday, creò la teoria dell'elettricità campo magnetico(equazioni di Maxwell); introdusse il concetto di corrente di spostamento, predisse l'esistenza delle onde elettromagnetiche e avanzò l'idea della natura elettromagnetica della luce. Stabilì una distribuzione statistica a lui intitolata. Ha studiato la viscosità, la diffusione e la conduttività termica dei gas. Maxwell dimostrò che gli anelli di Saturno sono costituiti da corpi separati. Funziona sulla visione dei colori e colorimetria (disco di Maxwell), ottica (effetto Maxwell), teoria dell'elasticità (teorema di Maxwell, diagramma di Maxwell-Cremona), termodinamica, storia della fisica, ecc.

Famiglia. Anni di studio

James Maxwell è nato il 13 giugno 1831 a Edimburgo. È stato figlio unico Il nobile e avvocato scozzese John Clerk, il quale, avendo ereditato la proprietà della moglie di un parente, nata Maxwell, aggiunse questo nome al suo cognome. Dopo la nascita del figlio, la famiglia si trasferì nel sud della Scozia, nella loro tenuta Glenlair ("Shelter in the Valley"), dove il ragazzo trascorse la sua infanzia.

Nel 1841, il padre di James lo mandò in una scuola chiamata Accademia di Edimburgo. Qui, all’età di 15 anni, Maxwell scrisse il suo primo articolo scientifico, “On Drawing Ovals”. Nel 1847 entrò all'Università di Edimburgo, dove studiò per tre anni, e nel 1850 si trasferì all'Università di Cambridge, dove si laureò nel 1854. A quel tempo, James Maxwell era un matematico di prima classe con un'intuizione superbamente sviluppata di un fisico.

Creazione del Laboratorio Cavendish. Lavoro didattico

Dopo la laurea, James Maxwell fu lasciato a Cambridge lavoro pedagogico. Nel 1856 ottenne un posto di professore al Marischal College dell'Università di Aberdeen (Scozia). Nel 1860 fu eletto membro della Royal Society di Londra. Nello stesso anno si trasferì a Londra, accettando l'offerta di ricoprire l'incarico di capo del dipartimento di fisica del King's College dell'Università di Londra, dove lavorò fino al 1865.

Ritornato all'Università di Cambridge nel 1871, Maxwell organizzò e diresse il primo laboratorio britannico appositamente attrezzato per esperimenti fisici, noto come Cavendish Laboratory (dal nome dello scienziato inglese Henry Cavendish). La formazione di questo laboratorio, che a cavallo tra il XIX e il XX secolo. trasformato in uno di centri più grandi scienza mondiale, Maxwell dedicò l'anno scorso Propria vita.

In generale, si conoscono pochi fatti della vita di Maxwell. Timido e modesto, cercava di vivere in solitudine e non teneva diari. Nel 1858 James Maxwell si sposò, ma la vita familiare, a quanto pare, si è rivelato senza successo, ha esacerbato la sua asocialità e lo ha alienato dai suoi ex amici. Si ipotizza che gran parte del materiale importante sulla vita di Maxwell sia andato perduto nell'incendio del 1929 nella sua casa di Glenclair, 50 anni dopo la sua morte. Morì di cancro all'età di 48 anni.

Attività scientifica

La sfera insolitamente ampia di interessi scientifici di Maxwell copriva la teoria dei fenomeni elettromagnetici, la teoria cinetica dei gas, l'ottica, la teoria dell'elasticità e molto altro. Uno dei suoi primi lavori fu la ricerca sulla fisiologia e fisica della visione dei colori e della colorimetria, iniziata nel 1852. Nel 1861, James Maxwell ottenne per la prima volta un'immagine a colori proiettando simultaneamente diapositive rosse, verdi e blu su uno schermo. Ciò ha dimostrato la validità della teoria della visione a tre componenti e ha delineato i modi per creare la fotografia a colori. Nei suoi lavori del 1857-59, Maxwell studiò teoricamente la stabilità degli anelli di Saturno e dimostrò che gli anelli di Saturno possono essere stabili solo se sono costituiti da particelle (corpi) non collegate tra loro.

Nel 1855, D. Maxwell iniziò una serie dei suoi lavori principali sull'elettrodinamica. Furono pubblicati gli articoli “Sulle linee di forza di Faraday” (1855-56), “Sulle linee di forza fisiche” (1861-62) e “Teoria dinamica del campo elettromagnetico” (1869). La ricerca si completò con la pubblicazione di una monografia in due volumi, “Trattato sull'elettricità e sul magnetismo” (1873).

Creazione della teoria del campo elettromagnetico

Quando James Maxwell iniziò le ricerche sui fenomeni elettrici e magnetici nel 1855, molti di essi erano già stati ben studiati: in particolare, erano state stabilite le leggi di interazione delle cariche elettriche stazionarie (legge di Coulomb) e delle correnti (legge di Ampere); È stato dimostrato che le interazioni magnetiche sono interazioni di cariche elettriche in movimento. La maggior parte degli scienziati dell'epoca credeva che l'interazione fosse trasmessa istantaneamente, direttamente attraverso il vuoto (la teoria dell'azione a lungo raggio).

Una svolta decisiva alla teoria dell'azione a corto raggio fu fatta da Michael Faraday negli anni '30. 19esimo secolo Secondo le idee di Faraday, una carica elettrica crea un campo elettrico nello spazio circostante. Il campo di una carica agisce su un'altra e viceversa. L'interazione delle correnti viene effettuata attraverso un campo magnetico. Faraday ha descritto la distribuzione dei campi elettrici e magnetici nello spazio utilizzando linee di forza che, a suo avviso, assomigliano alle normali linee elastiche in un mezzo ipotetico: l'etere mondiale.

Maxwell accettò pienamente le idee di Faraday sull'esistenza di un campo elettromagnetico, cioè sulla realtà dei processi nello spazio vicino a cariche e correnti. Credeva che il corpo non potesse agire dove non esiste.

La prima cosa che D.K Maxwell - diede alle idee di Faraday una rigorosa forma matematica, così necessaria in fisica. Si è scoperto che con l'introduzione del concetto di campo, le leggi di Coulomb e Ampere hanno cominciato ad esprimersi in modo più completo, profondo ed elegante. Nel fenomeno induzione elettromagnetica Maxwell vide una nuova proprietà dei campi: un campo magnetico alternato genera nello spazio vuoto un campo elettrico con linee di forza chiuse (il cosiddetto campo elettrico a vortice).

Il passo successivo e finale nella scoperta delle proprietà fondamentali del campo elettromagnetico fu compiuto da Maxwell senza fare alcun affidamento sull'esperimento. Ha fatto la brillante ipotesi che un campo elettrico alternato generi un campo magnetico, proprio come quello normale. elettricità(ipotesi corrente di spostamento). Nel 1869, tutte le leggi fondamentali del comportamento del campo elettromagnetico furono stabilite e formulate sotto forma di un sistema di quattro equazioni, chiamate equazioni di Maxwell.

Le equazioni di Maxwell sono le equazioni di base dell'elettrodinamica macroscopica classica, che descrivono i fenomeni elettromagnetici in mezzi arbitrari e nel vuoto. Le equazioni di Maxwell furono ottenute da J.C. Maxwell negli anni '60. 19esimo secolo come risultato della generalizzazione delle leggi dei fenomeni elettrici e magnetici riscontrate dall'esperienza.

Una conclusione fondamentale deriva dalle equazioni di Maxwell: la velocità finita di propagazione delle interazioni elettromagnetiche. Questa è la cosa principale che distingue la teoria dell'azione a breve raggio dalla teoria dell'azione a lungo raggio. La velocità si è rivelata essere uguale velocità luce nel vuoto: 300.000 km/s. Da ciò Maxwell concluse che la luce è una forma di onde elettromagnetiche.

Lavora sulla teoria cinetica molecolare dei gas

Il ruolo di James Maxwell nello sviluppo e nell’affermazione della teoria cinetica molecolare è estremamente importante ( nome moderno-meccanica statistica). Maxwell fu il primo a fare una dichiarazione sulla natura statistica delle leggi della natura. Nel 1866 scoprì la prima legge statistica: la legge della distribuzione delle molecole in base alla velocità (distribuzione di Maxwell). Inoltre, calcolò la viscosità dei gas in base alla velocità e al percorso libero medio delle molecole e derivò una serie di relazioni termodinamiche.

La distribuzione di Maxwell è la distribuzione della velocità delle molecole di un sistema in uno stato di equilibrio termodinamico (a condizione che il movimento traslazionale delle molecole sia descritto dalle leggi della meccanica classica). Fondata da J.C. Maxwell nel 1859.

Maxwell fu un brillante divulgatore della scienza. Scrisse numerosi articoli per l'Enciclopedia Britannica e libri popolari: "La teoria del calore" (1870), "Materia e movimento" (1873), "Elettricità in esposizione elementare" (1881), che furono tradotti in russo; ha tenuto conferenze e relazioni a argomenti fisici per un vasto pubblico. Maxwell mostrò anche grande interesse per la storia della scienza. Nel 1879 pubblicò i lavori di G. Cavendish sull'elettricità, corredandoli di ampi commenti.

Valutazione del lavoro di Maxwell

Le opere dello scienziato non furono apprezzate dai suoi contemporanei. Le idee sull'esistenza di un campo elettromagnetico sembravano arbitrarie e infruttuose. Solo dopo che Heinrich Hertz dimostrò sperimentalmente l'esistenza delle onde elettromagnetiche previste da Maxwell nel 1886-89, la sua teoria ottenne l'accettazione universale. Ciò è accaduto dieci anni dopo la morte di Maxwell.

Dopo la conferma sperimentale della realtà del campo elettromagnetico, è stata fatta una scoperta scientifica fondamentale: esistono diversi tipi materia, e ciascuna di esse ha le proprie leggi, non riducibili alle leggi della meccanica di Newton. Tuttavia, lo stesso Maxwell ne era appena consapevole e inizialmente cercò di costruire modelli meccanici dei fenomeni elettromagnetici.

Il fisico americano Richard Feynman ha parlato in modo eccellente del ruolo di Maxwell nello sviluppo della scienza: “Nella storia dell'umanità (se la guardi, diciamo, diecimila anni dopo), l'evento più significativo del 19 ° secolo sarà senza dubbio la scoperta di Maxwell delle leggi dell'elettrodinamica. Sullo sfondo di questa importante scoperta scientifica Guerra civile in America nello stesso decennio sembrerà un incidente provinciale”.

James Maxwell è morto 5 novembre 1879, Cambridge. È sepolto non nella tomba dei grandi uomini d'Inghilterra - l'Abbazia di Westminster - ma in una tomba modesta accanto alla sua amata chiesa in un villaggio scozzese, non lontano dalla tenuta di famiglia.

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James Clark Maxwell visse solo 48 anni, ma il suo contributo alla matematica, alla fisica e alla meccanica è difficile da sopravvalutare. Lo stesso Albert Einstein affermò di dover la sua teoria della relatività alle equazioni di Maxwell per il campo elettromagnetico.

C'è una casa in India Street a Edimburgo con una targa sul muro:
"James Clarke Maxwell
Naturalista
Nato qui il 13 giugno 1831."

Il futuro grande scienziato apparteneva a un'antica famiglia nobile e trascorse gran parte della sua infanzia nella tenuta di suo padre, Middleby, situata nel sud della Scozia. È cresciuto curioso e bambino attivo, e anche allora i suoi parenti notarono che le sue domande preferite erano: "Come farlo?" e "Come succede?"

Quando James compì dieci anni, per decisione della famiglia, entrò all'Accademia di Edimburgo, dove studiò diligentemente, anche se senza mostrare talenti particolari. Tuttavia, lasciandosi trasportare dalla geometria, Maxwell inventò nuovo modo disegnare ovali. Il contenuto del suo lavoro sulla geometria delle curve ovali fu delineato nelle Transazioni della Royal Society di Edimburgo del 1846. L'autore aveva allora solo quattordici anni. A sedici anni Maxwell frequentò l'Università di Edimburgo, scegliendo fisica e matematica come materie principali. Inoltre, si interessò ai problemi della filosofia e seguì corsi di logica e metafisica.

I già citati "Atti della Royal Society di Edimburgo" hanno pubblicato altri due lavori di uno studente di talento: sulle curve di rotolamento e sulle proprietà elastiche solidi. L'ultimo argomento era importante per la meccanica strutturale.

Dopo aver studiato a Edimburgo, il diciannovenne Maxwell si trasferì all'Università di Cambridge, prima al St. Peter's College, poi al più prestigioso Trinity College. Lo studio della matematica veniva svolto a un livello più profondo e i requisiti per gli studenti erano notevolmente più alti rispetto a Edimburgo. Nonostante ciò, Maxwell è riuscito a ottenere il secondo posto nell'esame pubblico in tre fasi di matematica per una laurea.

A Cambridge, Maxwell ha interagito molto con lui persone diverse, entrò a far parte del club degli apostoli, che era composto da 12 membri accomunati dall'ampiezza e dall'originalità di pensiero. Ha partecipato alle attività del Collegio Operaio, creato per l'istruzione persone normali, ha tenuto conferenze lì.

Nell'autunno del 1855, quando Maxwell completò i suoi studi, fu accettato nel Collegio della Santissima Trinità e invitato a rimanere come insegnante. Poco dopo, entrò a far parte della Royal Society di Edimburgo, l'associazione scientifica nazionale della Scozia. Nel 1856, Maxwell lasciò Cambridge per una cattedra al Marischal College nella città scozzese di Aberdeen.

Essendo diventato amico del preside del college, il reverendo Daniel Dewar, Maxwell incontrò sua figlia Catherine Mary. Annunciarono il loro fidanzamento alla fine dell'inverno del 1858 e si sposarono a giugno. Secondo le memorie del biografo e amico dello scienziato Lewis Campbell, il loro matrimonio si rivelò un esempio di incredibile devozione. È noto che Katherine ha aiutato suo marito nelle ricerche di laboratorio.

Nel complesso, il periodo di Aberdeen fu molto fruttuoso nella vita di Maxwell. Mentre era ancora a Cambridge, iniziò a studiare la struttura degli anelli di Saturno e nel 1859 fu pubblicata la sua monografia, dove dimostrò che si tratta di corpi solidi che ruotano attorno al pianeta. Allo stesso tempo, lo scienziato scrisse un articolo "Spiegazioni sulla teoria dinamica dei gas", in cui derivò una funzione che riflette la distribuzione delle molecole di gas in base alla loro velocità, in seguito chiamata distribuzione di Maxwell. Questo è stato uno dei primi esempi di leggi statistiche che descrivono il comportamento non di un oggetto o di una singola particella, ma il comportamento di molti oggetti o particelle. Il ricercatore in seguito inventò il “demone di Maxwell” – un esperimento mentale in cui un essere incorporeo intelligente separa le molecole di gas in base alla velocità – dimostrò la natura statistica della seconda legge della termodinamica.

Nel 1860 diversi college furono fusi nell'Università di Aberdeen e alcuni dipartimenti furono aboliti. Anche il giovane professor Maxwell è stato licenziato. Ma non rimase disoccupato a lungo; quasi subito fu invitato a insegnare al King's College di Londra, dove rimase per i successivi cinque anni.

Nello stesso anno, in una riunione della British Association, lo scienziato lesse un rapporto sui suoi sviluppi riguardo alla percezione dei colori, per il quale in seguito ricevette la Medaglia Rumford dalla Royal Society di Londra. Dimostrando la correttezza della propria teoria del colore, Maxwell ha presentato al pubblico un nuovo prodotto che ha catturato la loro immaginazione: la fotografia a colori. Nessuno poteva ottenerlo prima di lui.

Nel 1861 Maxwell fu nominato membro dello Standards Committee, creato per definire le principali unità elettriche.

Inoltre Maxwell non rinunciò alla ricerca sull'elasticità dei solidi e per i risultati ottenuti gli venne assegnato il Premio Keith della Royal Society di Edimburgo.

Mentre lavorava al King's College di Londra, Maxwell completò la sua teoria del campo elettromagnetico. L'idea stessa del campo fu proposta dal famoso fisico Michael Faraday, ma le sue conoscenze non erano sufficienti per presentare la sua scoperta nel linguaggio delle formule. La descrizione matematica dei campi elettromagnetici divenne per Maxwell il principale problema scientifico. Basato sul metodo delle analogie, grazie al quale le somiglianze tra interazione elettrica e trasferimento di calore in un corpo solido, lo scienziato trasferì i dati della ricerca sul calore all'elettricità e fu il primo a poter dimostrare matematicamente il trasferimento azione elettrica nell'ambiente.

L’anno 1873 fu segnato dalla pubblicazione del “Trattato sull’elettricità e il magnetismo”, il cui significato è paragonabile a quello dei “Principi matematici della filosofia” di Newton. Usando le equazioni, Maxwell descrisse i fenomeni elettromagnetici e concluse che esistono onde elettromagnetiche, che si propagano alla velocità della luce e la luce stessa è di natura elettromagnetica.

Il Trattato fu pubblicato quando Maxwell era già da due anni a capo del laboratorio di fisica dell'Università di Cambridge (dal 1871), la cui creazione significò il riconoscimento da parte della comunità scientifica dell'enorme importanza dell'approccio sperimentale alla ricerca.

Non di meno compito significativo Maxwell vide la divulgazione della scienza. Per fare questo, ha scritto articoli per l'Enciclopedia Britannica, un'opera in cui ha cercato di farlo in un linguaggio semplice spiegare i concetti base di materia, movimento, elettricità, atomi e molecole.

Nel 1879 la salute di Maxwell peggiorò notevolmente. Sapeva di essere gravemente malato e la sua diagnosi era un cancro. Rendendosi conto di essere condannato, sopportò coraggiosamente il dolore e affrontò con calma la morte, avvenuta il 5 novembre 1879.

Sebbene i lavori di Maxwell ricevessero una degna valutazione durante la vita dello scienziato, il loro vero significato divenne chiaro solo anni dopo, quando nel XX secolo il concetto di campo fu saldamente stabilito nell'uso scientifico, e Albert Einstein affermò che le equazioni di Maxwell per il campo elettromagnetico precedettero la sua teoria della relatività.

La memoria dello scienziato è immortalata nei nomi di uno degli edifici dell'Università di Edimburgo, l'edificio principale e sala concerti dell'Università di Salford e del James Clerk Maxwell Centre dell'Accademia di Edimburgo. Ad Aberdeen e Cambridge puoi trovare strade a lui intitolate. L'Abbazia di Westminster ha una targa commemorativa dedicata a Maxwell e i visitatori della Galleria d'arte dell'Università di Aberdeen possono vedere un busto dello scienziato. Nel 2008, a Edimburgo è stato eretto un monumento in bronzo a Maxwell.

Anche molte organizzazioni e premi sono associati al nome di Maxwell. Il laboratorio di fisica da lui diretto istituì una borsa di studio per gli studenti laureati più talentuosi. Il British Institute of Physics assegna la Medaglia e il Premio Maxwell a giovani fisici che hanno dato un contributo significativo alla scienza. L'Università di Londra ha una cattedra Maxwell e una Maxwell Student Society. Creata nel 1977, la Fondazione Maxwell organizza conferenze di fisica e matematica.

Insieme al riconoscimento, Maxwell è stato nominato lo scienziato scozzese più famoso in un sondaggio del 2006, il che indica che grande ruolo, che ha interpretato nella storia della scienza.

"... si verificò una grande svolta, che sarà per sempre associata ai nomi di Faraday, Maxwell, Hertz. La parte del leone in questa rivoluzione spetta a Maxwell... Dopo Maxwell, la realtà fisica fu pensata sotto forma di campi continui ciò non si spiega meccanicamente... Questo cambiamento nel concetto di realtà è il più profondo e fruttuoso di quelli che la fisica ha sperimentato dai tempi di Newton."

Einstein

Aforismi e citazioni di James Maxwell.
"Quando un fenomeno può essere descritto come caso speciale qualche principio generale applicabile ad altri fenomeni, allora dicono che questo fenomeno è stato spiegato"

“...Per lo sviluppo della scienza, in ogni epoca è necessario non solo che gli uomini pensino in generale, ma che concentrino i loro pensieri su quella parte del vasto campo della scienza che è in tempo a disposizione richiede sviluppo"

“Tra tutte le ipotesi... scegli quella che non interferisce con l'ulteriore riflessione sulle cose studiate”

“Per condurre in modo abbastanza corretto lavoro scientifico attraverso la sperimentazione sistematica e la dimostrazione precisa, è richiesta l’arte della strategia”.

“…La storia della scienza non si limita a elencare le ricerche riuscite. Dovrebbe raccontarci degli studi infruttuosi e spiegarne il motivo persone capaci non riuscivano a trovare la chiave della conoscenza, e come la reputazione degli altri fornisse solo maggiore sostegno agli errori in cui essi cadevano”.

"Qualunque grande personaè unico nel suo genere. Nel corteo storico degli scienziati, ognuno di loro ha il suo compito specifico e il suo luogo specifico»

“Il vero cuore della scienza non sono i volumi di lavori scientifici, ma la mente vivente di una persona, e per far avanzare la scienza è necessario dirigere il pensiero umano in una direzione scientifica. Si può fare diversi modi: annunciando una scoperta, difendendo un'idea paradossale, o inventando una frase scientifica, o esponendo un sistema di dottrina.

Maxwell e la teoria del campo elettromagnetico.
Maxwell studiò i fenomeni elettrici e magnetici quando molti di essi erano già ben compresi. Furono create la legge di Coulomb e la legge di Ampere, ed è stato anche dimostrato che le interazioni magnetiche sono legate all'azione delle cariche elettriche. Molti scienziati dell'epoca erano sostenitori della teoria dell'azione a lungo raggio, secondo la quale l'interazione avviene istantaneamente e nello spazio vuoto.

Il ruolo principale nella teoria dell'azione a corto raggio è stato svolto dalla ricerca di Michael Faraday (anni '30 del XIX secolo). Faraday sosteneva che la natura della carica elettrica fosse basata sul campo elettrico circostante. Il campo di una carica è collegato a quello vicino in due direzioni. Le correnti interagiscono utilizzando un campo magnetico. Magnetico e campi elettrici secondo Faraday, sono da lui descritti sotto forma di linee di forza, che sono linee elastiche in un mezzo ipotetico - nell'etere.

Maxwell spiegò le idee di Faraday in forma matematica, qualcosa di cui la fisica aveva davvero bisogno. Con l'introduzione del concetto di campo, le leggi di Coulomb e di Ampere divennero più convincenti e profondamente significative. Nel concetto di induzione elettromagnetica Maxwell riuscì a considerare le proprietà del campo stesso. Sotto l'influenza di un campo magnetico alternato, nello spazio vuoto viene generato un campo elettrico con linee di forza chiuse. Questo fenomeno è chiamato campo elettrico a vortice.
Maxwell dimostrò che un campo elettrico alternato può generare un campo magnetico, simile ad una normale corrente elettrica. Questa teoria è stata chiamata ipotesi della corrente di spostamento. Successivamente Maxwell espresse il comportamento dei campi elettromagnetici nelle sue equazioni.

Riferimento. Le equazioni di Maxwell sono equazioni che descrivono i fenomeni elettromagnetici in ambienti diversi e lo spazio del vuoto, e si riferiscono anche all'elettrodinamica macroscopica classica. Questa è una conclusione logica tratta da esperimenti basati sulle leggi dei fenomeni elettrici e magnetici.
La conclusione principale delle equazioni di Maxwell è la finitezza della propagazione delle interazioni elettriche e magnetiche, che distingue tra la teoria dell'azione a corto raggio e la teoria dell'azione a lungo raggio. Le caratteristiche di velocità si avvicinavano alla velocità della luce, 300.000 km/s. Ciò diede a Maxwell motivo di sostenere che la luce è un fenomeno associato all'azione delle onde elettromagnetiche.

Teoria cinetica molecolare dei gas di Maxwell.

Maxwell contribuì allo studio della teoria cinetica molecolare (oggi chiamata meccanica statistica). Fu il primo a inventare l'idea della natura statistica delle leggi della natura. Maxwellcreò una legge sulla distribuzione delle molecole in base alla velocità e riuscì anche a calcolare la viscosità dei gas in relazione agli indicatori di velocità e al percorso libero delle molecole di gas. Grazie al lavoro di Maxwell, abbiamo una serie di relazioni termodinamiche.

Riferimento. La distribuzione di Maxwell è una teoria della distribuzione della velocità delle molecole di un sistema in condizioni di equilibrio termodinamico. L'equilibrio termodinamico è una condizione per il movimento traslazionale delle molecole descritto dalle leggi della dinamica classica.
Lavori scientificiMaxwell: “Teoria del calore”, “Materia e movimento”, “Elettricità nella presentazione elementare”. Era interessato anche alla storia della scienza. Un tempo riuscì a pubblicare le opere di Cavendish, cheMaxwellHo aggiunto i miei commenti.
Maxwell stava lavorando attivamente allo studio dei campi elettromagnetici. La sua teoria sulla loro esistenza ha ricevuto il riconoscimento mondiale solo un decennio dopo la sua morte.

Maxwell fu il primo a classificare la materia e ad assegnare a ciascuna le proprie leggi, che non erano riducibili alle leggi della meccanica di Newton.

Molti scienziati ne hanno scritto. Ne ha parlato il fisico Feynman Maxwellche scoprì le leggi dell'elettrodinamicaMaxwell, guardò attraverso i secoli nel futuro.

MAXWELL (Maxwell) Giacomo Impiegato ( Impiegato) (1831-79), fisico inglese, ideatore dell'elettrodinamica classica, uno dei fondatori della fisica statistica, organizzatore e primo direttore (dal 1871) del Laboratorio Cavendish. Sviluppando le idee di M. Faraday, creò la teoria del campo elettromagnetico (equazioni di Maxwell); introdusse il concetto di corrente di spostamento, predisse l'esistenza delle onde elettromagnetiche e avanzò l'idea della natura elettromagnetica della luce. Stabilì una distribuzione statistica a lui intitolata. Ha studiato la viscosità, la diffusione e la conduttività termica dei gas. Ha dimostrato che gli anelli di Saturno sono costituiti da corpi individuali. Funziona sulla visione dei colori e colorimetria (disco di Maxwell), ottica (effetto Maxwell), teoria dell'elasticità (teorema di Maxwell, diagramma di Maxwell-Cremona), termodinamica, storia della fisica, ecc.

MAXWELL (Maxwell) James Clerk (13 giugno 1831, Edimburgo, - 5 novembre 1879, Cambridge), fisico inglese, creatore dell'elettrodinamica classica, uno dei fondatori della fisica statistica, fondatore di uno dei più grandi studi mondiali centri scientifici fine 19° - inizio 20° secolo - Laboratorio Cavendish; creò la teoria del campo elettromagnetico, predisse l'esistenza delle onde elettromagnetiche, avanzò l'idea della natura elettromagnetica della luce, stabilì la prima legge statistica: la legge della distribuzione delle molecole in base alla velocità, a lui intitolata.

Famiglia. Anni di studio

Maxwell era l'unico figlio del nobile e avvocato scozzese John Clerk, il quale, avendo ereditato la proprietà della moglie di un parente, nata Maxwell, aggiunse questo nome al suo cognome. Dopo la nascita del figlio, la famiglia si trasferì nel sud della Scozia, nella propria tenuta Glenlair ("Shelter in the Valley"), dove il ragazzo trascorse la sua infanzia. Nel 1841, il padre di James lo mandò in una scuola chiamata Accademia di Edimburgo. Qui, all’età di 15 anni, Maxwell scrisse il suo primo articolo scientifico, “On Drawing Ovals”. Nel 1847 entrò all'Università di Edimburgo, dove studiò per tre anni, e nel 1850 si trasferì all'Università di Cambridge, dove si laureò nel 1854. A quel tempo, Maxwell era un matematico di prima classe con l'intuizione superbamente sviluppata di un fisico.

Creazione del Laboratorio Cavendish. Lavoro didattico

Dopo la laurea all'università, Maxwell fu lasciato a Cambridge per lavorare come insegnante. Nel 1856 ottenne un posto di professore al Marischal College dell'Università di Aberdeen (Scozia). Nel 1860 fu eletto membro della Royal Society di Londra. Nello stesso anno si trasferì a Londra, accettando l'offerta di ricoprire l'incarico di capo del dipartimento di fisica del King's College dell'Università di Londra, dove lavorò fino al 1865.

Ritornato all'Università di Cambridge nel 1871, Maxwell organizzò e diresse il primo laboratorio appositamente attrezzato in Gran Bretagna per esperimenti fisici, noto come Cavendish Laboratory (dal nome dello scienziato inglese G. Cavendish). La formazione di questo laboratorio, che a cavallo tra il XIX e il XX secolo. trasformato in uno dei più grandi centri della scienza mondiale, Maxwell dedicò gli ultimi anni della sua vita.

Si conoscono pochi fatti della vita di Maxwell. Timido, modesto, cercava di vivere solo; Non tenevo diari. Nel 1858 Maxwell si sposò, ma la sua vita familiare, a quanto pare, non ebbe successo, aggravò la sua asocialità e lo alienò dai suoi ex amici. Si ipotizza che gran parte del materiale importante sulla vita di Maxwell sia andato perduto nell'incendio del 1929 nella sua casa di Glenclair, 50 anni dopo la sua morte. Morì di cancro all'età di 48 anni.

Attività scientifica

La sfera insolitamente ampia di interessi scientifici di Maxwell copriva la teoria dei fenomeni elettromagnetici, la teoria cinetica dei gas, l'ottica, la teoria dell'elasticità e molto altro. Uno dei suoi primi lavori fu la ricerca sulla fisiologia e fisica della visione dei colori e della colorimetria, iniziata nel 1852. Nel 1861, Maxwell ottenne per la prima volta un'immagine a colori proiettando simultaneamente diapositive rosse, verdi e blu su uno schermo. Ciò ha dimostrato la validità della teoria della visione a tre componenti e ha delineato i modi per creare la fotografia a colori. Nei suoi lavori del 1857-59, Maxwell studiò teoricamente la stabilità degli anelli di Saturno e dimostrò che gli anelli di Saturno possono essere stabili solo se sono costituiti da particelle (corpi) non collegate tra loro.

Nel 1855 Maxwell iniziò una serie dei suoi lavori principali sull'elettrodinamica. Furono pubblicati gli articoli “Sulle linee di forza di Faraday” (1855-56), “Sulle linee di forza fisiche” (1861-62) e “Teoria dinamica del campo elettromagnetico” (1869). La ricerca si completò con la pubblicazione di una monografia in due volumi, “Trattato sull'elettricità e sul magnetismo” (1873).

Creazione della teoria del campo elettromagnetico

Quando Maxwell iniziò le ricerche sui fenomeni elettrici e magnetici nel 1855, molti di essi erano già stati ben studiati: in particolare, erano state stabilite le leggi di interazione delle cariche elettriche stazionarie (legge di Coulomb) e delle correnti (legge di Ampere); È stato dimostrato che le interazioni magnetiche sono interazioni di cariche elettriche in movimento. La maggior parte degli scienziati dell'epoca credeva che l'interazione fosse trasmessa istantaneamente, direttamente attraverso il vuoto (la teoria dell'azione a lungo raggio).

Una svolta decisiva alla teoria dell'azione a corto raggio fu fatta da M. Faraday negli anni '30. 19esimo secolo Secondo le idee di Faraday, una carica elettrica crea un campo elettrico nello spazio circostante. Il campo di una carica agisce su un'altra e viceversa. L'interazione delle correnti viene effettuata attraverso un campo magnetico. Faraday ha descritto la distribuzione dei campi elettrici e magnetici nello spazio utilizzando linee di forza che, a suo avviso, assomigliano alle normali linee elastiche in un mezzo ipotetico: l'etere mondiale.

Maxwell accettò pienamente le idee di Faraday sull'esistenza di un campo elettromagnetico, cioè sulla realtà dei processi nello spazio vicino a cariche e correnti. Credeva che il corpo non potesse agire dove non esiste.

La prima cosa che Maxwell fece fu dare alle idee di Faraday una forma matematica rigorosa, così necessaria in fisica. Si è scoperto che con l'introduzione del concetto di campo, le leggi di Coulomb e Ampere hanno cominciato ad esprimersi in modo più completo, profondo ed elegante. Nel fenomeno dell'induzione elettromagnetica, Maxwell vide una nuova proprietà dei campi: un campo magnetico alternato genera nello spazio vuoto un campo elettrico con linee di forza chiuse (il cosiddetto campo elettrico a vortice).

Il passo successivo e finale nella scoperta delle proprietà fondamentali del campo elettromagnetico fu compiuto da Maxwell senza fare alcun affidamento sull'esperimento. Ha fatto la brillante ipotesi che un campo elettrico alternato generi un campo magnetico, proprio come una normale corrente elettrica (ipotesi della corrente di spostamento). Nel 1869, tutte le leggi fondamentali del comportamento del campo elettromagnetico furono stabilite e formulate sotto forma di un sistema di quattro equazioni, chiamate equazioni di Maxwell.

Una conclusione fondamentale deriva dalle equazioni di Maxwell: la velocità finita di propagazione delle interazioni elettromagnetiche. Questa è la cosa principale che distingue la teoria dell'azione a breve raggio dalla teoria dell'azione a lungo raggio. La velocità risultò pari alla velocità della luce nel vuoto: 300.000 km/s. Da ciò Maxwell concluse che la luce è una forma di onde elettromagnetiche.

Lavora sulla teoria cinetica molecolare dei gas

Il ruolo di Maxwell nello sviluppo e nell'affermazione della teoria cinetica molecolare (il nome moderno è meccanica statistica) è estremamente importante. Maxwell fu il primo a fare una dichiarazione sulla natura statistica delle leggi della natura. Nel 1866 scoprì la prima legge statistica: la legge della distribuzione delle molecole in base alla velocità (distribuzione di Maxwell). Inoltre, calcolò la viscosità dei gas in base alla velocità e al percorso libero medio delle molecole e derivò una serie di relazioni termodinamiche.

Maxwell fu un brillante divulgatore della scienza. Scrisse numerosi articoli per l'Enciclopedia Britannica e libri popolari: "La teoria del calore" (1870), "Materia e movimento" (1873), "Elettricità in esposizione elementare" (1881), che furono tradotti in russo; ha tenuto conferenze e relazioni su argomenti fisici per un vasto pubblico. Maxwell mostrò anche grande interesse per la storia della scienza. Nel 1879 pubblicò i lavori di G. Cavendish sull'elettricità, corredandoli di ampi commenti.

Valutazione del lavoro di Maxwell

Le opere dello scienziato non furono apprezzate dai suoi contemporanei. Le idee sull'esistenza di un campo elettromagnetico sembravano arbitrarie e infruttuose. Solo dopo che G. Hertz nel 1886-89 dimostrò sperimentalmente l'esistenza delle onde elettromagnetiche previste da Maxwell, la sua teoria ricevette un riconoscimento universale. Ciò è accaduto dieci anni dopo la morte di Maxwell.

Dopo la conferma sperimentale della realtà del campo elettromagnetico, è stata fatta una scoperta scientifica fondamentale: esistono diversi tipi di materia, e ognuno di essi ha le proprie leggi, che non sono riducibili alle leggi della meccanica di Newton. Tuttavia, lo stesso Maxwell ne era appena consapevole e inizialmente cercò di costruire modelli meccanici dei fenomeni elettromagnetici.

Il fisico americano R. Feynman ha parlato in modo eccellente del ruolo di Maxwell nello sviluppo della scienza: “Nella storia dell'umanità (se la guardi, diciamo, diecimila anni dopo), l'evento più significativo del 19 ° secolo sarà senza dubbio l'evento di Maxwell scoperta delle leggi dell'elettrodinamica Sullo sfondo di questa importante apertura scientifica, la guerra civile americana nello stesso decennio sembrerà un incidente provinciale.

Maxwell è sepolto non nella tomba dei grandi uomini d'Inghilterra - l'Abbazia di Westminster - ma in una tomba modesta accanto alla sua amata chiesa in un villaggio scozzese, non lontano dalla tenuta di famiglia.

Creatore dell'elettrodinamica classica, uno dei fondatori della fisica statistica.

Maxwell James Clerk (13.6.1831, Edimburgo, - 5.11.1879, Cambridge), fisico inglese, creatore dell'elettrodinamica classica, uno dei fondatori della fisica statistica. Membro della Royal Society di Londra (1860). Figlio di un nobile scozzese di una nobile famiglia di impiegati. Studiò alle università di Edimburgo (1847-50) e Cambridge (1850-54). Professore al Marischal College di Aberdeen (1856-60), poi all'Università di Londra (1860-65). Dal 1871 divenne professore all'Università di Cambridge, dove M. fondò il primo laboratorio fisico appositamente attrezzato in Gran Bretagna: il Cavendish Laboratory, di cui fu direttore dal 1871.

Le attività scientifiche di M. riguardano problemi di elettromagnetismo, teoria cinetica dei gas, ottica, teoria dell'elasticità e molto altro. M. completò la sua prima opera, "Sul disegno di ovali e ovali con molti trucchi", quando non aveva ancora 15 anni (1846, pubblicata nel 1851). Alcune delle sue prime ricerche riguardarono il lavoro sulla fisiologia e la fisica della visione dei colori e della colorimetria (1852-72, vedi Misurazioni del colore). Nel 1861 M. dimostrò per primo un'immagine a colori ottenuta dalla proiezione simultanea di diapositive rosse, verdi e blu su uno schermo, dimostrando così la validità della teoria a tre componenti della visione a colori e allo stesso tempo delineando modi per creare fotografie a colori. Creò uno dei primi strumenti per la misurazione quantitativa del colore, chiamato disco di M. Nel 1857-59, M. condusse uno studio teorico sulla stabilità degli anelli di Saturno e dimostrò che gli anelli di Saturno possono essere stabili solo se costituiti da particelle solide non collegate.

Nelle ricerche sull'elettricità e sul magnetismo (articoli “Sulle linee di forza faradiane”, 1855-56; “Sulle linee di forza fisiche”, 1861-62; “Teoria dinamica del campo elettromagnetico”, 1864; fondamentale in due volumi “Trattato sull'elettricità Elettricità e magnetismo”, 1873 ) M. sviluppò matematicamente le opinioni di M. Faraday sul ruolo del mezzo intermedio nelle interazioni elettriche e magnetiche. Ha provato (seguendo Faraday) a interpretare questo mezzo come un etere mondiale onnipervasivo, ma questi tentativi non hanno avuto successo. Ulteriori sviluppi la fisica ha dimostrato che il portatore delle interazioni elettromagnetiche è il campo elettromagnetico, la cui teoria (nella fisica classica) M. ha creato. In questa teoria, M. riassunse tutti i fatti dell'elettrodinamica macroscopica allora conosciuti e introdusse per la prima volta l'idea di una corrente di spostamento che genera un campo magnetico come una corrente ordinaria (corrente di conduzione in movimento cariche elettriche). M. ha espresso le leggi del campo elettromagnetico sotto forma di un sistema di 4 equazioni differenziali parziali (vedi equazioni di Maxwell). La natura generale e completa di queste equazioni si è manifestata nel fatto che la loro analisi ha permesso di prevedere molti fenomeni e modelli precedentemente sconosciuti. Ne seguì quindi l'esistenza delle onde elettromagnetiche, che furono successivamente scoperte sperimentalmente da G. Hertz. Studiando queste equazioni, M. giunse alla conclusione sulla natura elettromagnetica della luce (1865) e dimostrò che la velocità di qualsiasi altra onda elettromagnetica nel vuoto è uguale alla velocità della luce. Misurò (con maggiore precisione di W. Weber e F. Kohlrausch nel 1856) il rapporto tra l'unità di carica elettrostatica e quella elettromagnetica e ne confermò l'uguaglianza alla velocità della luce. Dalla teoria di M. derivava che le onde elettromagnetiche producono pressione. La pressione leggera fu stabilita sperimentalmente nel 1899 da P. N. Lebedev.

La teoria dell'elettromagnetismo di M. ricevette piena conferma sperimentale e divenne generalmente accettata base classica fisica moderna. Il ruolo di questa teoria è stato chiaramente descritto da A. Einstein: “... qui si è verificata una grande svolta, che sarà per sempre associata ai nomi di Faraday, Maxwell, Hertz. La parte del leone in questa rivoluzione spetta a Maxwell... Dopo Maxwell, la realtà fisica fu concepita sotto forma di campi continui che non si possono spiegare meccanicamente... Questo cambiamento nel concetto di realtà è il più profondo e fruttuoso di quelli che la fisica ha sperimentato fin dai tempi di Newton" (Collected Scientific Works, Vol. 4, M., 1967, p. 138).

Nella ricerca sulla teoria cinetica molecolare dei gas (articoli "Spiegazioni sulla teoria dinamica dei gas", 1860 e "Teoria dinamica dei gas", 1866), M. fu il primo a risolvere il problema statistico della distribuzione delle molecole gas ideale dalla velocità (vedi distribuzione di Maxwell). M. calcolò la dipendenza della viscosità del gas dalla velocità e dal percorso libero delle molecole (1860), calcolando valore assoluto quest'ultimo, derivò una serie di importanti relazioni della termodinamica (1860). Misurato sperimentalmente il coefficiente di viscosità dell'aria secca (1866). Nel 1873-74 M. scoprì il fenomeno della doppia rifrazione in un flusso (effetto M.).

M. fu un grande divulgatore. Ha scritto numerosi articoli per l'Enciclopedia Britannica, libri popolari [come "La teoria del calore" (1870), "Materia e movimento" (1873), "Elettricità in esposizione elementare" (1881), tradotti in russo]. Un contributo importante alla storia della fisica è la pubblicazione da parte di M. dei manoscritti delle opere di G. Cavendish sull’elettricità (1879) con ampi commenti di M.