Какие открытия сделал джеймс максвелл. Механическая модель Максвелла. Оценка по биографии

Биография

Родился в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков (Clerks).

Учился сначала в Эдинбургской академии, Эдинбургском университете (1847-1850), затем в Кембриджском (1850-1854) университете (Питерхауз и Тринити-колледж).

Научная деятельность

Свою первую научную работу Максвелл выполнил ещё в школе, придумав простой способ вычерчивания овальных фигур. Эта работа была доложена на заседании Королевского общества и даже опубликована в его «Трудах». В бытность членом совета Тринити-колледжа занимался экспериментами по теории цветов , выступая как продолжатель теории Юнга и теории трёх основных цветов Гельмгольца . В экспериментах по смешиванию цветов Максвелл применил особый 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; если одну его половину закрашивали красным, а другую - жёлтым, он казался оранжевым; смешивание синего и жёлтого создавало впечатление зелёного. В 1860 году за работы по восприятию цвета и оптике Максвелл был награждён медалью Румфорда.

Одной из первых работ Максвелла стала его кинетическая теория газов . В 1859 году учёный выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором привёл распределение молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р. Клаузиуса , который ввёл понятие «средней длины свободного пробега». Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеально упругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве. Шарики (молекулы) можно разделить на группы по скоростям, при этом в стационарном состоянии число молекул в каждой группе остается постоянным, хотя они могут выходить из групп и входить в них. Из такого рассмотрения следовало, что «частицы распределяются по скоростям по такому же закону, по какому распределяются ошибки наблюдений в теории метода наименьших квадратов, то есть в соответствии со статистикой Гаусса». В рамках своей теории Максвелл объяснил закон Авогадро , диффузию , теплопроводность , внутреннее трение (теория переноса). В 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла »).

В 1831, в год рождения Максвелла, М. Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции . Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такие учёные, как А. М. Ампер и Ф. Нейман, придерживались концепции дальнодействия , рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий , которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле , по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены в работе «Фарадеевы силовые линии» (Faraday’s Lines of Force , 1857). В 1860-1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е - магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е - закон сохранения количества электричества; 4-е - вихревой характер магнитного поля.

Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришёл к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, то есть должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3,4*10 10 см/с, что близко к скорости света , измеренной семью годами ранее французским физиком А. Физо . В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своём открытии: свет - это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, то есть разновидность электромагнитных волн . Этот завершающий этап исследований изложен в работе Максвелла Динамическая теория электромагнитного поля (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итог его работ по электродинамике подвёл знаменитый Трактат об электричестве и магнетизме (1873).

Теория электромагнитного поля и, в особенности, следующий из неё вывод о существовании электромагнитных волн при жизни Максвелла оставались чисто теоретическими положениями, не имевшими никакого экспериментального подтверждения, и современниками зачастую воспринимались как «игра ума». В 1887г. немецкий физик Генрих Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла.

Последние годы жизни Максвелл занимался подготовкой к печати и изданием рукописного наследия Кавендиша. Два больших тома вышли в октябре 1879.

Максвелл, Джеймс Клерк – английский математик и физик шотландского происхождения. Основатель современной классической электродинамики, кинетической теории газов. Провел ряд важных исследований в термодинамике, молекулярной физике. Создатель количественной теории цветов, заложил основы принципов цветного фотографирования.

Биография

Джеймс Клерк Максвелл появился на свет 13 июня 1831 в шотландской столице Эдинбурге. Отец, Джон Клерк Максвелл. Был членом адвокатской коллегии, владел поместьем в Южной Шотландии. Мать, Фрэнсис Кей, была дочерью судьи Адмиралтейского суда.

Мать Джеймса умерла, когда ему было восемь лет. Отцу пришлось воспитывать самостоятельно. На всю жизнь Джеймс сохранил очень теплые чувства к отцу, который действительно всегда заботился о нем.

Когда настала пора получать образование, для Джеймса поначалу приглашали учителей на дом. Впрочем, эти учителя были невежественными и грубыми, а других найти не удавалось. Поэтому отец принял решение отправить сына в Эдинбургскую академию.

Поначалу юный Максвелл относился к учебе в академии довольно настороженно, но постепенно втянулся. Уроки вызывали у него подлинный интерес, особое внимание привлекала к себе геометрия. Именно эта наука стала той основой, на которой выросли все будущие научные достижения Максвелла.

Максвелл подарил академии на прощанье гимн, который после этого с удовольствием распевало не одно поколение студентов. Затем Джеймс поступает в Эдинбургский университет. Здесь он исследует теорию упругости, результаты данной работы получают высокую оценку специалистов.

В 1850 году Максвелл уезжает в Кембридж, несмотря на недовольство отца этим решением. Сначала учится в колледже св. Петра, затем переходит в Тринити-Колледж. Он просто поражал преподавателей своими знаниями и занял второе место на выпуске. Получив степень бакалавра, Максвелл остается в Тринити-Колледже работать преподавателем. В этот период он занимается проблемой цветов, геометрией, электричеством. В 1854 году в письме одному из друзей

Джеймс заявил о намерении «атаковать электричество». Это удалось – вскоре был опубликован труд «О фарадеевых силовых линиях», — одна из трех самых крупных работ Максвелла. Главный труд этого периода жизни ученого – создание теории цветов. Он экспериментальным путем доказал, как смешиваются цвета. Эти исследования впоследствии легли в основу цветной фотографии.

В 1856 году Максвелл становится профессором натуральной философии абердинского Маришаль-Колледжа. Он, по сути, создал здесь с нуля кафедру физики. В 1858 году Максвелл женился на Кэтрин Мери Дьюар, которая была дочерью руководителя Маришаль-Колледжа.

В этот период ученый занимается расчетом движения колец Сатурна, издает трактат «Об устойчивости движения колец Сатурна». Эта работа впоследствии стала классической.

Тогда же Максвелл сосредотачивается на кинетической теории газов. В июне 1860 года он делает доклад по этой теме на съезде Британской ассоциации в Оксфорде.

В том же 1860 году Максвеллу пришлось распрощаться с профессорской должностью в Маришаль-колледже. Вскоре после этого его приглашают в Кингс-колледж на должность профессора кафедры натуральной философии.

17 мая 1861 года ученый продемонстрировал первую в мире цветную фотографию. Спустя сто лет компания «Кодак» доказала, что Максвеллу тогда просто повезло – его способом получить зеленое и красное изображение было нельзя, эти цвета образовались случайно. Тем не менее, принципы были все же правильными, пусть и с небольшими ошибками.

После этого Максвелл сосредотачивается на исследовании электромагнетизма. Публикуются работы «О физических силовых линиях» и «Динамическая теория электромагнитного поля». С этого времени и вплоть до конца своей жизни ученый работает над проблемами электрических измерений.

В 1865 году состояние здоровья Максвелла ухудшается, и в следующем году он выезжает из Лондона в свое имение Гленлэр. В 1867 году он отправляется для поправки здоровья в Италию. В этот период публикуются книги «Теория теплоты» и «Теория тепла».

В 1871 году Максвелл становится профессором Кембриджского университета. Спустя два года ученый заканчивает труд всей своей жизни – двухтомник «Трактат по электричеству и магнетизму». Затем вышли книги «Материя и движение»,

С 1874 по 1879 годы Максвелл обрабатывал труды Генри Кавендиша, которые были ему торжественно вручены герцогом Девонширским.

К этому времени состояние его здоровья сильно ухудшается. Вскоре был поставлен диагноз – рак. 5 ноября 1879 года Джеймс Клерк Максвелл скончался. Его тело похоронили в деревне Партон, рядом с родителями.

Основные достижения Максвелла

• При жизни Максвелла многие его труды не были оценены должным образом, но потом в истории науки его работы заняли достойное место.
• Исследования в области теории электромагнитного поля стали основой идеи о поле в физике XX века. На это указывали многие ученые, в том числе Леопольд Инфельд, Альберт Эйнштейн, Рудольф Пайерлс.
• Вклад в молекулярно-кинетическую теорию.
• Разработка статистических методов, которые поспособствовали развитию статистической механики. Ввел термин «статистическая механика».
• Создание теории цветов. Электромагнитная теория света.
• Развитие динамической теории газов.

Важные даты биографии Максвелла

• 13 июня 1831 года – в Эдинбурге.
• 1841 год – поступление в Эдинбургскую академию.
• 1846 год – первая научная работа «О свойствах овалов и о кривых с многими фокусами».
• 1847 год – поступление в Эдинбургский университет.
• 1850 год – доклад «О равновесии упругих тел». Поступление в Кембриджский университет.
• 1854 год – окончание университета. Начало профессорской деятельности.
• 1856 год – смерть отца. Максвелл становится членом Эдинбургского королевского общества.
• 1857 год – работа «О фарадеевских силовых линиях».
• 1858 год – женился на Кетрин Мери Дьюар.
• 1859 год – первая статья по кинетической теории газов.
• 1860 год – профессор физики в Лондонском университете.
• 1860 год – получает Румфордовскую медаль за исследования оптики и цветов.
• 1861 год – первая в мире цветная фотография.
• 1861-1864 годы – публикация работ «Динамическая теория электромагнитного поля», «О физических линиях сил».
• 1865 год – переезд в Гленлэр.
• 1867 год – поездка в Италию.
• 1871 год – профессор экспериментальной физики Кембриджского университета.
• 1873 год – публикация работ «Материя и движение», «Трактат по электричеству и магнетизму».
• 1874 год – начало работы Кавендишской лаборатории.
• 1878-1879 годы – публикация статей «О напряжениях, возникающих в разреженных газах за счет неравенства температур», «Гармонический анализ».
• 5 ноября 1879 года — Джеймс Клерк Максвелл умер в своем кембриджском доме.

• Единственная деталь рельефа Венеры, названная мужским именем – горный хребет Джеймса Максвелла.
• В школе Максвелл очень плохо знал арифметику.
• После получения сообщения об обязательном посещении богослужения в Кембриджском университете сказал: «Я в это время только ложусь спать».
• Любил исполнять шотландские песни, аккомпанируя себе на гитаре.
• В восьмилетнем возрасте мог процитировать практически любой стих из Книги Псалмов.

Создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики.

Максвелл (Maxwell) Джеймс Клерк (Clerk) (13.6.1831, Эдинбург, - 5.11.1879, Кембридж), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики. Член Лондонского королевского общества (1860). Сын шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился в Эдинбургском (1847-50) и Кембриджском (1850-54) университетах. Профессор Маришал-колледжа в Абердине (1856-60), затем Лондонского университета (1860-65). С 1871 профессор Кембриджского университета, где М. основал первую в Великобритании специально оборудованную физическую лабораторию - Кавендишскую лабораторию, директором которой он был с 1871.

Научная деятельность М. охватывает проблемы электромагнетизма, кинетической теории газов, оптики, теории упругости и многое другое. Свою первую работу «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами» М. выполнил, когда ему ещё не было 15 лет (1846, опубликована в 1851). Одними из первых его исследований были работы по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии (1852-72, см. Цветовые измерения). В 1861 М. впервые демонстрировал цветное изображение, полученное от одновременного проецирования на экран красного, зелёного и синего диапозитивов, доказав этим справедливость трёхкомпонентной теории цветного зрения и одновременно наметив пути создания цветной фотографии. Он создал один из первых приборов для количественного измерения цвета, получившего название диска М. В 1857-59 М. провёл теоретическое исследование устойчивости колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивыми лишь в том случае, если они состоят из не связанных между собой твёрдых частиц.

В исследованиях по электричеству и магнетизму (статьи «О фарадсевых силовых линиях», 1855-56; «О физических силовых линиях», 1861-62; «Динамическая теория электромагнитного поля», 1864; двухтомный фундаментальный «Трактат об электричестве и магнетизме», 1873) М. математически развил воззрения М. Фарадея на роль промежуточной среды в электрических и магнитных взаимодействиях. Он попытался (вслед за Фарадеем) истолковать эту среду как всепроникающий мировой эфир, однако эти попытки не были успешны. Дальнейшее развитие физики показало, что носителем электромагнитных взаимодействий является электромагнитное поле, теорию которого (в классической физике) М. и создал. В этой теории М. обобщил все известные к тому времени факты макроскопической электродинамики и впервые ввёл представление о токе смещения, порождающем магнитное поле подобно обычному току (току проводимости, перемещающимся электрическим зарядам). М. выразил законы электромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частных производных (см. Максвелла уравнения). Общий и исчерпывающий характер этих уравнений проявился в том, что их анализ позволил предсказать многие неизвестные до того явления и закономерности. Так, из них следовало существование электромагнитных волн, впоследствии экспериментально открытых Г. Герцем. Исследуя эти уравнения, М. пришёл к выводу об электромагнитной природе света (1865) и показал, что скорость любых других электромагнитных волн в вакууме равна скорости света. Он измерил (с большей точностью, чем В. Вебер и Ф. Кольрауш в 1856) отношение электростатической единицы заряда к электромагнитной и подтвердил его равенство скорости света. Из теории М. вытекало, что электромагнитные волны производят давление. Давление света было экспериментально установлено в 1899 П. Н. Лебедевым.

Теория электромагнетизма М. получила полное опытное подтверждение и стала общепризнанной классической основой современной физики. Роль этой теории ярко охарактеризовал А. Эйнштейн: «... тут произошел великий перелом, который навсегда связан с именами Фарадея, Максвелла, Герца. Львиная доля в этой революции принадлежит Максвеллу… После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей... Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытала физика со времен Ньютона» (Собрание научных трудов, т. 4, М., 1967, с. 138).

В исследованиях по молекулярно-кинетической теории газов (статьи «Пояснения к динамической теории газов», 1860, и «Динамическая теория газов», 1866) М. впервые решил статистическую задачу о распределении молекул идеального газа по скоростям (см. Максвелла распределение). М. рассчитал зависимость вязкости газа от скорости и длины свободного пробега молекул (1860), вычислив абсолютную величину последней, вывел ряд важных соотношений термодинамики (1860). Экспериментально измерил коэффициент вязкости сухого воздуха (1866). В 1873-74 М. открыл явление двойного лучепреломления в потоке (эффект М.).

М. был крупным популяризатором. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии, популярные книги [такие как «Теория теплоты» (1870), «Материя и движение» (1873), «Электричество в элементарном изложении» (1881), переведённые на русский язык]. Важным вкладом в историю физики является опубликование М. рукописей работ Г. Кавендиша по электричеству (1879) с обширными комментариями М.

Важнейшим фактором изменений облика мира является расширение горизонтов научных знаний. Ключевой особенностью в развитии науки этого периода времени является широкое применение электричества во всех отраслях производства. И люди уже не могли отказаться от использования электричества, ощутив его существенные преимущества. В это время ученые начали плотно изучать электромагнитные волны и их влияние на различные материалы.

Большим достижением науки XIX в. была выдвинутая английским ученым Д. Максвеллом электромагнитная теория света (1865 г.), которая обобщила исследования и теоретические выводы многих физиков разных стран в отраслях электромагнетизма, термодинамики и оптики.

Максвелл хорошо известен тем, что сформулировал четыре уравнения, которые явились выражением основных законов электричества и магнетизма. Эти две области широко исследовались до Максвелла на протяжении многих лет, и было хорошо известно, что они взаимосвязаны. Однако хотя уже были открыты различные законы электричества и они были истинными для специфических условий, до Максвелла не существовало ни одной общей и единообразной теории.

Д. Максвелл пришел к мысли о единстве и взаимосвязь электрических и магнитных полей, создал на этой основе теорию электромагнитного поля, согласно которой, возникнув в любой точке пространства, электромагнитное поле распространяться в нем со скоростью, равной скорости света. Таким образом он установил связь световых явлений с электромагнетизмом.

В своих четырех уравнениях, коротких, но довольно сложных, Максвелл сумел точно описать поведение и взаимодействие электрических и магнитных полей. Тем самым он трансформировал это сложное явление в единую, доступную для понимания теорию. Уравнения Максвелла находили широкое применение в прошлом веке как в теоретических, так и прикладных науках. Главным достоинством уравнений Максвелла было то, что они являются общими уравнениями, употребимыми при всех обстоятельствах. Все известные прежде законы электричества и магнетизма можно вывести из уравнений Максвелла, равно как и многие другие прежде неизвестные результаты.

Наиболее важные из этих результатов были выведены самим Максвеллом. Из его уравнений можно сделать вывод, что существует периодическое колебание электромагнитного поля. Начавшись, такие колебания, названные электромагнитными волнами, будут распространяться в пространстве. Из своих уравнений Максвелл сумел вывести, что скорость таких электромагнитных волн составила бы приблизительно 300000 километров (186000 миль) в секунду Максвелл увидел, что эта скорость равняется скорости света. Из этого он сделал правильный вывод о том, что свет сам состоит из электромагнитных волн. Таким образом, уравнения Максвелла являются не только основными законами электричества и магнетизма, они являются основными законами оптики. И действительно, все ранее известные законы оптики можно вывести из его уравнений, точно так же, как неизвестные ранее результаты и взаимосвязи. Видимый свет является не только возможным видом электромагнитного излучения.

Уравнения Максвелла показали, что могут существовать другие электромагнитные волны, отличающиеся от видимого света по длине волн и частоте. Эти теоретические выводы были впоследствии наглядно подтверждены Генрихом Герцем, который сумел как создавать, так и выпрямлять невидимые волны, существование которых предсказал Максвелл.

Впервые на практике наблюдать распространения электромагнитных волн удалось немецкому физику Г. Герцу (1883). Он также определил, что скорость их распространения - 300 тыс. км/сек. Парадоксально, но он считал, что электромагнитные волны не будут иметь практического применения. А уже через несколько лет, на основе этого открытия А.С. Попов применил их для передачи первой в мире радиограммы. Она состояла всего из двух слов: «Генрих Герц».

Сегодня мы с успехом используем их для телевидения. Рентгеновские лучи, гамма-лучи, инфракрасные лучи, ультрафиолетовые лучи являются еще одним примером электромагнитного излучения. Все это можно изучить посредством уравнений Максвелла. Хотя Максвелл добился признания главным образом благодаря его эффектному вкладу в электромагнетизм и оптику, он сделал также вклад в другие области науки, включая астрономическую теорию и термодинамику (изучение тепла). Предметом особого его интереса была кинетическая теория газов. Максвелл понял, что не все молекулы газа движутся с одинаковой скоростью. Одни молекулы движутся медленнее, другие быстрее, а некоторые движутся с очень высокой скоростью. Максвелл вывел формулу, которая определяет, какая частица молекулы данного газа будет двигаться при любой установленной скорости. Эта формула, получившая название «распределение Максвелла», широко используется в научных уравнениях и находит значительное применение во многих областях физики.

Это изобретение стало основой для современных технологий беспроводной передачи информации, радио и телевидения, в том числе всех видов мобильной связи, в основе работы которых лежит принцип передачи данных посредствам электромагнитных волн. 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.

О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Р. Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием девятнадцатого 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 краткая биография английского физика, создателя классической электродинамики, одного из основателей статистической физики изложена в этой статье.

Джеймс Клерк Максвелл биография кратко

Максвелл Джеймс Клерк родился 13 июня 1831 г. в Эдинбурге в семье шотландского дворянина. В 10 лет поступил в Эдинбургскую академию, где стал первым учеником.

С 1847 по 1850 учился в Эдинбургском университете. Здесь увлёкся опытами по химии, оптике, магнетизму, занимался математикой, физикой, механикой. Через три года для продолжения образования Джеймс перевёлся в Кембриджский Тринити-колледж и начал изучать электричество по книге М. Фарадея. Затем приступил к экспериментальным исследованиям по электричеству.
После успешного окончания колледжа (1854 г.) молодой учёный был приглашён на преподавательскую работу. Через два года он написал статью «О фарадеевых силовых линиях».

В это же время Максвелл разрабатывал кинетическую теорию газов. Он вывел закон, согласно которому молекулы газа распределяются по скоростям движения (распределение Максвелла).

В 1856-1860 гг. Максвелл - профессор Абердинского университета; в 1860- 1865 гг. он преподавал в Лондонском королевском колледже, где впервые встретился с Фарадеем. Именно в этот период создана его главная работа «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864- 1865 гг.), в которой обнаруженные им закономерности выражены в виде систем из четырёх дифференциальных уравнений (уравнения Максвелла). Учёный утверждал, что изменяющееся магнитное поле образует в окружающих телах и в вакууме вихревое электрическое поле, а оно, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля.
Это открытие стало новым этапом в познании мира. А. Пуанкаре считал теорию Максвелла вершиной математической мысли. Максвелл предположил, что должны существовать электромагнитные волны и что скорость их распространения равна скорости света. Значит, свет есть разновидность электромагнитных волн. Он теоретически обосновал такое явление, как давление света.