Acasă Opțiuni de încălzire Realizările lui James Maxwell. Cele mai interesante descoperiri ale lui James Maxwell

Realizările lui James Maxwell. Cele mai interesante descoperiri ale lui James Maxwell

La 13 iunie 1831, la Edinburgh, un băiat pe nume James s-a născut în familia unui aristocrat din vechea familie Clerk. Tatăl său, John Clerk Maxwell, membru al baroului, avea studii universitare, dar nu-i plăcea profesia și era interesat de tehnologie și știință în orele libere. Mama lui James, Frances Kay, era fiica unui judecător. După nașterea băiatului, familia s-a mutat la Middleby, moșia familiei Maxwell din sudul Scoției. Curând, John a construit acolo casă nouă, pe nume Glenlar.

Copilăria viitorului mare fizician a fost întunecată doar de moartea prea devreme a mamei sale. James a crescut ca un băiat curios și, datorită hobby-urilor tatălui său, a fost înconjurat încă din copilărie de jucării „tehnice”, precum un model al sferei cerești și „discul magic”, un precursor al cinematografiei. Cu toate acestea, el a fost și el interesat de poezie și chiar a scris el însuși poezie, de altfel, nu a părăsit această activitate până la sfârșitul zilelor sale. Tatăl lui James i-a dat studii primare - primul profesor de acasă a fost angajat abia când James avea zece ani. Adevărat, tatăl și-a dat seama rapid că o astfel de pregătire nu era deloc eficientă și și-a trimis fiul la Edinburgh, la sora lui Isabella. Aici James a intrat la Academia din Edinburgh, unde copiii au primit o educație pur clasică - latină, greacă, literatură antică, Sfanta Biblie si putina matematica. Băiatului nu i-a plăcut imediat să studieze, dar treptat a devenit cel mai bun student din clasă și a devenit interesat în primul rând de geometrie. În acest moment și-a inventat propria metodă de a desena ovale.

La vârsta de șaisprezece ani, James Maxwell a absolvit academia și a intrat la Universitatea din Edinburgh. Aici a devenit în cele din urmă interesat de științele exacte și, deja în 1850, Societatea Regală din Edinburgh a recunoscut că munca sa privind teoria elasticității este serioasă. În același an, tatăl lui James a fost de acord că fiul său are nevoie de o educație mai prestigioasă, iar James a plecat la Cambridge, unde a studiat mai întâi la Peterhouse College, iar în al doilea semestru s-a transferat la Trinity College. Doi ani mai târziu, Maxwell a primit o bursă universitară pentru succesul său. Cu toate acestea, la Cambridge a făcut foarte puțină știință - a citit mai mult, a făcut noi cunoștințe și s-a mutat activ printre intelectualii universitari. În acest moment, s-au format și opiniile sale religioase - credință necondiționată în Dumnezeu și scepticism față de teologie, pe care James Maxwell a pus-o pe ultimul loc printre alte științe. În timpul studenției, a devenit și un adept al așa-numitului „socialism creștin” și a luat parte la lucrările „Colegiului Muncitorilor”, ținând acolo prelegeri populare.

La douăzeci și trei de ani, James a promovat examenul final la matematică, terminând pe locul al doilea pe lista studenților. După ce și-a luat diploma de licență, a decis să rămână la universitate și să se pregătească pentru gradul de profesor. A predat, a continuat să colaboreze cu Colegiul Muncitorilor și a început o carte de optică, pe care nu a terminat-o niciodată. În același timp, Maxwell a creat un studiu experimental de benzi desenate care a devenit parte din folclorul Cambridge. Scopul acestui studiu a fost „rularea pisicii” - Maxwell a determinat înălțimea minimă de la care o pisică stă pe labe atunci când cade. Dar principalul interes al lui James la acea vreme a fost teoria culorilor, care a provenit din ideea lui Newton despre existența a șapte culori primare. Interesul său serios pentru electricitate datează din aceeași perioadă. Imediat după ce și-a primit diploma de licență, Maxwell a început să cerceteze electricitatea și magnetismul. În ceea ce privește natura efectelor magnetice și electrice, el a acceptat poziția lui Michael Faraday, conform căreia liniile de forță conectează sarcinile negative și pozitive și umplu spațiul înconjurător. Dar rezultatele corecte au fost obținute de știința deja stabilită și riguroasă a electrodinamicii și, prin urmare, Maxwell și-a pus întrebarea de a construi o teorie care să includă atât ideile lui Faraday, cât și rezultatele electrodinamicii. Maxwell a dezvoltat un model hidrodinamic al liniilor de forță și, de asemenea, a reușit pentru prima dată să exprime în limbajul matematicii legile descoperite de Faraday - sub formă de ecuații diferențiale.

În toamna anului 1855, James Maxwell, după ce a promovat cu succes examenul necesar, a devenit membru al consiliului universitar, ceea ce, apropo, însemna la acea vreme să depună un jurământ de celibat. Odată cu începutul noului semestru, a început să citească prelegeri despre optică și hidrostatică la facultate. Cu toate acestea, iarna a trebuit să meargă la moșia natală pentru a-și transporta tatăl grav bolnav la Edinburgh. Întors în Anglia, James a aflat că era un post vacant pentru profesor de filozofie naturală la Colegiul Aberdeen Marischal. Acest loc i-a oferit oportunitatea de a fi mai aproape de tatăl său, iar Maxwell nu a văzut nicio perspectivă pentru el în Cambridge. La mijlocul primăverii anului 1856 a devenit profesor la Aberdeen, dar John Clerk Maxwell a murit înainte de numirea fiului său. James și-a petrecut vara pe proprietatea familiei și a plecat la Aberdeen în octombrie.

Aberdeen a fost principalul port al Scoției, dar multe dintre departamentele universității sale au fost abandonate din păcate. În primele zile ale profesorului său, James Maxwell a început să corecteze această situație, cel puțin în departamentul său. A lucrat la noi metode de predare și a încercat să-i intereseze pe studenți în activitatea științifică, dar nu a avut succes în acest demers. Prelegerile noului profesor, pline de umor și joc de cuvinte, s-au ocupat de lucruri foarte complexe, iar acest fapt i-a speriat pe majoritatea elevilor, obișnuiți cu popularitatea prezentării, lipsa demonstrațiilor și neglijarea matematicii. Dintre cei opt duzini de studenți, Maxwell a putut să predea doar câțiva oameni care își doreau cu adevărat să învețe.

În Aberdeen, Maxwell și-a aranjat și viața personală - în vara lui 1858 s-a căsătorit cu fiica cea mai mică a directorului colegiului Marischal, Catherine Dewar. Imediat după nuntă, James a fost exclus din consiliul Trinity College pentru că și-a încălcat jurământul de celibat.

În 1855, Cambridge a oferit lucrări pentru studiul inelelor lui Saturn pentru prestigiosul Adams Prize, iar James Maxwell a fost cel care a câștigat premiul în 1857. Dar nu s-a mulțumit cu premiul și a continuat să dezvolte subiectul, publicând în cele din urmă tratatul „Despre stabilitatea mișcării inelelor lui Saturn” în 1859, care a câștigat instantaneu recunoașterea oamenilor de știință. S-a spus că tratatul este cea mai strălucită aplicație a matematicii la fizică existentă. În timpul profesorului său la Colegiul Aberdeen, Maxwell a lucrat și pe tema refracției luminii, a opticii geometrice și, cel mai important, a teoriei cinetice a gazelor. În 1860, el a construit primul model statistic de microprocese, care a devenit baza dezvoltării mecanicii statistice.

Postul de profesor de la Universitatea din Aberdeen i-a potrivit destul de bine lui Maxwell - colegiul i-a cerut prezența doar din octombrie până în mai, iar în restul timpului, omul de știință era complet liber. În facultate domnea o atmosferă de libertate, profesorii nu aveau responsabilități stricte și, în plus, în fiecare săptămână Maxwell ținea prelegeri plătite la Școala științifică Aberdeen pentru mecanici și artizani, de a cărei pregătire a fost mereu interesat. Această stare de lucruri remarcabilă s-a schimbat în 1859, când s-a decis unirea celor două colegii ale universității, iar postul de profesor la catedra de filozofie naturală a fost desființat. Maxwell a încercat să obțină aceeași poziție la Universitatea din Edinburgh, dar postul a trecut prin concurs pentru vechiul său prieten Peter Tat. În iunie 1860, lui James i s-a oferit un post de profesor în departamentul de filozofie naturală de la King's College din capitală. În aceeași lună, a susținut o discuție despre cercetarea sa în teoria culorilor și a primit în curând medalia Rumford pentru munca sa în optică și amestecarea culorilor. Totuși, și-a petrecut tot timpul rămas înainte de începerea semestrului în Glenlare, moșia familiei - și nu în studii științifice, ci grav bolnav de variolă.

A fi profesor la Londra s-a dovedit a fi mult mai puțin plăcut decât în Aberdeen. King's College avea laboratoare de fizică superb echipate și venera știința experimentală, dar a predat și mult mai mulți studenți. Munca i-a lăsat lui Maxwell doar timp pentru experimente acasă. Cu toate acestea, în 1861 a fost inclus în Comitetul de standarde, care a fost însărcinat cu definirea unităților de bază ale energiei electrice. Doi ani mai târziu, au fost publicate rezultatele măsurătorilor atente, care în 1881 au servit drept bază pentru adoptarea volților, amperului și ohmului. Maxwell și-a continuat lucrările privind teoria elasticității, a creat teorema lui Maxwell, care ia în considerare stresul în ferme folosind metode grafostatice și a analizat condițiile de echilibru ale învelișurilor sferice. Pentru aceste lucrări și pentru alte lucrări de importanță practică semnificativă, a primit Premiul Keith de la Societatea Regală din Edinburgh. În mai 1861, în timp ce ținea o prelegere despre teoria culorilor, Maxwell a prezentat dovezi foarte convingătoare că avea dreptate. Aceasta a fost prima fotografie color din lume.

Dar cea mai mare contribuție a lui James Maxwell la fizică a fost descoperirea curentului. Ajuns la concluzia că curentul electric are o natură de translație, iar magnetismul are o natură de vortex, Maxwell a creat un nou model - unul pur mecanic, conform căruia „vârtejurile moleculare produc” un câmp magnetic rotativ și „roțile de transmisie inactivă” asigura rotirea lor într-un singur sens. Formare curent electric a fost asigurată de mișcarea de translație a roților de transmisie (după Maxwell - „particule de electricitate”), iar câmpul magnetic, fiind îndreptat de-a lungul axei de rotație a vortexului, s-a dovedit a fi perpendicular pe direcția curentului. Acest lucru a fost exprimat în „regula gimlet”, pe care Maxwell a susținut-o. Datorită modelului său, a putut nu numai să ilustreze clar fenomenul inducției electromagnetice și natura vortex a câmpului care generează curent, dar și să demonstreze că modificările câmpului electric, numite curent de deplasare, duc la apariția unui camp magnetic. Ei bine, curentul de deplasare a dat o idee despre existența curenților deschisi. În articolul său „Despre liniile fizice de forță” (1861-1862), Maxwell a subliniat aceste rezultate și a remarcat, de asemenea, asemănarea proprietăților mediului de vortex cu proprietățile eterului luminifer - și acesta a fost un pas serios către apariție. a teoriei electromagnetice a luminii.

Articolul lui Maxwell despre teoria dinamică a electricității camp magnetic a fost publicat în 1864, iar în el modelul mecanic a fost înlocuit cu „ecuațiile lui Maxwell” - o formulare matematică a ecuațiilor câmpului - și câmpul în sine a fost tratat pentru prima dată ca un sistem fizic real cu o anumită energie. În acest articol, el a prezis existența nu numai a undelor magnetice, ci și a undelor electromagnetice. În paralel cu studiul electromagnetismului, Maxwell a efectuat mai multe experimente, testându-și rezultatele în teoria cinetică. După ce a construit un dispozitiv care determina vâscozitatea aerului, s-a convins că coeficientul de frecare internă nu depinde într-adevăr de densitate.

În 1865, Maxwell s-a săturat în sfârșit de activitățile sale de predare. Nu este surprinzător - prelegerile sale erau prea dificile pentru a menține disciplina în ele, iar munca științifică, spre deosebire de predare, i-a ocupat toate gândurile. Decizia a fost luată, iar omul de știință s-a mutat în Glenlar, natalul său. Aproape imediat după ce s-a mutat, a fost rănit în timp ce călărea pe un cal și s-a îmbolnăvit de erizipel. După ce și-a revenit, James s-a apucat activ de agricultură, reconstruind și extinzându-și moșia. Cu toate acestea, nu a uitat de studenți - a călătorit în mod regulat la Londra și Cambridge pentru a susține examene. El a fost cel care a realizat introducerea în examene a întrebărilor și problemelor de natură aplicativă. La începutul anului 1867, un medic a sfătuit-o pe soția adesea bolnavă a lui Maxwell să se supună unui tratament în Italia, iar familia Maxwell a petrecut întreaga primăvară în Florența și Roma. Aici omul de știință s-a întâlnit cu profesorul Matteuci, un fizician italian, și a practicat limbi straine. Apropo, Maxwell cunoștea bine latină, italiană, greacă, germană și franceză. Soții Maxwell s-au întors în patria lor prin Germania, Olanda și Franța.

În același an, Maxwell a compus o poezie dedicată lui Peter Tait. Oda comică a fost numită „Către muzicianul-șef al lui Nabla” și a avut atât de mult succes încât a stabilit în știință un nou termen „nabla”, derivat din numele unui instrument muzical asirian antic și care denotă simbolul unui operator diferenţial vectorial. Rețineți că Maxwell îi datorează prietenului său Tait, care împreună cu Thomson a prezentat a doua lege a termodinamicii ca JCM = dp/dt, propriul pseudonim, pe care l-a folosit pentru a-și semna poeziile și scrisorile. Partea stângă a formulei a coincis cu inițialele lui James și, prin urmare, a decis să folosească partea dreaptă - dp/dt - ca semnătură.

În 1868, lui Maxwell i s-a oferit postul de rector la Universitatea St. Andrews, dar omul de știință a refuzat, nedorind să-și schimbe stilul de viață retras din Glenlare. Doar trei ani mai târziu, după multă deliberare, a condus laboratorul de fizică care tocmai se deschisese la Cambridge și, în consecință, a devenit profesor de fizică experimentală. După ce a fost de acord cu această postare, Maxwell a început imediat să stabilească lucrari de constructieși dotați laboratorul (întâi cu instrumente proprii). La Cambridge a început să predea cursuri de electricitate, căldură și magnetism.

Tot în 1871, a fost publicat manualul lui Maxwell „Teoria căldurii”, care a fost ulterior retipărit de mai multe ori. Ultimul capitol al cărții conținea postulatele de bază ale teoriei cinetice moleculare și ideile statistice ale lui Maxwell. Aici a infirmat a doua lege a termodinamicii, formulată de Clausius și Thomson. Această formulare a prezis „moartea la căldură a Universului” - un punct de vedere pur mecanic. Maxwell a afirmat natura statistică a celebrei „a doua legi”, care, conform convingerii sale, poate fi încălcată doar de molecule individuale, rămânând valabilă în cazul agregatelor mari. El a ilustrat această poziție cu un paradox numit „demonul lui Maxwell”. Paradoxul constă în capacitatea „demonului” (sistemul de control) de a reduce entropia acestui sistem fără a cheltui muncă. Acest paradox a fost rezolvat în secolul al XX-lea subliniind rolul pe care îl joacă fluctuațiile în elementul de control și dovedind că atunci când „demonul” primește informații despre molecule, crește entropia și, prin urmare, nu există o încălcare a celei de-a doua legi a termodinamicii.

Doi ani mai târziu, lucrarea în două volume a lui Maxwell, intitulată „Tratat despre magnetism și electricitate”, a fost publicată. Acesta conținea ecuațiile lui Maxwell, care au condus la descoperirea undelor electromagnetice de către Hertz (1887). De asemenea, tratatul a dovedit natura electromagnetică a luminii și a prezis efectul presiunii luminii. Pe baza acestei teorii, Maxwell a explicat influența câmpului magnetic asupra propagării luminii. Cu toate acestea, această lucrare fundamentală a fost primită foarte rece de luminarii științei - Stokes, Thomson, Airy, Tait. Conceptul de curent de deplasare notoriu, care, potrivit lui Maxwell, există chiar și în eter, adică în absența materiei, s-a dovedit a fi deosebit de greu de înțeles. În plus, stilul lui Maxwell, care uneori era foarte haotic în prezentare, a interferat foarte mult cu percepția.

Laboratorul din Cambridge, numit după Henry Cavendish, a fost deschis în iunie 1874, iar Ducele de Devonshire a predat în mod ceremonial manuscrisele lui Cavendish lui James Maxwell. Timp de cinci ani, Maxwell a studiat moștenirea acestui om de știință, și-a reprodus experimentele în laborator și, în 1879, sub conducerea sa, a publicat lucrările colectate ale lui Cavendish, care constau din două volume.

Despre zece anii recenti De-a lungul vieții, Maxwell a fost implicat în popularizarea științei. În cărțile sale, scrise tocmai în acest scop, și-a exprimat mai liber ideile și părerile, a împărtășit îndoielile cu cititorul și a vorbit despre probleme care nu erau încă rezolvabile la acea vreme. La Laboratorul Cavendish a continuat să dezvolte întrebări foarte specifice referitoare la fizica moleculară. Doi dintre el ultimele lucrari publicat în 1879 - despre teoria gazelor neomogene rarefiate și distribuția gazului sub influența forțelor centrifuge. De asemenea, a îndeplinit multe atribuții la universitate - a fost în consiliul senatului universitar, în comisia pentru reformarea examenului de matematică și a fost președinte al societății filozofice. În anii șaptezeci, a avut studenți, printre care se numărau viitorii oameni de știință celebri George Crystal, Arthur Shuster, Richard Glazeburg, John Poynting, Ambrose Fleming. Atât studenții, cât și colaboratorii lui Maxwell au remarcat concentrarea lui, ușurința în comunicare, perspicacitatea, sarcasmul subtil și lipsa completă de ambiție.

În iarna lui 1877, Maxwell a arătat primele simptome ale bolii care avea să-l omoare, iar doi ani mai târziu, medicii l-au diagnosticat cu cancer. Marele om de știință a murit la Cambridge pe 5 noiembrie 1879, la vârsta de patruzeci și opt de ani. Trupul lui Maxwell a fost transportat la Glenlare și îngropat nu departe de moșie, într-un cimitir modest din satul Parton.

Rolul lui James Clerk Maxwell în știință nu a fost pe deplin apreciat de contemporanii săi, dar importanța operei sale a fost de netăgăduit pentru secolul următor. Richard Feyman, un fizician american, a spus că descoperirea legilor electrodinamicii este cel mai semnificativ eveniment al secolului al XIX-lea, în comparație cu care Războiul Civil din Statele Unite, care a avut loc în același timp, pălește în comparație...

Universitatea Internațională de Natură, Societate și Om „Dubna”
Departamentul de Dezvoltare Durabilă Inovatoare
MUNCĂ DE CERCETARE

pe tema:

„Contribuții la știință de James Clerk Maxwell”

Completat de: Pleshkova A.V., gr. 5103

Verificat de: Bolshakov B. E.

Dubna, 2007

Formulele la care ajungem trebuie să fie astfel încât un reprezentant al oricărei națiuni, înlocuind valorile numerice ale cantităților măsurate în unitățile sale naționale în loc de simboluri, să obțină rezultatul corect.

J.C. Maxwell

Biografie 5

Descoperirile lui J. C. Maxwell 8

Edinburgh. 1831-1850 8

Copilărie și ani școlari 8

Prima deschidere 9

Universitatea Edinburgh 9

Cercetare optico-mecanica 9

1850-1856 Cambridge 10

Lecții de energie electrică 10

Aberdeen 1856-1860 12

Tratat despre inelele lui Saturn 12

Londra - Glenlair 1860-1871 13

Prima fotografie color 13

Teoria probabilității 14

Modelul mecanic Maxwell 14

Undele electromagnetice și teoria electromagnetică a luminii 15

Cambridge 1871-1879 16

Laboratorul Cavendish 16

Recunoaștere mondială 17

Dimensiunea 18

Legea conservării puterii 22

Lista literaturii utilizate 23

Introducere

Astăzi, opiniile lui J. C. Maxwell, unul dintre cei mai mari fizicieni ai trecutului, al cărui nume este asociat cu realizările științifice incluse în fondul de aur stiinta moderna. Maxwell este interesant pentru noi ca un metodolog remarcabil și istoric al științei, care a înțeles profund complexitatea și inconsecvența procesului de cercetare științifică. Analizând relația dintre teorie și realitate, Maxwell a exclamat șocat: „Dar cine mă va conduce în regiunea nebuloasă și mai ascunsă în care Gândirea este combinată cu Faptul, unde vedem munca mentală a matematicianului și acțiunea fizică a moleculelor în lor. proporții adevărate? Drumul până la ei nu trece prin chiar bârlogul metafizicienilor, presărat cu rămășițele exploratorilor anteriori și insuflând groază în fiecare om de știință?.. În munca noastră zilnică ajungem la întrebări de același fel ca și metafizicienii, dar fără să ne bazăm. pe baza percepției înnăscute a minții noastre, le abordăm pregătiți prin adaptarea pe termen lung a modului nostru de gândire la faptele naturii externe.” (James Clerk Maxwell. Articole și discursuri. M., „Science”, 1968. P.5).

Biografie

Născut în familia unui nobil scoțian dintr-o familie nobilă de grefieri. A studiat mai întâi la Edinburgh (1847-1850), apoi la universitățile Cambridge (1850-1854). În 1855 a devenit membru al consiliului Trinity College, în 1856-1860. a fost profesor la Marischal College, Universitatea din Aberdeen, iar din 1860 a condus departamentul de fizică și astronomie de la King's College, Universitatea din Londra. În 1865, din cauza unei boli grave, Maxwell a demisionat din scaun și s-a stabilit pe moșia familiei sale din Glenlare, lângă Edinburgh. A continuat să studieze știința și a scris mai multe eseuri despre fizică și matematică. În 1871 a preluat catedra de fizică experimentală la Universitatea din Cambridge. A organizat un laborator de cercetare, care s-a deschis pe 16 iunie 1874 și a fost numit Cavendish în onoarea lui G. Cavendish.

Primul tau munca stiintifica Maxwell a făcut asta în timp ce era încă la școală, venind cu o modalitate simplă de a desena forme ovale. Această lucrare a fost raportată la o reuniune a Societății Regale și chiar publicată în Proceedings. În timp ce era membru al Consiliului Trinity College, a fost implicat în experimente privind teoria culorilor, acționând ca un continuator al teoriei lui Jung și al teoriei a trei culori primare a lui Helmholtz. În experimentele privind amestecarea culorilor, Maxwell a folosit un blat special, al cărui disc a fost împărțit în sectoare vopsite în diferite culori (discul Maxwell). Când vârful s-a rotit rapid, culorile s-au îmbinat: dacă discul a fost vopsit în același mod ca și culorile spectrului, a apărut alb; dacă o jumătate din ea era vopsită în roșu și cealaltă jumătate în galben, părea portocaliu; amestecarea albastrului cu galbenul a creat impresia de verde. În 1860, Maxwell a primit medalia Rumford pentru munca sa privind percepția culorilor și optică.

În 1857, Universitatea Cambridge a anunțat un concurs pentru o slujbă mai bună despre stabilitatea inelelor lui Saturn. Aceste formațiuni au fost descoperite de Galileo la începutul secolului al XVII-lea. și prezenta un mister uimitor al naturii: planeta părea înconjurată de trei inele concentrice continue, constând dintr-o substanță de natură necunoscută. Laplace a demonstrat că nu pot fi solide. După ce a efectuat o analiză matematică, Maxwell s-a convins că nu pot fi lichide și a ajuns la concluzia că o astfel de structură ar putea fi stabilă doar dacă ar consta dintr-un roi de meteoriți neînrudiți. Stabilitatea inelelor este asigurată de atracția lor față de Saturn și de mișcarea reciprocă a planetei și meteoriților. Pentru această lucrare, Maxwell a primit premiul J. Adams.

Una dintre primele lucrări ale lui Maxwell a fost teoria lui cinetică a gazelor. În 1859, omul de știință a dat un raport la o întâlnire a Asociației Britanice în care a prezentat distribuția moleculelor după viteză (distribuția Maxwelliană). Maxwell a dezvoltat ideile predecesorului său în dezvoltarea teoriei cinetice a gazelor de către R. Clausius, care a introdus conceptul de „cale liberă medie”. Maxwell a pornit de la ideea unui gaz ca un ansamblu de multe bile ideal elastice care se mișcă haotic într-un spațiu închis. Bilele (moleculele) pot fi împărțite în grupuri în funcție de viteză, în timp ce în stare staționară numărul de molecule din fiecare grup rămâne constant, deși pot ieși și intra în grupuri. Din această considerație a rezultat că „particulele sunt distribuite în funcție de viteză conform aceleiași legi precum erorile de observație sunt distribuite în teoria metodei. cele mai mici pătrate, adică în conformitate cu statisticile gaussiene." Ca parte a teoriei sale, Maxwell a explicat legea lui Avogadro, difuzia, conductivitatea termică, frecarea internă (teoria transferului). În 1867, el a arătat natura statistică a celei de-a doua legi a termodinamicii („demonul lui Maxwell”).

În 1831, anul în care s-a născut Maxwell, M. Faraday a efectuat experimente clasice care l-au condus la descoperirea inducției electromagnetice. Maxwell a început să studieze electricitatea și magnetismul aproximativ 20 de ani mai târziu, când existau două puncte de vedere asupra naturii efectelor electrice și magnetice. Oamenii de știință precum A. M. Ampere și F. Neumann au aderat la conceptul de acțiune pe distanță lungă, considerând forțele electromagnetice ca un analog atracție gravitaționalăîntre două mase. Faraday a fost un susținător al ideii de linii de forță care conectează sarcini electrice pozitive și negative sau polii nord și sud ai unui magnet. Liniile de forță umplu întreg spațiul înconjurător (câmp, în terminologia lui Faraday) și determină interacțiunile electrice și magnetice. În urma lui Faraday, Maxwell a dezvoltat un model hidrodinamic al liniilor de forță și a exprimat relațiile electrodinamice cunoscute atunci într-un limbaj matematic corespunzător modelelor mecanice ale lui Faraday. Principalele rezultate ale acestei cercetări sunt reflectate în lucrarea „Faraday’s Lines of Force” (Faraday’s Lines of Force, 1857). În 1860-1865 Maxwell a creat teoria câmpului electromagnetic, pe care a formulat-o sub forma unui sistem de ecuații (ecuațiile lui Maxwell) care descriu legile de bază ale fenomenelor electromagnetice: prima ecuație a exprimat inducția electromagnetică a lui Faraday; a 2-a - inducția magnetoelectrică, descoperită de Maxwell și bazată pe idei despre curenții de deplasare; 3 - legea conservării energiei electrice; 4 - natura vortex a câmpului magnetic.

Continuând să dezvolte aceste idei, Maxwell a ajuns la concluzia că orice modificare a câmpurilor electrice și magnetice trebuie să provoace modificări ale liniilor de forță care pătrund în spațiul înconjurător, adică trebuie să existe impulsuri (sau unde) care se propagă în mediu. Viteza de propagare a acestor unde (perturbare electromagnetică) depinde de permeabilitatea dielectrică și magnetică a mediului și este egală cu raportul dintre unitatea electromagnetică și cea electrostatică. Potrivit lui Maxwell și alți cercetători, acest raport este de 3x1010 cm/s, ceea ce este aproape de viteza luminii măsurată cu șapte ani mai devreme de fizicianul francez A. Fizeau. În octombrie 1861, Maxwell l-a informat pe Faraday despre descoperirea sa: lumina este o perturbație electromagnetică care se propagă într-un mediu neconductor, adică un tip de undă electromagnetică. Această etapă finală a cercetării este conturată în lucrarea lui Maxwell " Teoria dinamică câmp electromagnetic” (Tratat de electricitate și magnetism, 1864), iar rezultatul lucrării sale de electrodinamică a fost rezumat în celebrul „Tratat de electricitate și magnetism”. (1873)

În ultimii ani ai vieții sale, Maxwell s-a angajat în pregătirea pentru tipărirea și publicarea moștenirii manuscriselor lui Cavendish. Două volume mari au fost publicate în octombrie 1879.

Descoperirile lui J. C. Maxwell

Edinburgh. 1831-1850

Copilărie și ani de școală

La 13 iunie 1831, la Edinburgh, la numărul 14 India Street, Frances Kay, fiica unui judecător din Edinburgh, după căsătoria cu doamna Clerk Maxwell, a născut un fiu, James. În această zi, nu s-a întâmplat nimic semnificativ în întreaga lume; evenimentul principal din 1831 nu se întâmplase încă. Dar, de unsprezece ani, genialul Faraday a încercat să înțeleagă secretele electromagnetismului și abia acum, în vara lui 1831, a descoperit urmele evazivei inducție electromagnetică, iar James va avea doar patru luni când Faraday va rezuma experimentul său „pentru a obține electricitate din magnetism”. Și astfel se deschide nouă eră- epoca electricității. Epoca pentru care micuțul James, un descendent al glorioaselor familii ale Clerks și Maxwells scoțieni, va trăi și crea.

Tatăl lui James, John Clerk Maxwell, avocat de profesie, ura legea și nu-i plăcea, așa cum spunea el însuși, „avocatură murdară”. Ori de câte ori se ivea ocazia, John înceta să se amestece fără sfârșit în jurul vestibulelor de marmură ale curții din Edinburgh și se consacra experimentelor științifice, pe care le făcea dezinvolt, amator. Era amator, era conștient de asta și s-a dus cu greu. John era îndrăgostit de știință, de oameni de știință, de oameni practici, de învățatul său bunic George. Încercările de a construi burduf, care au fost realizate împreună cu fratele său, Frances Kay, l-au adus împreună cu viitoarea sa soție; nunta a avut loc la 4 octombrie 1826. Burduful nu a funcționat niciodată, dar s-a născut un fiu, James.

Când James avea opt ani, mama lui a murit și a fost lăsat să locuiască cu tatăl său. Copilăria lui este plină de natură, comunicare cu tatăl său, cărți, povești despre rudele sale, „jucării științifice” și primele sale „descoperiri”. Familia lui James era îngrijorată că nu primește o educație sistematică: citirea la întâmplare a tot ce se afla în casă, lecții de astronomie pe veranda casei și în camera de zi, unde James și tatăl său au construit un „glob ceresc”. După o încercare nereușită de a studia cu un profesor particular, de la care James fugea adesea la activități mai interesante, s-a decis să-l trimită să studieze la Edinburgh.

În ciuda faptului că a fost educat acasă, James a îndeplinit standardele înalte ale Academiei din Edinburgh și a fost înscris acolo în noiembrie 1841. Performanța lui în clasă a fost departe de a fi stelară. Putea cu ușurință să îndeplinească sarcini mai bine, dar spiritul de competiție în activități neplăcute îi era profund străin. După prima zi de școală, nu s-a înțeles cu colegii săi și, prin urmare, mai mult decât orice altceva, lui James îi plăcea să fie singur și să se uite la obiectele din jurul său. Una dintre cele mai evenimente luminoase, fără îndoială, luminând plictisul zile de școală, a avut loc o vizită cu tatăl său la Societatea Regală din Edinburgh, unde au fost expuse primele „mașini electromagnetice”.

Societatea Regală din Edinburgh i-a schimbat viața lui James: acolo a primit primele concepte despre piramidă, cub și alte poliedre regulate. Perfecțiunea simetriei și transformările naturale ale corpurilor geometrice au schimbat conceptul lui James despre învățare - el a văzut în învățare un sâmbure de frumusețe și perfecțiune. Când a venit timpul examenelor, studenții academiei au fost uimiți - „proștii”, așa cum l-au numit pe Maxwell, au devenit unul dintre primii.

Prima descoperire

Dacă mai devreme, tatăl său îl ducea ocazional pe James la divertismentul său preferat - întâlnirile Societății Regale din Edinburgh, acum vizitele la această societate, precum și la Societatea de Arte din Edinburgh, împreună cu James, au devenit regulate și obligatorii pentru el. La ședințele Societății de Arte cel mai cunoscut și atrăgător vorbitor a fost domnul D.R. Hei, artist decorativ. Prelegerile sale l-au determinat pe James să facă prima sa descoperire majoră - un instrument simplu pentru desenarea ovalelor. James a găsit o metodă originală și în același timp foarte simplă și, cel mai important, una complet nouă. El a descris principiul metodei sale într-o scurtă „hârtie”, care a fost citită la Societatea Regală din Edinburgh - o onoare pe care mulți au căutat-o, dar care a fost acordată unui școlar de paisprezece ani.

Universitatea din Edinburgh

Cercetare optico-mecanica

În 1847, studiile la Academia din Edinburgh s-au încheiat, James a fost unul dintre primii, nemulțumirile și grijile primilor ani au fost uitate.

După absolvirea academiei, James intră la Universitatea din Edinburgh. În același timp, a început să se intereseze serios de cercetarea optică. Afirmațiile lui Brewster l-au condus pe James la ideea că studierea căii razelor ar putea fi folosită pentru a determina elasticitatea unui mediu în direcții diferite, pentru a detecta tensiunile în materiale transparente. Astfel, studiul tensiunilor mecanice poate fi redus la un studiu optic. Două fascicule, separate într-un material transparent tensionat, vor interacționa, dând naștere unor imagini colorate caracteristice. James a arătat că picturile color sunt de natură complet naturale și pot fi folosite pentru calcule, pentru verificarea formulelor derivate anterior și pentru derivarea altora noi. S-a dovedit că unele formule sunt incorecte, sau inexacte sau necesită modificări.

Fig. 1 este o imagine a tensiunilor dintr-un triunghi stele obținut de James folosind lumină polarizată.

Mai mult, James a fost capabil să descopere tipare în cazurile în care anterior nu se putea face nimic din cauza dificultăților matematice. Un triunghi transparent și încărcat de sticlă necălită (Fig. 1) ia oferit lui James oportunitatea de a studia tensiunile în acest caz calculabil.

James Clerk Maxwell, în vârstă de nouăsprezece ani, a urcat pentru prima dată pe podiumul Societății Regale din Edinburgh. Raportul său nu putea trece neobservat: conținea prea multe noi și originale.

1850-1856 Cambridge

Clasele de electricitate

Acum nimeni nu a pus la îndoială talentul lui James. El a depășit în mod clar Universitatea din Edinburgh și, prin urmare, a intrat în Cambridge în toamna anului 1850. În ianuarie 1854, James a absolvit cu onoare universitatea cu o diplomă de licență. El decide să rămână la Cambridge pentru a se pregăti pentru o profesie. Acum că nu mai are nevoie să se pregătească pentru examene, primește oportunitatea mult așteptată de a-și petrece tot timpul pe experimente și își continuă cercetările în domeniul opticii. El este interesat în special de problema culorilor primare. Primul articol al lui Maxwell se numea „Teoria culorilor în legătură cu daltonismul” și nu era nici măcar un articol, ci o scrisoare. Maxwell i-a trimis-o doctorului Wilson, care a găsit scrisoarea atât de interesantă încât s-a ocupat de publicarea ei: a plasat-o în întregime în cartea sa despre daltonismul. Și totuși, James este atras inconștient de secrete mai profunde, lucruri mult mai neevidente decât amestecul de culori. Electricitatea, din cauza incomprehensibilitatii sale intrigante, era cea care inevitabil, mai devreme sau mai târziu, trebuia să atragă energia minții sale tinere. James a acceptat destul de ușor principiile fundamentale ale electricității de tensiune. După ce a studiat teoria acțiunii pe distanță lungă a lui Ampere, el, în ciuda aparentei sale irefutabili, și-a permis să se îndoiască de ea. Teoria acțiunii pe distanță lungă părea fără îndoială corectă, deoarece a fost confirmată de similitudinea formală a legilor și a expresiilor matematice pentru fenomene aparent diferite - interacțiune gravitațională și electrică. Dar această teorie, mai mult matematică decât fizică, nu l-a convins pe James; el era din ce în ce mai înclinat spre percepția Faraday a acțiunii prin liniile magnetice de forță care umpleau spațiul, spre teoria acțiunii la distanță scurtă.

Încercând să creeze o teorie, Maxwell a decis să folosească metoda analogiilor fizice pentru cercetare. În primul rând, a fost necesar să găsim analogia potrivită. Maxwell a admirat întotdeauna singura analogie observată atunci între problemele atracției corpurilor încărcate electric și problemele transferului de căldură în starea de echilibru. James a construit treptat acest lucru, precum și ideile lui Faraday despre acțiunea cu rază scurtă de acțiune și acțiunea magnetică a conductorilor închisi a lui Ampere, într-o nouă teorie, neașteptată și îndrăzneață.

La Cambridge, James este desemnat să predea cele mai dificile capitole ale cursurilor de hidrostatică și optică celor mai capabili studenți. În plus, el a fost distras de la teoriile electrice de munca la o carte despre optică. Maxwell ajunge curând la concluzia că optica nu-l mai interesează ca înainte, ci doar îi distrage atenția de la studiul fenomenelor electromagnetice.

Continuând să caute o analogie, James compară liniile de forță cu curgerea unui fluid incompresibil. Teoria tuburilor din hidrodinamică a făcut posibilă înlocuirea liniilor de forță cu tuburi de forță, ceea ce a explicat cu ușurință experimentul lui Faraday. Conceptele de rezistență, fenomenele de electrostatică, magnetostatică și curent electric se încadrează ușor și simplu în cadrul teoriei lui Maxwell. Dar această teorie nu s-a încadrat încă în fenomenul de inducție electromagnetică descoperit de Faraday.

James a fost nevoit să-și abandoneze teoria pentru ceva timp din cauza deteriorării stării tatălui său, care a necesitat îngrijire. Când James s-a întors la Cambridge după moartea tatălui său, nu a reușit să obțină o diplomă de master din cauza religiei sale. Prin urmare, în octombrie 1856, James Maxwell a preluat scaunul la Aberdeen.

Aberdeen 1856-1860

Tratat despre inelele lui Saturn

La Aberdeen a fost scrisă prima lucrare despre electricitate - articolul „Despre liniile de forță a lui Faraday”, care a dus la un schimb de opinii asupra fenomenelor electromagnetice cu Faraday însuși.

Când James și-a început studiile la Aberdeen, în capul lui se maturizase deja o nouă problemă, pe care nimeni nu o putea rezolva încă, un nou fenomen care trebuia explicat. Acestea erau inelele lui Saturn. Să le determine natura fizică, să le determine de la milioane de kilometri depărtare, fără instrumente, folosind doar hârtie și un stilou, era o sarcină parcă pentru el. Ipoteza unui inel solid rigid a dispărut imediat. Inelul lichid s-ar dezintegra sub influența undelor gigantice care au apărut în el - și ca rezultat, conform lui James Clerk Maxwell, cel mai probabil ar exista o mulțime de sateliți mici care plutesc în jurul lui Saturn - „fragmente de cărămidă”, în percepția sa. . Pentru tratatul său despre inelele lui Saturn, James a primit Premiul Adams în 1857 și el însuși este recunoscut drept unul dintre cei mai autoriți fizicieni teoreticieni englezi.

Fig.2 Saturn. Fotografie făcută cu refractorul de 36 de inci la Observatorul Lick.

Fig.3 Modele mecanice care ilustrează mișcarea inelelor lui Saturn. Desene din eseul lui Maxwell „Despre stabilitatea rotației inelelor lui Saturn”

Londra – Glenlair 1860-1871

Prima fotografie color

În 1860, a început o nouă etapă în viața lui Maxwell. A fost numit profesor de Filosofie Naturală la King's College, Londra. King's College a fost înaintea multor universități din lume în ceea ce privește echipamentul laboratoarelor sale de fizică. Aici Maxwell nu este doar în 1864-1865. a predat un curs de fizică aplicată, aici a încercat să organizeze procesul educațional într-un mod nou. Elevii au învățat prin experimentare. La Londra, James Clerk Maxwell a gustat pentru prima dată roadele recunoașterii sale ca om de știință important. Pentru cercetările sale despre amestecarea culorilor și optică, Royal Society i-a acordat lui Maxwell medalia Rumford. La 17 mai 1861, lui Maxwell i sa oferit marea onoare de a ține o prelegere în fața Royal Institution. Tema prelegerii este „Despre teoria a trei culori primare”. La această prelegere, ca dovadă a acestei teorii, fotografia color a fost demonstrată lumii pentru prima dată!

Teoria probabilității

La sfârșitul perioadei Aberdeen și la începutul perioadei londoneze, Maxwell a dezvoltat, alături de optică și electricitate, un nou hobby - teoria gazelor. Lucrând la această teorie, Maxwell introduce în fizică concepte precum „probabil”, „acest eveniment poate avea loc cu un grad mai mare de probabilitate”.

O revoluție avusese loc în fizică și mulți dintre cei care ascultau rapoartele lui Maxwell la reuniunile anuale ale Asociației Britanice nici nu au observat-o. Pe de altă parte, Maxwell s-a apropiat de limitele înțelegerii mecanice a materiei. Și a pășit peste ei. Concluzia lui Maxwell despre dominația legilor teoriei probabilităților în lumea moleculelor a afectat cele mai fundamentale fundamente ale viziunii sale asupra lumii. Declarația că în lumea moleculelor „domnește șansa” a fost, în îndrăzneala sa, una dintre cele mai mari fapte din știință.

Modelul mecanic al lui Maxwell

Munca la King's College necesita mult mai mult timp decât la Aberdeen - cursul de curs dura nouă luni pe an. Cu toate acestea, în acest moment, James Clerk Maxwell, în vârstă de treizeci de ani, schițează un plan pentru viitoarea sa carte despre electricitate. Acesta este embrionul viitorului tratat. El își dedică primele capitole predecesorilor săi: Oersted, Ampere, Faraday. Încercând să explice teoria liniilor de forță a lui Faraday, inducerea curenților electrici și teoria lui Oersted a naturii de tip vortex a fenomenelor magnetice, Maxwell își creează propriul model mecanic (Fig. 5).

Modelul a constat din rânduri de vortexuri moleculare care se rotesc într-o direcție, între care a fost plasat un strat de particule sferice minuscule capabile de rotație. În ciuda greutății sale, modelul a explicat multe fenomene electromagnetice, inclusiv inducția electromagnetică. Natura senzațională a modelului a fost că a explicat teoria acțiunii unui câmp magnetic în unghi drept față de direcția curentului, formulată de Maxwell („regula gimlet”).

Fig. 4 Maxwell elimină interacțiunea vârtejurilor învecinate A și B care se rotesc într-o direcție prin introducerea „rotărilor de viteză” între ele

Fig.5 Modelul mecanic al lui Maxwell pentru explicarea fenomenelor electromagnetice.

Undele electromagnetice și teoria electromagnetică a luminii

Continuând experimentele sale cu electromagneți, Maxwell s-a apropiat de teoria conform căreia orice modificare a forței electrice și magnetice trimite unde care se propagă prin spațiu.

După o serie de articole „Despre liniile fizice”, Maxwell avea deja, de fapt, tot materialul pentru construirea unei noi teorii a electromagnetismului. Acum pentru teoria câmpului electromagnetic. Roțile și vârtejurile au dispărut complet. Pentru Maxwell, ecuațiile de câmp nu au fost mai puțin reale și tangibile decât rezultatele experimentelor de laborator. Acum, atât inducția electromagnetică a lui Faraday, cât și curentul de deplasare al lui Maxwell au fost derivate nu folosind modele mecanice, ci folosind operații matematice.

Potrivit lui Faraday, o modificare a câmpului magnetic duce la apariția unui câmp electric. O creștere a câmpului magnetic provoacă o creștere a câmpului electric.

O explozie de undă electrică dă naștere unei explozii de undă magnetică. Astfel, pentru prima dată, din condeiul unui profet de treizeci și trei de ani, au apărut undele electromagnetice în 1864, dar nu încă în forma în care le înțelegem acum. Maxwell a vorbit doar despre undele magnetice într-o lucrare din 1864. O undă electromagnetică în sensul deplin al cuvântului, incluzând atât perturbații electrice, cât și magnetice, a apărut mai târziu în lucrarea lui Maxwell în 1868.

Într-un alt articol al lui Maxwell, „The Dynamic Theory of the Electromagnetic Field”, teoria electromagnetică a luminii prezentată anterior a dobândit contururi și dovezi clare. Pe baza propriilor sale cercetări și a experienței altor oameni de știință (în special Faraday), Maxwell concluzionează că proprietati optice un mediu este legat de proprietățile sale electromagnetice, iar lumina nu este altceva decât unde electromagnetice.

În 1865, Maxwell decide să părăsească King's College. Se stabilește în moșia familiei Glenmeir, unde studiază principalele lucrări ale vieții sale - „Teoria căldurii” și „Tratat despre electricitate și magnetism”. Îmi dedic tot timpul lor. Aceștia au fost anii schitului, ani de detașare completă de deșertăciune, slujind numai științei, anii cei mai rodnici, strălucitori, creatori. Cu toate acestea, Maxwell este din nou atras să lucreze la universitate și acceptă oferta care i-a fost făcută de Universitatea din Cambridge.

Cambridge 1871-1879

Laboratorul Cavendish

În 1870, Ducele de Devonshire a anunțat Senatului Universității dorința de a construi și echipa un laborator de fizică. Și urma să fie condus de un om de știință de renume mondial. Acest om de știință a fost James Clerk Maxwell. În 1871, a început să lucreze la echiparea faimosului laborator Cavendish. În acești ani, „Tratatul său despre electricitate și magnetism” a fost în sfârșit publicat. Mai mult de o mie de pagini, unde Maxwell oferă o descriere a experimentelor științifice, o prezentare generală a tuturor teoriilor despre electricitate și magnetism create până acum, precum și „Ecuațiile de bază ale câmpului electromagnetic”. În general, în Anglia ei nu au acceptat ideile principale ale Tratatului; nici măcar prietenii lor nu l-au înțeles. Ideile lui Maxwell au fost preluate de tineri. Teoria lui Maxwell a făcut o mare impresie oamenilor de știință ruși. Toată lumea cunoaște rolul lui Umov, Stoletov, Lebedev în dezvoltarea și consolidarea teoriei lui Maxwell.

16 iunie 1874 este ziua marii deschideri a Laboratorului Cavendish. Anii următori au fost marcați de o recunoaștere tot mai mare.

Recunoaștere mondială

În 1870, Maxwell a fost ales doctor onorific în litere de la Universitatea din Edinburgh, în 1874 - membru de onoare străin al Academiei Americane de Arte și Științe din Boston, în 1875 - membru al Societății Americane de Filozofie din Philadelphia, precum și a devenit membru de onoare al academiilor din New York, Amsterdam, Viena. În următorii cinci ani, Maxwell și-a petrecut următorii cinci ani editand și pregătind pentru publicare douăzeci de seturi de manuscrise ale lui Henry Cavendish.

În 1877, Maxwell a simțit primele semne de boală, iar în mai 1879 a ținut ultima sa prelegere studenților săi.

Dimensiune

În celebrul său tratat despre electricitate și magnetism (vezi Moscova, Nauka, 1989), Maxwell a abordat problema dimensiunii mărimilor fizice și a pus bazele sistemului lor cinetic. Particularitatea acestui sistem este prezența în el a doar doi parametri: lungimea L și timpul T. Toate cantitățile cunoscute (și necunoscute astăzi!) sunt reprezentate în el ca puteri întregi ale lui L și T. Indicatori fracționali care apar în formulele dimensiunilor a altor sisteme, lipsite de conținut fizic și nu există un sens logic în acest sistem.

În conformitate cu cerințele lui J. Maxwell, A. Poincaré, N. Bohr, A. Einstein, V. I. Vernadsky, R. Bartini o mărime fizică este universală dacă și numai dacă legătura ei cu spațiul și timpul este clarăpe mine. Și, cu toate acestea, până la tratatul lui J. Maxwell „Despre electricitate și magnetism” (1873), legătura dintre dimensiunea masei și lungime și timp nu a fost stabilită.

Deoarece dimensiunea pentru masă a fost introdusă de Maxwell (împreună cu notația sub formă de paranteze pătrate), ne permitem să cităm un fragment din lucrarea lui Maxwell însuși: „Orice expresie pentru orice mărime constă din doi factori sau componente. Unul dintre acestea este numele unei cantități cunoscute de același tip cu cantitatea pe care o exprimăm. Ea este luată ca standard de referință. Cealaltă componentă este un număr care indică de câte ori trebuie aplicat standardul pentru a obține valoarea cerută. Cantitatea standard de referință se numește e unitate, iar numărul corespunzător este h și sens verbal de această valoare.”

„DESPRE MĂSURAREA VALORILOR”

1. Orice expresie pentru orice mărime constă din doi factori sau componente. Unul dintre acestea este numele unei cantități cunoscute de același tip cu cantitatea pe care o exprimăm. Ea este luată ca standard de referință. Cealaltă componentă este un număr care indică de câte ori trebuie aplicat standardul pentru a obține valoarea cerută. Valoarea standard de referință se numește în tehnologie Unitate, iar numărul corespunzător este numeric Sens a acestei valori.

2. Când construim un sistem matematic, considerăm unitățile de bază - lungime, timp și masă - ca fiind date și derivăm toate unitățile derivate din ele folosind cele mai simple definiții acceptabile.

Prin urmare, în toate cercetare științifică Este foarte important să folosiți unități aparținând unui sistem bine definit, precum și să cunoașteți relațiile acestora cu unitățile de bază pentru a putea converti imediat rezultatele unui sistem în altul.

Cunoașterea dimensiunilor unităților ne oferă o metodă de verificare care ar trebui aplicată ecuațiilor obținute în urma unor cercetări pe termen lung.

Dimensiunea fiecăruia dintre termenii ecuației în raport cu fiecare dintre cele trei unități de bază trebuie să fie aceeași. Dacă nu este așa, atunci ecuația este lipsită de sens, conține un fel de eroare, deoarece interpretarea sa se dovedește a fi diferită și depinde de sistemul arbitrar de unități pe care îl acceptăm.

Trei unități de bază:

(1) LUNGIME. Standardul de lungime folosit în țara noastră în scopuri științifice, servește drept picior, care este a treia parte a unei curți standard păstrate în Trezorerie.

În Franța și în alte țări care au adoptat sistemul metric, standardul de lungime este metrul. Teoretic, aceasta este o zece milioneme din lungimea meridianului pământului, măsurată de la pol până la ecuator; in practica, aceasta este lungimea etalonului depozitat la Paris, realizat de Borda in asa fel incat la temperatura de topire a ghetii sa corespunda cu valoarea lungimii meridianului obtinuta de d'Alembert. Măsurătorile care reflectă măsurători noi și mai precise ale Pământului nu sunt introduse în contor; dimpotrivă, arcul meridianului însuși este calculat în metrii originali.

În astronomie, unitatea de lungime este uneori considerată distanța medie de la Pământ la Soare.

La starea curentaștiință, cel mai universal standard de lungime care ar putea fi propus ar fi lungimea de undă a luminii de un anumit tip emisă de o substanță larg răspândită (de exemplu, sodiul), care are linii clar identificabile în spectrul său. Un astfel de standard ar fi independent de orice schimbare a dimensiunii pământului și ar trebui adoptat de cei care speră că scrierile lor se vor dovedi mai durabile decât acest corp ceresc.

Când lucrăm cu dimensiunile unitare, vom nota unitatea de lungime ca [ L]. Dacă valoarea numerică a lungimii este l, atunci aceasta este înțeleasă ca o valoare exprimată printr-o anumită unitate [ L], astfel încât întreaga lungime adevărată este reprezentată ca l [ L].

(2) TIMP. În toate țările civilizate, unitatea standard de timp este derivată din perioada de revoluție a Pământului în jurul axei sale. Ziua siderale, sau adevărata perioadă de revoluție a Pământului, poate fi stabilită cu mare precizie prin observații astronomice obișnuite, iar ziua solară medie poate fi calculată din ziua siderale datorită cunoștințelor noastre despre lungimea anului.

Al doilea timp solar mediu este adoptat ca unitate de timp în toate studiile fizice.

În astronomie, unitatea de timp este uneori considerată un an. O unitate de timp mai universală ar putea fi stabilită luând perioada de oscilație a acelei lumini a cărei lungime de undă este egală cu o unitate de lungime.

Ne vom referi la o anumită unitate de timp ca [ T], iar măsura numerică a timpului este notată cu t.

(3) MISA. La noi, unitatea standard de masă este lira comercială de referință (lira avoirdupois), păstrată la Trezorerie. Adesea folosit ca unitate, un bob este o 7000th dintr-o liră.

În sistemul metric, unitatea de masă este gramul; teoretic aceasta este masa unui centimetru cub de apă distilată la valori standard de temperatură și presiune, iar în practică este o miime din kilogramul standard stocat la Paris *.

Dar dacă, așa cum se face în sistemul francez, o anumită substanță, și anume apa, este luată ca standard de densitate, atunci unitatea de masă încetează să mai fie independentă, dar se schimbă ca o unitate de volum, adică. Cum [ L 3]. Dacă, ca în sistemul astronomic, unitatea de masă este exprimată prin forța de atracție a acesteia, atunci dimensiunea [ M] se dovedește a fi [ L 3 T2 ]”.

Maxwell arată asta masa poate fi exclusă din numărul de mărimi dimensionale de bază. Acest lucru se realizează prin două definiții ale conceptului „putere”:

1) și 2).

Echivalând aceste două expresii și considerând constanta gravitațională ca fiind o mărime adimensională, Maxwell obține:

, [M] = [L 3 T 2 ].

Masa s-a dovedit a fi o cantitate spațiu-timp. Dimensiunile sale: volum cu accelerație unghiulară(sau densitate având aceeași dimensiune).

Cantitatea de masă a început să se satisfacă cerinţa universalităţii. A devenit posibilă exprimarea tuturor celorlalte mărimi fizice în unități de măsură spațiu-timp.

În 1965, articolul „Sistemul cinematic al mărimilor fizice” de R. Bartini a fost publicat în revista „Rapoarte ale Academiei de Științe a URSS” (nr. 4). Aceste rezultate au valoare exceptionala pentru problema discutată.

Legea conservării puterii

Lagrange, 1789; Maxwell, 1855.

ÎN vedere generala Legea conservării puterii este scrisă ca invarianța mărimii puterii:

Din ecuația puterii totaleN = P + G rezultă că puterea utilă și puterea de pierdere sunt inverse proiectiv și, prin urmare, orice modificare a energiei libere compensate prin modificări ale pierderilor de putere sub control total al puterii .

Concluzia obținută oferă motive pentru a prezenta legea conservării puterii sub forma unei ecuații scalare:

Unde .

Modificarea fluxului activ este compensată de diferența dintre pierderi și câștiguri în sistem.

Astfel, mecanismul sistem deschis elimină restricțiile de închidere și, prin urmare, oferă oportunitatea unei mișcări ulterioare a sistemului. Cu toate acestea, acest mecanism nu arată posibile direcții de mișcare - evoluția sistemelor. Prin urmare, trebuie completat de mecanismele sistemelor evolutive și neevolutive sau de neechilibru și echilibru.

Bibliografie

Vl. Kartsev „Viața oamenilor remarcabili. Maxwell." - M., „Tânăra gardă”, 1974.
James Clerk Maxwell. Articole și discursuri. M., „Știință”, 1968.
http://physicsbooks.narod.ru/
http://revolution.allbest.ru/
http://ru.wikipedia.org/wiki/
http://www.situation.ru/
http://www.uni-dubna.ru/
http://www.uran.ru/

MAXWELL, James Clerk

Fizicianul englez James Clerk Maxwell s-a născut la Edinburgh în familia unui nobil scoțian din familia nobilă Clerk. A studiat mai întâi la Edinburgh (1847–1850), apoi la universitățile din Cambridge (1850–1854). În 1855, Maxwell a devenit membru al consiliului Trinity College, în 1856–1860. a fost profesor la Marischal College, Universitatea din Aberdeen, iar din 1860 a condus departamentul de fizică și astronomie de la King's College, Universitatea din Londra. În 1865, din cauza unei boli grave, Maxwell a demisionat din departament și s-a stabilit pe moșia familiei lui Glenlare, lângă Edinburgh. Acolo a continuat să studieze știința și a scris mai multe eseuri despre fizică și matematică. În 1871 a preluat catedra de fizică experimentală la Universitatea din Cambridge. Maxwell a organizat un laborator de cercetare, care a fost deschis pe 16 iunie 1874 și a fost numit Cavendish în onoarea lui Henry Cavendish.

Maxwell și-a finalizat prima lucrare științifică în timp ce era încă la școală, inventând o modalitate simplă de a desena forme ovale. Această lucrare a fost raportată la o reuniune a Societății Regale și chiar publicată în Proceedings. În timp ce era membru al consiliului Trinity College, el a fost implicat în experimente privind teoria culorilor, acționând ca un continuator al teoriei lui Jung și al teoriei lui Helmholtz a celor trei culori primare. În experimentele privind amestecarea culorilor, Maxwell a folosit un blat special, al cărui disc a fost împărțit în sectoare vopsite în diferite culori (discul Maxwell). Când vârful s-a rotit rapid, culorile s-au îmbinat: dacă discul a fost vopsit în același mod ca și culorile spectrului, a apărut alb; dacă o jumătate din ea era vopsită în roșu și cealaltă jumătate în galben, părea portocaliu; amestecarea albastrului cu galbenul a creat impresia de verde. În 1860, Maxwell a primit medalia Rumford pentru munca sa privind percepția culorilor și optică.

În 1857, Universitatea din Cambridge a anunțat un concurs pentru cea mai bună lucrare despre stabilitatea inelelor lui Saturn. Aceste formațiuni au fost descoperite de Galileo la începutul secolului al XVII-lea. și prezenta un mister uimitor al naturii: planeta părea înconjurată de trei inele concentrice continue, constând dintr-o substanță de natură necunoscută. Laplace a demonstrat că nu pot fi solide. După ce a efectuat o analiză matematică, Maxwell s-a convins că nu pot fi lichide și a ajuns la concluzia că o astfel de structură ar putea fi stabilă doar dacă ar consta dintr-un roi de meteoriți neînrudiți. Stabilitatea inelelor este asigurată de atracția lor față de Saturn și de mișcarea reciprocă a planetei și meteoriților. Pentru această lucrare, Maxwell a primit premiul J. Adams.

Una dintre primele lucrări ale lui Maxwell a fost teoria lui cinetică a gazelor. În 1859, omul de știință a dat un raport la o întâlnire a Asociației Britanice în care a prezentat distribuția moleculelor după viteză (distribuția Maxwelliană). Maxwell a dezvoltat ideile predecesorului său în dezvoltarea teoriei cinetice a gazelor de către Rudolf Clausius, care a introdus conceptul de „cale liberă medie”. Maxwell a pornit de la ideea unui gaz ca un ansamblu de multe bile ideal elastice care se mișcă haotic într-un spațiu închis. Bilele (moleculele) pot fi împărțite în grupuri în funcție de viteză, în timp ce în stare staționară numărul de molecule din fiecare grup rămâne constant, deși pot ieși și intra în grupuri. Din această considerație a rezultat că „particulele sunt distribuite după viteză după aceeași lege precum erorile de observație sunt distribuite în teoria celor mai mici pătrate, adică. conform statisticii gaussiene”. Ca parte a teoriei sale, Maxwell a explicat legea lui Avogadro, difuzia, conductivitatea termică, frecarea internă (teoria transferului). În 1867 a arătat natura statistică a celei de-a doua legi a termodinamicii.

În 1831, anul în care s-a născut Maxwell, Michael Faraday a efectuat experimentele clasice care l-au condus la descoperirea inducției electromagnetice. Maxwell a început să studieze electricitatea și magnetismul aproximativ 20 de ani mai târziu, când existau două puncte de vedere asupra naturii efectelor electrice și magnetice. Oamenii de știință precum A. M. Ampere și F. Neumann au aderat la conceptul de acțiune pe distanță lungă, considerând forțele electromagnetice ca fiind analoge cu atracția gravitațională dintre două mase. Faraday a fost un susținător al ideii de linii de forță care conectează sarcini electrice pozitive și negative sau polii nord și sud ai unui magnet. Liniile de forță umplu întreg spațiul înconjurător (câmp, în terminologia lui Faraday) și determină interacțiunile electrice și magnetice. În urma lui Faraday, Maxwell a dezvoltat un model hidrodinamic al liniilor de forță și a exprimat relațiile electrodinamice cunoscute atunci într-un limbaj matematic corespunzător modelelor mecanice ale lui Faraday. Principalele rezultate ale acestei cercetări sunt reflectate în lucrarea „Liniile de forță a lui Faraday” (1857). În 1860–1865 Maxwell a creat teoria câmpului electromagnetic, pe care a formulat-o sub forma unui sistem de ecuații (ecuațiile lui Maxwell) care descriu legile de bază ale fenomenelor electromagnetice: prima ecuație a exprimat inducția electromagnetică a lui Faraday; a 2-a – inducția magnetoelectrică, descoperită de Maxwell și bazată pe idei despre curenții de deplasare; 3 – legea conservării energiei electrice; 4 – natura vortex a câmpului magnetic.

Continuând să dezvolte aceste idei, Maxwell a ajuns la concluzia că orice modificare a câmpurilor electrice și magnetice ar trebui să provoace modificări ale liniilor de forță care pătrund în spațiul înconjurător, adică. trebuie să existe impulsuri (sau unde) care se propagă în mediu. Viteza de propagare a acestor unde (perturbare electromagnetică) depinde de permeabilitatea dielectrică și magnetică a mediului și este egală cu raportul dintre unitatea electromagnetică și cea electrostatică. Potrivit lui Maxwell și alți cercetători, acest raport este de 3·10 10 cm/s, care este aproape de viteza luminii măsurată cu șapte ani mai devreme de fizicianul francez A. Fizeau. În octombrie 1861, Maxwell l-a informat pe Faraday despre descoperirea sa: lumina este o perturbație electromagnetică care se propagă într-un mediu neconductor, adică. un tip de undă electromagnetică. Această etapă finală a cercetării este conturată în lucrarea lui Maxwell „The Dynamic Theory of the Electromagnetic Field” (1864), iar rezultatul lucrării sale asupra electrodinamicii a fost rezumat în faimosul „Tratat despre electricitate și magnetism” (1873).

La 5 noiembrie 1879 a murit fizicianul, matematicianul și mecanicul britanic James Clerk Maxwell. Avea 48 de ani. În timpul vieții sale a devenit autorul multor descoperiri. Ne-am amintit de cele mai interesante dintre ele.

1. Metoda de desenare a unui oval. Maxwell a făcut această descoperire pe când era încă școlar. A studiat la Academia din Edinburgh. La început, James a avut puțin interes pentru studiu, dar mai târziu a început să-și manifeste interesul pentru asta. Băiatul era cel mai interesat de geometrie. Aprecierea sa față de frumusețea imaginilor geometrice a crescut după o prelegere a artistului David Ramsay Hay despre arta etruscă. Reflecțiile pe această temă l-au determinat pe Maxwell să inventeze o metodă de desenare a ovalelor. Metoda datează din lucrările lui Rene Descartes și a constat în folosirea unor ace focale, fire și un creion, ceea ce a făcut posibilă construirea de cercuri (un focar), elipse (două focusuri) și figuri ovale mai complexe ( cantitate mare se concentrează). Trebuie spus că rezultatele muncii studentului nu au trecut neobservate și au fost raportate de profesorul James Forbes la o reuniune a Societății Regale din Edinburgh și apoi publicate în Proceedings.

2. Teoria culorii. După ce a studiat la Cambridge, Maxwell s-a pregătit pentru o profesie. În acest moment principalul interes științific un tânăr începe să lucreze la teoria culorilor. Ea provine din opera lui Isaac Newton, care a aderat la ideea a șapte culori primare. Maxwell a fost un continuator al teoriei lui Thomas Young, care a prezentat ideea a trei culori primare și le-a asociat cu procesele fiziologiceîn corpul uman. James a folosit un „top spinning color” inventat anterior, al cărui disc era împărțit în sectoare vopsite în diferite culori, precum și o „cutie de culori”, un sistem optic pe care el însuși l-a dezvoltat, care a făcut posibilă amestecarea culorilor de referință. Cu toate acestea, pentru prima dată a reușit să obțină rezultate cantitative cu ajutorul lor și să prezică destul de precis amestecurile de culori rezultate. De exemplu, dacă se credea anterior că albul poate fi obținut prin amestecarea albastrului, roșu și galben, Maxwell a respins acest lucru. Experimentele sale au arătat că amestecarea culorilor albastre și galbene nu produce verde, așa cum se credea adesea, ci o nuanță roz. A mai aflat că culorile primare sunt roșu, verde și albastru.

3. Stabilitatea inelelor lui Saturn. În Aberdeen, Maxwell s-a căsătorit și a început să predea, dar știința încă ocupa o parte semnificativă a timpului său. Atenția mai mare a lui Maxwell în acest moment a fost atrasă de studiul naturii inelelor lui Saturn, propus în 1855 de Universitatea din Cambridge pentru Premiul Adams (lucrarea trebuia să fie finalizată în doi ani). Inelele au fost descoperite de Galileo Galilei la începutul secolului al XVII-lea și au fost mult timp un mister al naturii. Mulți oameni de știință au încercat să determine natura substanței din care au fost făcute inelele lui Saturn. William Herschel le considera obiecte solide. Pierre Simon Laplace a susținut că inelele solide trebuie să fie eterogene, foarte înguste și trebuie neapărat să se rotească. Maxwell a efectuat cercetări - o analiză matematică a diferitelor variante ale structurii inelelor - și s-a convins că acestea nu pot fi nici solide, nici lichide. Concluzia omului de știință a fost următoarea: o astfel de structură poate fi stabilă numai dacă constă dintr-un roi de meteoriți neînrudiți. Stabilitatea inelelor este asigurată de atracția lor față de Saturn și de mișcarea reciprocă a planetei și meteoriților. Folosind analiza Fourier, Maxwell a studiat propagarea undelor într-un astfel de inel și a arătat că în anumite condiții meteoriții nu se ciocnesc între ei. Pentru cazul a două inele, el a determinat la ce rapoarte ale razelor lor apare o stare de instabilitate. După ce a primit premiul Adams pentru munca sa și a primit recenzii elogioase de la colegii săi, Maxwell și-a continuat experimentele. Munca sa a primit recunoaștere în cercurile științifice. Astronomul Royal George Airy a declarat-o cea mai strălucită aplicație a matematicii la fizică pe care a văzut-o vreodată.

4. Prima fotografie color. Această descoperire a fost făcută la Londra. Mai întâi, în 1860, Maxwell a ținut o discuție la reuniunea Asociației Britanice de la Oxford despre rezultatele sale în teoria culorilor, susținută de demonstrații experimentale folosind o cutie de culoare. Un an mai târziu, în timpul unei prelegeri la Instituția Regală, James le-a prezentat colegilor săi prima fotografie color din lume, ideea căreia își are originea în 1855. A fost produs împreună cu fotograful Thomas Sutton. Mai întâi, au fost produse trei negative de bandă colorată pe sticlă acoperită cu o emulsie fotografică (colodion). Negativele au fost preluate prin filtre verzi, roșii și albastre (soluții de săruri ale diferitelor metale). Negativele au fost apoi iluminate prin aceleași filtre, după care s-a obținut o imagine color. Apropo, experimentul lui Maxwell a fost recreat acum aproape o sută de ani de către angajații companiei Kodak. Principiul omului de știință a fost folosit de mulți ani.

Fapte interesante din viața fizicianului, matematicianului și mecanicului britanic sunt prezentate în acest articol.

James Maxwell fapte interesante

Când Maxwell avea 8 ani, mama lui a murit. Tatăl băiatului l-a crescut

Maxwell era foarte slab la aritmetică la școală.

Îi plăcea să cânte melodii scoțiene cu propriul acompaniament la chitară.

La 8 ani, a citat din memorie versete din Cartea Psalmilor.

Principalele sale lucrări sunt consacrate electricității și magnetismului.

Este considerat autorul teoriei amestecării culorilor. Anterior se credea că culoarea albă a fost obținută prin amestecarea roșu, albastru și galben, dar James a infirmat această teorie. Experimentele lui Maxwell au arătat că amestecarea culorilor galbene și albastre nu produce verde, așa cum se credea atunci, ci o nuanță roz. El a demonstrat că culorile de bază sunt verde, roșu și albastru.

Maxwell a făcut prima fotografie colorîn 1860.

În timp ce studia la Universitatea Cambridge, a fost informat că participarea la serviciile religioase era o parte obligatorie a studiilor sale. La care James a răspuns: „Ma duc să mă culc la ora asta”.

Singura componentă a reliefului planetei Venus este numită în cinstea sa - lanțul muntos Maxwell.

James Maxwell a primit funcția de profesor de fizică în 1860 și împreună cu soția sa, cu care s-a căsătorit în 1858, s-a mutat la Londra.

Vorbea fluent engleza, greaca, latina, germana, italiana si franceza.

Omul de știință era modest și timid persoană, preferând singurătatea. Divorțul de soția sa i-a exacerbat nesociabilitatea, iar Maxwell s-a îndepărtat de prietenii săi.

James Maxwell a murit la vârsta de 48 de ani din cauza cancerului.

În 1929, mult material important despre viața lui James Maxwell a fost distrus într-un incendiu la casa sa din Glenlare, la 50 de ani după moartea omului de știință.

Sperăm că din acest articol ați învățat Fapte interesante despre James Maxwell.