Доклад на Джеймс Максуел
Детство и ученически години
Университет на Единбург ……………………………………………………….4
Абърдийн. 1856-1860 ………………………………………………………………… 7 Трактат за пръстените на Сатурн
Лондон - Гленларе. 1860-1871 ………………………………………………….9
Първата цветна снимка
Механичен модел Максуел
Електромагнитни вълни и електромагнитна теория на светлината
Списък на използваната литература ………………………………………..13
Детство и ученически години
Когато Джеймс беше на осем, майка му почина и той остана с баща си. Детството му е изпълнено с природа, общуване с баща му, книги, истории за роднини, "научни играчки", първите "открития". Роднините на Джеймс се притесняваха, че той не получава систематично образование: случайно четене на всичко, което има в къщата, уроци по астрономия на верандата на къщата и в хола, където Джеймс и баща му построиха "небесен глобус". След неуспешен опит да учи при частен учител, от когото Джеймс често бягал за по-вълнуващи занимания, било решено да го изпрати да учи в Единбург.
Кралското дружество в Единбург променя живота на Джеймс: там той получава първите си концепции за пирамидата, куба и други правилни полиедри. Съвършенството на симетрията, правилните трансформации на геометричните тела промениха концепцията на Джеймс за преподаване - той видя в преподаването зрънцето на красотата и съвършенството. Когато дойде време за изпитите, студентите от академията бяха изумени - "Глупакът", както наричаха Максуел, стана един от първите.
През 1847 г. обучението в Единбургската академия завършва, Джеймс е един от първите, обидите и тревогите от първите години са забравени.
След като завършва академията, Джеймс постъпва в Университета в Единбург. В същото време започва да проявява сериозен интерес към оптикатаизследвания. Твърденията на Брустър доведоха Джеймс до идеята, че изследването на пътя на лъчите може да се използва за определяне на еластичността на средата в различни посоки, за откриване на напрежения в прозрачни материали. По този начин,
Фиг. 1 Модел на напрежение в триъгълник на стела, получен от Джеймс с помощта на поляризирана светлина.
изследването на механичните напрежения може да се сведе до оптично изследване. Два лъча, разделени в напрегнат прозрачен материал, ще взаимодействат, създавайки характерни цветни картини. Джеймс показа, че цветните картини са доста естествени по природа и могат да се използват за изчисления, за проверка на предишни изведени формули, за извеждане на нови. Оказа се, че някои от формулите са грешни или неточни или трябва да бъдат коригирани.
Нещо повече, Джеймс успя да разкрие модели в случаите, когато преди това нищо не можеше да се направи поради математически трудности. Прозрачният и натоварен незакален стъклен триъгълник (фиг. 1) даде на Джеймс възможността да изследва напреженията и в този неизчислим случай.
Деветнадесетгодишният Джеймс Клерк Максуел за първи път се качи на подиума на Кралското дружество в Единбург. Докладът му не можеше да остане незабелязан: той съдържаше твърде много ново и оригинално.
Опитвайки се да създаде теория, Максуел решава да използва метода на физическите аналогии за изследване. На първо място, беше необходимо да се намери правилната аналогия. Максуел винаги се е възхищавал, а след това е забелязал съществуващата аналогия между въпросите за привличането на електрически заредени тела и проблемите на постоянния пренос на топлина. Това, както и идеите на Фарадей за действие на къси разстояния, магнитното действие на Ампер на затворени проводници, Джеймс постепенно вгражда в новтеория, неочаквано и смело.
Продължавайки да търси аналогия, Джеймс сравнява силовите линии с потока на някаква несвиваема течност. Теорията на тръбите от хидродинамиката направи възможно замяната на силовите линии със силови тръби, което лесно обясни експеримента на Фарадей. Концепциите за съпротивление, явленията на електростатиката, магнитостатиката и електрическия ток лесно и просто се вписват в рамката на теорията на Максуел. Но феноменът на електромагнитната индукция, открит от Фарадей, не се вписва в тази теория.
Трактат за пръстените на Сатурн
Фиг.2 Сатурн. Снимка, направена с 36-инчов рефрактор в обсерваторията Лик.
Фиг.3 Механични модели, илюстриращи движението на пръстените на Сатурн. Чертежи от есето на Максуел "За стабилността на въртенето на пръстените на Сатурн"
Лондон - Гленлаър 1860-1871
Първата цветна снимка
През 1860 г. започва нов етап в живота на Максуел. Той е назначен за професор по естествена философия в King's College London. Kings College по отношение на оборудването на своите физични лаборатории изпревари много университети в света. Тук Максуел не само преподава курс по приложна физика през 1864-1865 г., но тук се опитва да организира учебния процес по нов начин. Учениците учеха чрез експерименти. В Лондон Джеймс Клерк Максуел за първи път вкусва от плодовете на признанието си за велик учен. За изследване на смесването на цветовете и оптиката Кралското общество награди Максуел с медала Румфорд. На 17 май 1861 г. на Максуел е предложена високата чест да изнесе лекция пред Кралския институт. Темата на лекцията е „За теорията за трите основни цвята“. В тази лекция, като доказателство за тази теория, за първи път на света беше показана цветна снимка!
В края на Абърдийнския период и в начЛондон, Максуел имаше, наред с оптиката и електричеството, ново хоби - теорията за газовете. Работейки върху тази теория, Максуел въвежда във физиката такива понятия като "вероятно", "това събитие може да се случи с по-голяма степен на вероятност".
Имаше революция във физиката и много слушатели на докладите на Максуел на годишните срещи на Британската асоциация дори не го забелязаха. От друга страна, Максуел се доближава до границите на механичното разбиране на материята. И ги кръстоса. Заключението на Максуел за господството на законите на вероятността в света на молекулите засяга най-фундаменталните основи на светогледа. Твърдението, че светът на молекулите е „случайно доминиран“, беше в своята дързост едно от най-великите постижения на науката.
Механичен модел Максуел
Работата в King's College вече изискваше много повече време, отколкото в Aberdeen - курсът на лекции продължаваше девет месеца в годината. По това време обаче трийсетгодишният Джеймс Клерк Максуел скицира плана за бъдещата си книга за електричеството. Това е зародишът на бъдещия трактат. Той посвещава първите глави от нея на своите предшественици: Ерстед, Ампер, Фарадей. Опитвайки се да обясни теорията на Фарадей за силовите линии, индукцията на електрически токове и теорията на Ерстед за вихровия характер на природата на магнитните явления, Максуел създава свой собствен механичен модел (фиг. 5).
Моделът представлява редици от въртящи се в една посока молекулни вихри, между които е поставен слой от най-малките сферични частици, способни да се въртят. Въпреки тромавостта си, моделът обяснява много електромагнитни явления, включително електромагнитната индукция. Моделът беше сензационен, тъй като обясняваше теорията за действието на магнитно поле под прав ъгъл спрямо посоката на тока, формулирана от Максуел("правилото на гимлета").
Фиг. 4 Максуел елиминира взаимодействието на съседни вихри A и B, въртящи се в една и съща посока, като въвежда „празен ход“ между тях
Фиг.5 Механичният модел на Максуел за обяснение на електромагнитните явления.
Електромагнитни вълни и електромагнитна теория на светлината
Продължавайки експериментите с електромагнити, Максуел се доближава до теорията, че всякакви промени в електрическите и магнитните сили изпращат вълни, разпространяващи се в пространството.
След поредицата от статии "За физическите линии" Максуел вече разполагаше с целия материал за изграждане на нова теория на електромагнетизма. Сега за теорията на електромагнитното поле. Скоростите и вихрушките са напълно изчезнали. Полевите уравнения бяха за Максуел не по-малко реални и осезаеми от резултатите от лабораторните експерименти. Сега както електромагнитната индукция на Фарадей, така и токът на изместване на Максуел са получени не с помощта на механични модели, а с помощта на математически операции.
Според Фарадей промяната в магнитното поле води до появата на електрическо поле. Вълна в магнитното поле предизвиква вълна в електрическото поле.
Прилив на електрическа вълна поражда прилив на магнитна вълна, така че за първи път от перото на тридесет и три годишен пророк електромагнитните вълни се появяват през 1864 г., но все още не във формата, в която ги разбираме сега. Максуел говори в статия от 1864 г. само за магнитни вълни. Електромагнитна вълна в пълния смисъл на думата, включваща както електрически, така и магнитни смущения, се появява в Максуел по-късно, в неговата статия през 1868 г.
В друга статия на Максуел - "Динамична теория на електромагнитното поле" - електромагнитната теория на светлината, очертана още по-рано, придобива ясен контур и доказателства. Въз основа на собственитепроучвания и опит на други учени (и най-вече на Фарадей) Максуел заключава, че оптичните свойства на средата са свързани с нейните електромагнитни свойства, а светлината не е нищо друго освен електромагнитни вълни.
През 1865 г. Максуел решава да напусне King's College. Той се установява в семейното си имение Гленмар, където се занимава с основните произведения на живота - Теорията на топлината и Трактата за електричеството и магнетизма. Цялото време е посветено на тях. Това бяха годините на отшелничество, годините на пълно откъсване от суматохата, служещи само на науката, най-плодотворните, ярки, творчески години. Въпреки това Максуел отново е привлечен да работи в университета и той приема предложение, направено му от университета в Кеймбридж.
През 1870 г. херцогът на Девъншър декларира пред Сената на университета желанието си да построи и оборудва лаборатория по физика. И трябваше да се оглави от световноизвестен учен. Този учен беше Джеймс Клерк Максуел. През 1871 г. той започва работа по оборудването на известната лаборатория Кавендиш. През тези години най-накрая е публикуван неговият "Трактат за електричеството и магнетизма". Повече от хиляда страници, където Максуел дава описание на научни експерименти, преглед на всички теории за електричеството и магнетизма, създадени дотогава, както и "Основни уравнения на електромагнитното поле". Като цяло основните идеи на Трактата не бяха приети в Англия, дори приятелите не го разбраха. Идеите на Максуел бяха подхванати от младите. Теорията на Максуел прави голямо впечатление на българските учени. Всеки знае ролята на Умов, Столетов, Лебедев в развитието и укрепването на теорията на Максуел.
През 1870 г. Максуел е избран за почетен доктор по литература от Единбургския университет, през 1874 г. - за чуждестранен почетен член на Американската академия за изкуства и науки в Бостън, през 1875 г. - за член на Американскатафилософско общество във Филаделфия, а също така става почетен член на академиите в Ню Йорк, Амстердам, Виена. През следващите пет години Максуел редактира и подготвя за публикуване двадесет комплекта ръкописи на Хенри Кавендиш.
През 1877 г. Максуел усеща първите признаци на заболяване и през май 1879 г. изнася последната си лекция пред своите студенти.