Электронная книга: Джеймс Клерк Максвелл «Труды по кинетической теории»

Джеймс Клерк Максвелл

Джеймс Клерк Максвелл
James Clerk Maxwell
Дата рождения:	13 июня 1831
Место рождения:	Эдинбург, Шотландия
Дата смерти:	5 ноября 1879
Место смерти:	Кембридж, Англия
Научная сфера:	физика

Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл (англ. James Clerk Maxwell; 13 июня 1831, Эдинбург — 5 ноября 1879, Кембридж) — британский физик.

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).

В 1855 стал членом совета Тринити-колледжа. В 1856—1860 был профессором натуральной философии Маришал-колледжа Абердинского университета. В 1858 женился на Кэтрин Мэри Дьюар, дочери главы Маришаль-колледжа Даниэля Дюара.

С 1860 возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета.

В 1865 в связи с серьёзной болезнью (оспа) Максвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместье Гленлэр близ Эдинбурга. Продолжал заниматься наукой, написал несколько сочинений по физике и математике.

В 1871 в Кембриджском университете возглавил кафедру экспериментальной физики. Организовал научно-исследовательскую лабораторию, которая открылась 16 июня 1874 и была названа Кавендишской — в честь Г. Кавендиша.

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.

В 1857 году Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна. Эти образования были открыты Галилеем в начале XVII века и представляли удивительную загадку природы: планета казалась окружённой тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. Лаплас доказал, что они не могут быть твёрдыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришёл к заключению, что подобная структура может быть устойчивой только в том случае, если состоит из роя не связанных между собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов. За эту работу Максвелл получил премию Дж. Адамса.

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*10¹⁰ 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.

Другие достижения и изобретения

• Изобрёл волчок, поверхность которого, окрашенная в разные цвета, при вращении образовывала самые неожиданные сочетания. При смешении красного и жёлтого получался оранжевый цвет, синего и жёлтого — зелёный, при смешении всех цветов спектра получался белый цвет — действие, обратное действию призмы — «диск Максвелла».
• Описал термодинамический парадокс, много лет не дававший покоя физикам — «демон Максвелла».
• В кинетическую теорию были введены им «распределение Максвелла» и «статистика Максвелла – Больцмана».
• «Число Максвелла»
• Кроме того, Максвелл создал множество небольших шедевров в самых разнообразных областях — от осуществления первой в мире цветной фотографии до разработки способа радикального выведения с одежды жировых пятен. ^[1]

Библиография

• Владимир Карцев Максвелл (ЖЗЛ)

Примечания

1. ↑ Карцев В. «Приключения великих уравнений», 1978

Литература

Сочинения

• Максвелл Дж. К. Теория теплоты. СПб., 1888.
• Максвелл Дж. К. Речи и статьи. М.–Л.: 1940.
• Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М.: Изд. АН СССР, 1954.
• Максвелл Дж. К. Статьи и речи. М.: Наука, 1968.
• Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. В 2-х томах. М.: Наука, 1989. Том 1. Том 2.

О нём

• Карцев В.П. Максвелл. (из серии "Жизнь замечательных людей") М.: Молодая гвардия, 1974.

Ссылки

• Джон Дж. О’Коннор и Эдмунд Ф. Робертсон. Максвелл, Джеймс Клерк в архиве MacTutor
• Работы James Clerk Maxwell в проекте «Гутенберг»

Источник: Джеймс Клерк Максвелл