Kontakta författare

James Clerk Maxwell

Oavsett om du pratar i din mobiltelefon, tittar på ditt favorit-tv-program, surfar på webben eller använder din GPS för att vägleda dig på en resa, så är det alla moderna bekvämligheter som möjliggörs av grundläggande arbete från den skotska fysikern James Clerk från 1800-talet Maxwell. Även om Maxwell inte upptäckte elektricitet och magnetism inrättade han en matematisk formulering av elektricitet och magnetism som byggde på Benjamin Franklins, Andr -Marie Amp res och Michael Faradays tidigare verk. Denna hub ger en kort biografi om mannen och förklarar, i icke-matematiska termer, bidraget till vetenskapen och James Clerk Maxwells värld.

James Clerk Maxwells liv

James Clerk Maxwell föddes den 13 juni 1831 i Edinburgh, Skottland. Maxwell s framstående föräldrar var långt in i trettiotalet innan de gifte sig och hade en dotter som dog i barndomen innan James föddes. James s mamma var nästan fyrtio när han föddes, som var ganska gammal för en mamma under den perioden.

Maxwell s geni började dyka upp i en tidig ålder; han skrev sitt första vetenskapliga papper vid 14 års ålder. I sitt papper beskrev han ett mekaniskt sätt att rita matematiska kurvor med en bit snöre, och egenskaperna hos ellipser, kartesiska ovaler och relaterade kurvor med mer än två fokuser. Eftersom Maxwell ansågs för ung för att presentera sitt uppsats för Royal Society of Edinburgh, var det snarare närvarande av James Forbes, professor i naturfilosofi vid Edinburgh University. Maxwell s verk var en fortsättning och förenkling av sjunde århundradets matematiker Ren Descartes.

Maxwell utbildades först vid University of Edinburgh och senare vid Cambridge University, och han blev stipendiat vid Trinity College 1855. Han var professor i naturfilosofi vid Aberdeen University från 1856 till 1860 och ockuperade ordföranden för naturfilosofi och astronomi vid King's College, University of London, från 1860 till 1865.

Medan han var på Aberdeen, träffade han dotter till rektor vid Marischal College, Katherine Mary Dewar. Paret förlovades i februari 1858 och gifte sig i juni 1858. De skulle förbli gifta fram till James tidiga död, och paret hade inga barn.

Efter tillfällig pensionering på grund av en allvarlig sjukdom valdes Maxwell till den första professor i experimentell fysik vid University of Cambridge i mars 1871. Tre år senare designade han och utrustade det nu världsberömda Cavendish Laboratory. Laboratoriet fick sitt namn efter Henry Cavendish, stor farbror till universitetets kansler. Mycket av Maxwells arbete från 1874 till 1879 var redigering av en stor mängd av Cavendishs manuskript om matematisk och experimentell elektricitet.

Trots att han var upptagen med akademiska uppgifter under hela sin karriär, lyckades Clerk Maxwell kombinera dessa med nöjen från en skotsk landsherre i förvaltningen av sin familjs 1500 hektar stora egendom vid Glenlair, nära Edinburgh. Maxwells bidrag till vetenskapen uppnåddes i hans korta livstid på fyrtioåtta år, för han dog i Cambridge av magcancer den 5 november 1879. Efter en minnesgudstjänst i kapellet i Trinity College blev hans kropp begravd på familjens begravningsplats i Skottland.

Sedan Maxwells tid har den fysiska verkligheten tänkts vara representerad av kontinuerliga fält och inte kan ha någon mekanisk tolkning. Denna förändring i verklighetsuppfattningen är den mest djupgående och fruktbaraste som fysiken har upplevt sedan Newtons tid.

- Albert Einstein
Staty av James Clerk Maxwell på George Street i Edinburgh, Skottland. Maxwell håller i sitt färghjul och hans hund "Toby" är vid hans fötter.

The Rings of Saturn

Bland Maxwells tidigaste vetenskapliga arbete var hans utredning av rörelserna från Saturnus ringar; hans uppsats om denna undersökning vann Adams-priset i Cambridge 1857. Forskare hade länge spekulerat i om de tre platta ringarna som omger planeten Saturnus var solida, flytande eller gasformiga kroppar. Ringarna, som Galileo först märkte, är koncentriska med varandra och med själva planeten och ligger i Saturnus ekvatorialplan. Efter en lång period av teoretisk undersökning drog Maxwell slutsatsen att de är sammansatta av lösa partiklar som inte är ömsesidigt sammanhängande och att stabilitetsvillkoren var uppfyllda av planens och ringarnas inbördes attraktioner och rörelser. Det skulle ta över hundra år innan bilder från Voyager-rymdskeppet bekräftade att Maxwell verkligen hade haft rätt att visa att ringarna var gjorda av en samling partiklar. Hans framgång med detta arbete placerade Maxwell omedelbart i framkant av dem som arbetade i matematisk fysik under andra hälften av 1800-talet.

Voyager 1 Rymdskeppsbild av Saturnus den 16 november 1980, taget på ett avstånd av 3, 3 miljoner miles från planeten.

Färguppfattning

Under 1800-talet förstod inte människor hur människor uppfattade färger. Ögonets anatomi och hur färgerna kunde blandas för att producera andra färger förstod inte. Maxwell var inte den första att undersöka färg och ljus, eftersom Isaac Newton, Thomas Young och Herman Helmholtz tidigare hade arbetat med problemet. Maxwells undersökningar av färguppfattning och syntes började i ett tidigt skede i hans karriär. Hans första experiment utfördes med en färgtopp på vilken ett antal färgade skivor kunde monteras, vardera uppdelade längs en radie, så att en justerbar mängd av varje färg kunde exponeras; mängden mättes på en cirkulär skala runt kanten av toppen. När toppen snurrades, blandades komponentfärgerna - röd, grön, gul och blå, samt svart och vitt - så att alla färger kunde matchas.

Sådana experiment var inte helt framgångsrika eftersom skivorna inte var rena spektrumfärger och också för att effekterna uppfattade av ögat berodde på det infallande ljuset. Maxwell övervann denna begränsning genom att uppfinna en färglåda, som var ett enkelt arrangemang för att välja en varierande mängd ljus från var och en av tre slitsar placerade i de röda, gröna och violetta delarna av ett rent spektrum av vitt ljus. Med en lämplig prismatisk brytningsanordning kan ljuset från dessa tre slitsar överlagras för att bilda en sammansatt färg. Genom att variera slitsarnas bredd visades det att alla färger kunde matchas; detta bildade en kvantitativ verifiering av Isaac Newtons teori om att alla färger i naturen kan härledas från kombinationer av de tre primärfärgerna - röd, grön och blå.

Färghjulet visar blandningen av rött, grönt och blått ljus för att göra vitt ljus.

Maxwell fastställde således ämnet för färgkompositionen som en gren av matematisk fysik. Även om mycket undersökning och utveckling sedan dess har gjorts inom detta område, är det en hyllning till grundigheten i Maxwells ursprungliga forskning för att säga att samma grundprinciper för att blanda tre primärfärger används idag i färgfotografering, filmer, och tv.

Strategin för att producera projicerade bilder i full färg beskrevs av Maxwell i ett papper till Royal Society of Edinburgh 1855, publicerat i detalj i Society s Transactions 1857. År 1861 arbetade fotografen Thomas Sutton, som arbetade med Maxwell, gjorde tre bilder av ett tartanband med röda, gröna och blå filter framför kameralinsen; detta blev världens första färgfotografi.

Det första färgfotografiet gjordes med den trefärgade metoden som föreslogs av Maxwell 1855, taget 1861 av Thomas Sutton. Ämnet är ett färgat band, vanligtvis beskrivet som ett tartanband.

Kinetic Theory of Gases

Medan Maxwell är mest känd för sina upptäckter inom elektromagnetism, visades hans geni också av hans bidrag till den kinetiska teorin om gaser, som kan betraktas som grunden för modern plasmafysik. Under de tidigaste dagarna av atomteori om materien visualiserades gaser som samlingar av flygande partiklar eller molekyler med hastigheter beroende på temperatur; trycket av en gas tros orsakas av påverkan av dessa partiklar på väggarna i kärlet eller någon annan yta som utsattes för gasen.

Olika utredare hade dragit slutsatsen att medelhastigheten för en molekyl av en gas, såsom väte vid atmosfärstryck och vid temperaturen i vattenets fryspunkt var några tusen meter per sekund, medan experimentella bevis visade att molekyler av gaser inte är kapabla att resa kontinuerligt med sådana hastigheter. Den tyska fysikern Rudolf Claudius hade redan insett att rörelserna i molekyler måste påverkas kraftigt av kollisioner, och han hade redan tänkt uppfattningen om minnen fri väg, som är det genomsnittliga avståndet som korsas av en gasmolekyl innan påverkan med en annan. Det återstod för Maxwell, efter ett oberoende tankesätt, att visa att molekylernas hastigheter varierade över ett brett spektrum och följde det som sedan har blivit känt för forskare som den well Maxwelliska lagen om distribution .

Denna princip härleddes genom att anta rörelserna från en samling perfekt elastiska sfärer som rör sig slumpmässigt i ett stängt utrymme och agerar på varandra endast när de påverkade varandra. Maxwell visade att sfärerna kan delas upp i grupper beroende på deras hastigheter, och att när det stabila tillståndet uppnås förblir antalet i varje grupp detsamma även om de enskilda molekylerna i varje grupp ständigt förändras. Genom att analysera molekylhastigheter hade Maxwell utvecklat vetenskapen om statistisk mekanik.

Från dessa överväganden och från det faktum att när gaser blandas ihop deras temperaturer blir lika, drog Maxwell fast att villkoret som bestämmer att temperaturen för två gaser kommer att vara densamma är att den genomsnittliga kinetiska energin för de enskilda molekylerna i de två gaserna är likvärdig. Han förklarade också varför gasens viskositet bör vara oberoende av densiteten. Medan en minskning av densitet hos en gas ger en ökning av den genomsnittliga fria vägen, minskar den också antalet tillgängliga molekyler. I detta fall visade Maxwell sin experimentella förmåga att verifiera sina teoretiska slutsatser. Med hjälp av sin fru genomförde han experiment på gasernas viskositet.

Maxwell s undersökning av gasers molekylstruktur uppmärksammades av andra forskare, särskilt Ludwig Boltzmann, en österrikisk fysiker som snabbt uppskattade den grundläggande betydelsen av Maxwells lagar. Vid denna punkt var hans arbete tillräckligt för att säkerställa för Maxwell en utmärkt plats bland dem som har avancerat vår vetenskapliga kunskap, men hans ytterligare stora prestation den grundläggande teorin om elektricitet och magnetism var fortfarande framöver.

Rörelse av gasmolekyler i en låda. När gasens temperatur ökar, ökar också hastigheten på gasmolekylerna som springar runt lådan och av varandra.

Lagar om elektricitet och magnetism

Före Maxwell var en annan brittisk forskare, Michael Faraday, som genomförde experiment där han upptäckte fenomenen elektromagnetisk induktion, vilket skulle leda till generering av elektrisk kraft. Några tjugo år senare började Clerk Maxwell studiet av elektricitet vid en tidpunkt då det fanns två distinkta tankar om hur elektriska och magnetiska effekter producerades. Å ena sidan var matematikerna som tittade på ämnet helt ur handlingssynpunkt på avstånd, som gravitationsattraktionen där två objekt, till exempel jorden och solen, lockas till varandra utan att röra vid. Å andra sidan, enligt Faradays uppfattning, var en elektrisk laddning eller en magnetisk pol ursprunget till kraftlinjer som sprer sig i alla riktningar; dessa kraftlinjer fyllde det omgivande utrymmet och var de medel där elektriska och magnetiska effekter producerades. Kraftlinjerna var inte bara geometriska linjer utan de hade fysiska egenskaper; till exempel var kraftlinjerna mellan positiva och negativa elektriska laddningar eller mellan magnetiska poler norr och söder i ett spänningstillstånd som representerar dragkraften mellan motsatta laddningar eller poler. Dessutom representerade tätheten av linjerna i det mellanliggande utrymmet styrkans storlek.

Maxwell studerade först allt Faradays arbete och blev bekant med sina begrepp och resonemang. Därefter använde han sin matematiska kunskap för att beskriva, i det exakta språket i matematiska ekvationer, en teori om elektromagnetism som förklarade de kända fakta, men också förutspådde andra fenomen som inte skulle demonstreras experimentellt på många år. På den tiden var lite känt om naturen av elektricitet annat än vad som var förknippat med Faradays uppfattning om kraftlinjer, och dess förhållande till magnetism förstås dåligt. Maxwell visade emellertid att om tätheten för de elektriska kraftledningarna ändras skapas en magnetisk kraft vars styrka är proportionell mot den hastighet med vilken de elektriska ledningarna rör sig. Ut ur detta arbete kom två lagar som uttrycker fenomen som är förknippade med elektricitet och magnetism:

1) Faradays lag om elektromagnetisk induktion säger att förändringshastigheten i antalet magnetiska kraftledningar som passerar genom en krets är lika med arbetet som utförs för att ta en enhet av elektrisk laddning runt kretsen.

2) Maxwells lag säger att förändringshastigheten i antalet ledningar av elektrisk kraft som passerar genom en krets är lika med det arbete som utförts för att ta en enhet magnetpol runt kretsen.

Uttrycket av dessa två lagar i en matematisk form ger systemet med formler kända som Maxwells ekvationer, som utgör grunden för all elektrisk och radiovetenskap och teknik. Lagens exakta symmetri är djupgående, för om vi utbyter orden elektriska och magnetiska i Faradays lag får vi Maxwells lag. På detta sätt klargjorde och utvidgade Maxwell Faradays experimentella upptäckter och gjorde dem i exakt matematisk form.

Kraftlinjer mellan en positiv och negativ laddning.

Elektromagnetisk ljusteori

Fortsätter forskningen och Maxwell började kvantifiera att alla förändringar i de elektriska och magnetiska fälten som omger en elektrisk krets skulle orsaka förändringar längs kraftlinjerna som genomsyrade det omgivande rymden. I detta utrymme eller medium beror det elektriska fältet som induceras på den dielektriska konstanten; på samma sätt beror flödet som omger en magnetpol på mediets permeabilitet.

Maxwell visade sedan att hastigheten med vilken en elektromagnetisk störning överförs genom ett speciellt medium beror på mediets dielektriska konstant och permeabilitet. När dessa egenskaper ges numeriska värden måste man se till att de uttrycks i rätt enheter; det var genom sådan resonemang som Maxwell kunde visa att utbredningshastigheten för hans elektromagnetiska vågor är lika med förhållandet mellan den elektromagnetiska och de elektrostatiska elenheterna. Både han och andra arbetare gjorde mätningar av detta förhållande och erhöll ett värde av 186 300 mil / timme (eller 3 X 10 10 cm / sek), nästan samma som resultaten sju år tidigare i den första direkta landmätningen av ljusets hastighet av den franska fysikern Armand Fizeau.

I oktober 1861 skrev Maxwell till Faraday om sin upptäckt att ljus är en form av vågrörelse genom vilken elektromagnetiska vågor rör sig genom ett medium med en hastighet som bestäms av mediets elektriska och magnetiska egenskaper. Denna upptäckt avslutade spekulationer om ljusets natur och har gett en matematisk grund för förklaringar av ljusfenomen och tillhörande optiska egenskaper.

Maxwell följde sin tankegång och föreställde sig möjligheten att det skulle finnas andra former av elektromagnetisk vågstrålning som inte avkännas av mänskliga ögon eller kroppar, men ändå reser genom hela rymden från vilken källa till störningar de kom från. Maxwell kunde inte testa sin teori, och det återstod för andra att producera och tillämpa det stora vågområdet i det elektromagnetiska spektrumet, varav den del som upptas av synligt ljus är mycket liten jämfört med de stora banden av elektromagnetiska vågor. Det skulle ta den tyska fysikerens Rudolf Hertz arbete två decennier senare för att upptäcka vad vi nu kallar radiovågor. Radiovågor har en våglängd som är en miljon gånger den för synligt ljus, men båda förklaras av Maxwells ekvationer.

Elektromagnetspektrum från de långa radiovågorna till de ultrakorts våglängds gammastrålarna.
Elektromagnetisk våg som visar både magnetiska och elektriska fält.

Arv

Maxwell s arbete hjälpte oss att förstå fenomen från de små våglängds röntgenstrålarna som används allmänt inom medicin till de mycket längre våglängdsvågorna som möjliggör spridning av radio- och TV-signaler. Uppföljningen av Maxwells teori har gett världen alla former av radiokommunikation inklusive sändningar och tv, radar och navigationshjälpmedel, och nyligen smarttelefonen, som tillåter kommunikation på sätt som inte drömt om för en generation sedan. När Albert Einstein s teorier om rymd och tid, en generation efter Maxwell s död, upprörde nästan all klassisk fysik, förblev Maxwell s ekvation orörd s giltig som någonsin.

Från en lång syn på mänsklighetens historia från säga, tio tusen år från och med nu, kan det inte röra sig tvivel om att den viktigaste händelsen under 1800-talet kommer att bedömas som Maxwells upptäckt av elektrodynamikens lagar. .

- Richard P Feynman (fysiker)

Opinionsundersökning

Har du någonsin hört talas om James Clerk Maxwell? (Var ärlig)

  • Ja
  • Nej
  • Kanske
Se resultat

James Clerk Maxwell - A Sense of Wonder - Dokumentär

referenser

Asimov, Isaac. Asimovs biografiska encyklopedi för vetenskap och teknik . Andra reviderade upplagan. Doubleday & Company, Inc. 1982.

Mahon, Basil. Mannen som förändrade allt: James Clerk Maxwells liv. John Wiley & Sons, Ltd. 2004.

Forbes, Nancy och Basil Mahon. Faraday, Maxwell och det elektromagnetiska fältet: Hur två män revolutionerade fysiken . Prometheus Books. 2014.

Rose, RL Smith. "Maxwell, James Clerk." Colliers encyklopedi . Crowell Collier och MacMillan, Inc. 1966.

West, Doug. James Clerk Maxwell: A Short Biography: Giant of Nineteenth Century Physics (30 Minute Book Series 33) . C & D-publikationer. 2018.