Максвелл Джеймс Клерк
Джеймс Клерк Максвелл: өмірі мен ғылыми мұрасы
Джеймс Клерк Максвелл (13 маусым 1831, Эдинбург — 5 қараша 1879, Кембридж) — ағылшын физигі, классикалық электродинамиканың негізін қалаушы және статистикалық физиканың іргетасын қалаушылардың бірі. Ол Лондон Корольдік қоғамының мүшесі болды (1860).
Білімі мен қызмет жолы
Максвелл Эдинбург университетінде (1847–1850) және Кембридж университетінде (1850–1854) білім алды.
- Абердиндегі Маришал-колледжде профессор (1856–1860)
- Лондон университетінде профессор (1860–1865)
- Кембридж университетінде профессор (1871 жылдан)
Кембриджде ол Кавендиш зертханасын ұйымдастырып, 1871 жылдан бастап оның директоры қызметін атқарды.
Зерттеу бағыттары
Максвеллдің ғылыми еңбектері электромагнетизм, газдардың молекула-кинетикалық теориясы, оптика, серпімділік теориясы сияқты көптеген салаларды қамтыды.
Электродинамика
Ығысу тогы ұғымын енгізіп, электромагниттік өрістің заңдарын төрт дифференциалдық теңдеу түрінде тұжырымдады (Максвелл теңдеулері).
Оптика
Электромагниттік құбылыстарды талдай отырып, жарықтың электромагниттік табиғатын көрсетті (1865).
Кинетикалық теория
Идеал газ молекулаларының жылдамдық бойынша таралуын статистикалық түрде алғаш шешкендердің бірі болды.
Ғылыми коммуникация
Британ энциклопедиясына көптеген мақалалар жазды, сондай-ақ Г. Кавендиштің электр туралы қолжазбаларын кең түсіндірмемен жариялады (1879).
Негізгі идеялар: электромагниттік толқындар және жарық қысымы
Максвелл теңдеулерінен электромагниттік толқындардың болуы туралы қорытынды шығады. Бұл болжамды кейінірек тәжірибе жүзінде Г. Герц дәлелдеді.
Сонымен қатар Максвелл жарық қысымының болуы мүмкін екенін теориялық тұрғыдан болжады. Оны 1895 жылы П. Н. Лебедев тәжірибе арқылы өлшеді.
Максвелл теңдеулері: өріс пен көздердің байланысы
Максвелл теңдеулері — кез келген ортадағы электромагниттік құбылыстарды сипаттайтын классикалық макроскопиялық электродинамиканың іргелі теңдеулері. Оларды 19 ғасырдың 60-жылдары Дж. К. Максвелл эмпирикалық заңдарды жалпылау негізінде қорытып шығарды. Қазіргі кең қолданылатын түрі Г. Герц пен О. Хевисайд еңбектерінде нақтыланған.
Өріс шамалары
Бос кеңістікте электромагниттік өріс әдетте электр өрісінің кернеулігі E және магнит индукциясы B арқылы сипатталады. Бұл шамалар заряд пен токқа өрістің әсер ететін күшін анықтайды.
Көздер (заряд пен ток)
Заряд пен токтың кеңістікте таралуы заряд тығыздығы ρ (мәтінде q) және ток тығыздығы j арқылы беріледі.
Материалдық орта
Заттағы процестерді сипаттау үшін E және B векторларымен қатар орта қасиеттеріне тәуелді қосымша шамалар енгізіледі: электр индукциясы D және магнит өрісінің кернеулігі H.
Интегралдық және дифференциалдық түрлері
Максвелл теңдеулері интегралдық немесе дифференциалдық түрде жазылады. Интегралдық түрде теңдеулер өріс векторларының әр нүктедегі мәнін тікелей қарастырмай, тұйық контурлар мен тұйық беттер арқылы алынатын интегралдық шамаларды сипаттайды:
- E және H векторларының тұйық контур бойынша циркуляциясы
- B және D векторларының тұйық бет арқылы ағыны
Ығысу тогы: Максвелл енгізген шешуші толықтыру
Электр өрісінің уақыт бойынша өзгеру жылдамдығына пропорционал шаманы Максвелл ығысу тогы деп атады. Оның гипотезасы бойынша, өткізгіштік ток сияқты ығысу тогы да магнит өрісін тудырады. Бұл болжам кейін тәжірибе жүзінде расталды.
Өткізгіштік ток пен ығысу тогының қосындысы толық ток деп аталады және ол әрқашан тұйық ток болып табылады.
Мәтінде вакуумдағы жарық жылдамдығы тұрақтысы ретінде c берілген (дәстүрлі түрде c ≈ 3·10¹⁰ см/с).
Теңдеулердің физикалық мазмұны (қысқаша)
1) Ампер–Максвелл заңы
Магнит өрісінің H векторының тұйық контур бойынша циркуляциясы берілген контурмен шектелген бет арқылы өтетін толық токпен анықталады (өткізгіштік ток + ығысу тогы).
2) Фарадей индукция заңы
Электр өрісінің E векторының тұйық контур бойынша циркуляциясы сол контурмен шектелген бет арқылы өтетін магнит ағынының уақыт бойынша өзгеруімен анықталады. Теріс таңба Ленц ережесіне сәйкес келеді.
3) Магнит өрісі үшін Гаусс заңы
Кез келген тұйық бет арқылы өтетін магнит индукциясы B ағыны нөлге тең. Бұл еркін магнит зарядтарының (магниттік монополдардың) жоқтығын көрсететін тәжірибелік деректермен үйлеседі.
4) Электр өрісі үшін Гаусс заңы
Электр индукциясы D векторының тұйық бет арқылы ағыны сол бет ішінде орналасқан электр зарядтарының қосындысымен анықталады. (Бастапқы мәтінде бұл бөлік толық берілмеген.)