Джеймс Клерк Максвелл

Джеймс Клерк Максвелл (; 13 шілде 1831 жыл, Эдинбург, Шотландия — 5 қараша 1879 жыл, Кембридж, Англия) — ағылшын физигі, классикалық электродинамиканы жасаушы, статистикалық физиканың негізін салушылардың бірі. Лондон корольдік қоғамының мүшесі (1860). Эдинбург (1847 — 50) және Кембридж (1850 — 54) университеттерінде оқыған. Кавендиш лабораториясын (1871 жылдан оның директоры) ұйымдастырған. Максвеллдің негізгі ғылыми еңбектері электромагнетизм, газдардың кинетикалық теориясы, оптика, серпімділік теориясы, т.б. көптеген мәселелерге арналды. Оның алғашқы зерттеулерінің бірі зат түсін көрудің физиологиясы мен физикасы және колориметрия жөніндегі еңбектері болды (1852 — 72). Максвелл дискісі деп аталған түсті сандық түрде өрнектеуге арналған алғашқы приборды жасады. Сатурн сақиналары бір-бірімен байланыспаған қатты бөлшектерден тұрғанда ғана орнықты бола алатындығын дәлелдеді (1857 — 59); Максвелл Фарадей идеясын дамыта отырып, электро-магниттік өріс теориясын (Максвелл теңдеуі) тұжырымдады; ығысу тогы туралы түсінікті енгізді; электромагниттік толқынның болатындығын алдын ала айтты; жарықтың электромагниттік табиғаты туралы тұжырым жасады. Статистикалық үлестірілуді (кейін Максвелл үлестірілуі деп аталды) ғылыми тұрғыдан дәлелдеді. Газдардың тұтқырлығын, диффузиясын және жылу өткізгіштігін зерттеді. Оптикадан (Максвелл эффектісі), серпімділік теориясынан (Максвелл теоремасы, Максвелл — Кремона диаграммасы), термодинамикадан, физика тарихынан, т.б. еңбектер жазды. Мансабы * Алғашында Эдинбург академиясында, Эдинбург университетінде (1847-1850 жылдары), содан кейін Питерхауз Кембридж университетінде (1850-1854 жылдары) және Тринити-колледжінде оқыды. * 1855 жылы Тринити-колледжі советінің мүшесі болды. * 1856-1860 жылдары Абердин университетінің Маришал-колледжінің натурал философия профессоры болды. * 1860 жылдан бастап Лондон университетінің Кингз-колледжіндегі физика және астрономия кафедрасының меңгерушісі болды. * 1871 жылы Кембридж университетінде тәжірибелік физика кафедрасын басқарды. Ол 1874 жылдың 16 маусымында ашылып, Кавендиштің атымен аталған ғылыми-зерттеу зертханасын ұйымдастырды. Ғылыми еңбектері Өзінің алғашқы ғылыми жұмысын Максвелл мектеп қабырғасында орындады, ол овал фигураларды сызудың қарапайым әдісін ойлап тапты. Бұл жұмыс Корольдық қоғамның отырысында баяндалып, оның «Еңбектерінде» басылып шықты. Максвелл Тринити-колледжі кеңесінің мүшесі болған уақытта түстер теориясы бойынша тәжірибе жасаумен айналысқан және де Юнг теориясының әрі Гельмгольцтың негізгі үш түс теориясының жалғастырушы болды. Түстерді араластыру бойынша жасаған тәжірибелерінде Максвелл айрықша құрал – зырылдауықты пайдаланды, оның дискі секторларға бөлініп, түрлі түстерге боялды (Максвелл дискі). Зырылдауықты жылдам айналдырғанда түстер араласады: егер диск түстер спектрі орналасуы бойынша боялған болса, онда ол ақ болып көрінеді, ал егер де оның бір бөлігін қызыл түске, ал екінші бөлігін сары түске бояса, ол тоқсары болып көрінеді; көк пен сарының араласуы жасыл түстің көрінісін берді. 1860 жылы Максвелл түсті қабылдау және оптика бойынша жасаған жұмыстары үшін Румфорд медалімен марапатталды. 1857 жылы Кембридж университеті Сатурн сақиналарының тұрақтылығына арналған ең жақсы жұмысқа байқау жариялады. Бұл құрылымдарды XVII ғасырда Галилей ашқан болатын, әрі бұл құрылымдар таң қаларлық табиғаттың жұмбағы болды: планета табиғаты белгісіз заттан тұратын үш тұтас концентрлі сақиналармен қоршалған болып көрінді. Лаплас олардың қатты бола алмайтындығын дәлелдеді. Математикалық талдау жасау арқылы аксвелл олардың сұйық та бола алмайтындығына көз жеткізіп, мұндай құрылым тек өзара байланыспаған метеориттердің шоғырынан тұрған жағдайда ғана тұрақты бола алады деген қорытындығы келді. Сақиналардың тұрақтылығы олардың Сатурнға тартылуы және планета мен метеориттердің өзара қозғалысы салдарынан қамтамасыз етіледі. Осы жұмысы үшін Максвелл Дж. Адамс сыйлығын алды. Максвеллдің алғашқы жұмыстарының бірі – газдардың кинетикалық теориясына арналған жұмысы. 1859 жылы ғалым Британдық қауымдастық отырысында молекулалардың жылдамдық бойынша таралуы туралы (Максвелл таралуы) баяндама жасады. Максвелл газдардың кинетикалық теориясын жасап, «еркін жол жүру ұзындығы» түсінігін енгізген ғалым Р. Клаузиустың көзқарастарын ары қарай дамытты. Максвелл газдарды ұйықталған кеңістікте бейберекет түрде қозғалатын, идеал серпімді шарлар жинағының ансамблі тәрізді қарастыру түсінігін ұстанды. Шарларды (молекулаларды) жылдамдықтары бойынша топтарға бөлуге болады, сонымен қатар стационар күйде молекулалар саны, олардың топтан шығуына да, топқа қайта енуіне де қарамастан тұрақты болып қалады. Осындай қарастырудан «бөлшектердің жылдамдық бойынша таралуы заңдылығы ең кіші квадраттар әдісі теориясында бақыланатын қателіктердің таралу заңдылығына сәйкес болады, яғни Гаусс статистикасына сәйкес» деген қорытынды туындайды. Максвелл өзінің теориясы негізінде Авогадро заңын, диффузияны, жылуөткізгіштікті, ішкі үйкелісті түсіндірді. 1867 жылы термодинамиканың екінші бастамасының статикалық табиғатын көрсетті («Максвелл ібілісі»). 1831 жылы, Максвелл дүниеге келген жылы, М. Фарадей электромагниттік индукцияның ашылуына әкелген классикалық тәжірибелер жасаумен айналысты. Электр және магниттік құбылыстардың табиғатына қатысты екі көзқарас болған кезеңнен шамамен 20 жыл өткен соң Максвелл электр және магнетизмді зерттеуге кірісті. А.М. Ампер және Ф. Нейман сынды ғалымдар электромагниттік күштерді екі массаның арасындағы гравитациялық тартылысқа ұқсас деп қарастырып, алшақ әсер ету концепциясын ұстанды. Фарадей болса, оң және теріс электр зарядтарын немесе магниттік солтүстік және оңтүстік полюстерін байланыстыратын күш сызықтары жөніндегі ойды ұстанды. Күш сызықтары барлық қоршаған кеңістікті (өріс, Фарадей терминологиясы бойынша) толтырады да магниттік және электрлік өзара әсерлесуді туындатады. Фарадейге сүйеніп Максвелл күш сызықтарының гидродинамикалық үлгісін құрастырды және Фарадейдің механикалық үлгілеріне сәйкес келетін электродинамиканың сол кезде белгілі болған қатынастарын математикалық тілде өрнектеді. Осы зерттеудің негізгі қорытындылары «Фарадейдің күш сызықтары» атты жұмысында бейнеленген. 1860-1865 жылдары Максвелл электромагниттік құбылыстардың негізгі заңдылықтарын сипаттайтын теңдеулер (Максвелл теңдеулері) жүйесі ретінде құрастырған электромагниттік өріс теориясын жасады: 1-ші теңдеу Фарадейдің электро-магниттік индукциясын білдірді; 2-шісі – ығысу тогы түсінігі негізінде Максвеллдің өзі ашқан, магнитоэлектрлік индукцияны білдірді; 3-шісі – электр мөлшерінің сақталу заңы; 4-шісі – магниттік өрістің құйындық қасиеті. Осы ойларды дамыта отырып, Максвелл мынадай қорытындыға келді: магнит және электр өрістерінің кез келген өзгерістері қоршаған кеңістікті сүзіп өтетін күш сызықтарының өзгеруін туындатуы керек, яғни ортада таралатын импульстар (немесе толқындар) болу керек. Осы толқындардың таралу жылдамдығы ортаның магниттік және диэлектриктік өтімділігіне тәуелді болып, электромагниттік бірліктің электростатикалық бірлікке қатынасымен анықталады. Максвелл мен басқа да зерттеушілердің деректері бойынша бұл қатынас 3,4·1010 см/с шамасын құрайды, әрі ол бұдан жеті жыл бұрын француз физигі А. Физо өлшеген жарық жылдамдығы шамасына жуық болды. 1861 жылдың қазан айында Максвелл Фарадейге өзінің ашқан жаңалығын мәлімдеді: жарық – ол өткізбейтін ортада таралатын электромагниттік қозу, яғни электромагниттік толқындардың бір түрі. Зерттеулердің бұл соңғы сатысы Максвеллдің «Электромагниттік өрістің динамикалық теориясы» атты жұмысында баяндалған, ал оның электродинамика бойынша жасаған жұмыстарын әйгілі «Электр және магнетизм жөніндегі трактат» шығармасында қорытындылады. Электромагниттік өріс теориясы және де одан туындайтын электромагниттік толқындардың болуы жөніндегі қорытындылар Максвеллдің өмір сүрген заманында ешқандай тәжірибелік дәлелдемелері жоқ жай ғана теориялық жағдайлар болып қалғандықтан, оны замандастары көбінде «ой ойыны» ретінде қабылдады. 1887 жылы неміс ғалымы Генрих Герц, Максвеллдің теориялық қорытындыларын толығымен дәлелдейтін тәжірибе жасады. Өмірінің соңғы жылдары Максвелл Кавендиштің қолжазбалық мұрасын баспаға шығаруға дайындаумен айналысты. Екі үлкен том 1879 жылдың қазан айында жарық көрді. Максвелл үлестірілуі Максвелл үлестірілуі — молекулаларының қозғалысы классикалық механика заңдарына (мысалы, классикалық идеал газ) бағынатын статистикалық тепе-теңдікте тұрған макроскопиялық физикалық жүйе молекулаларының жылдамдықтары бойынша үлестірілуі. Алғаш рет Джеймс Клерк Максвелл дәлелдеген (1859). Максвелл үлестірілуі бойынша жылдамдық компоненттері х-тен х+dх-ке, у-тен у+dу-ке, және z-тен z+dz-ке дейінгі интервалдарда жататын f () бірлік көлеміндегі молекулалардың ықтимал саны Максвелдің үлестірілу функциясымен: , (1) анықталады, мұндағы m — молекула массасы, n — бірлік көлемдегі молекулалар саны. Осы өрнектен жылдамдықтарының абсолюттік мәні -ден +d-ға дейінгі интервалда жататын молекула саны да Максвелл үлестірілуі деп аталады және ол мынадай түрде беріледі: dnF()d = (2) Ол ең ықтимал жылдамдық деп аталатын жылдамдығы кезінде өзінің максимумына жетеді. Сутегі молекуласы үшін Т273 К кезінде b1506 м/с. Температура жоғарылаған сайын Максвелл үлестірілуінің максимумы (b) шамасы жоғарылау температураларға қарай ығысады. Максвелл үлестірілуі молекулалар арасындағы өзара әсерге тәуелді емес және классиклық сипаттама мүмкін болған жағдайда тек газдар үшін ғана емес, сұйықтықтар үшін де орындалады. Ол, сондай-ақ, сұйықтықтағы не газдағы (қалқыған) броундық бөлшектер (Броундық қозғалыс) үшін де орынды. Максвелл үлестірілуін 1920 жылы неміс физигі О.Штерн тәжірибе жүзінде растаған. Дереккөздер