5-дәріс. Ұлы ғалым Ньютонның және оның ғылыми жолы
Д.К. Максвелл және оның электромагниттік теориясы
жүктеу/скачать 12,34 Mb.
|
| Д.К. Максвелл және оның электромагниттік теориясы
Джеймс Клерк Максвелл (21-сурет) (1831-1879 жж.) атақты Клерк тұқымынан шыққан шотландтық ақсүйектің отбасында Эдинбург қаласында 1831 жылдың 13 маусымында дүниеге келген. Оның әкесі Джон Клерк Максвелл Оңтүстік Шотландиядағы атақты Миддлби тегіне ие болған.
өмірінде маңызды өзгерістер болды. 1858 ж. ақпан айында оның Маришаль-колледжінің директоры, шіркеу тарихшысының профессоры Дэниел Дьюрардың кіші қызы Кэтрин Мэри Дьюрармен некелесуі, содан кейін маусымда уйлену тойы болды. Үйлену тойынан кейін Максвелл Тринити-колледжі кеңесінің мүшесінен шығарылды, өйткені үйленбестік сертінен тайды. Өзінің алғашқы ғылыми жұмысын Максвелл мектеп қабырғасында орындады, ол сопақ фигураларды сызудың қарапайым әдісін ойлап тапты. Бұл жұмыс Корольдық қоғамның отырысында баяндалып, оның «Еңбектерінде» басылып шықты. Алғашында Эдинбург Академиясын бітіріп, адвокаттық әкімшіліктің мүшесі болды, бірақ құқықтануға кызығушылығы болмағандықтан,ол бос уақытында ғылым мен техникаға көп көңіл бөледі. 1847 ж. Академияны бітірген соң қараша айында Максвелл Эдинбург Университетіне түседі. Ол жерде математик Филипп Калленданың, философ У. Гамильтонның, дәрістерін тыңдайды. Өзінің оқу барысында бірқатар мақала жариялады, қисықтық тербелу механикалық материалдың қасиетін поляризацияланған жарық көмегімен алуды зерттеді. Бұл тәжірибесінің барысында ол 1847 ж. көктемінде Уильям Никольмен танысып, ол өзі құрастырған 2 поляризациялық құралды (Николь призмасы) сыйға тартады. Қатты дене ішіндегі кернеуді анықтап, поляризацияланған жарық арқылы алуға болатынын Максвелл түсінді (22-сурет).
Содан кейін Питерхауз Кембридж университетінде (1850-1854 жж.) және Тринити-колледжінде оқыды. 1855 жылы Тринити-колледжі кеңесінің мүшесі болды. Максвелл Тринити-колледжі кеңесінің мүшесі болған уақытта Түстер теориясы бойынша тәжірибе жасаумен айналысқан және де Юнг теориясының әрі Гельмгольцтің 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 егерде 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 Максвелл олардың сұйық та бола алмайтындығына көз жеткізіп, мұндай құрылым тек өзара байланыспаған метеориттердің шоғырынан тұрған жағдайда ғана тұрақты бола алады деген қорытындыға келді. Сақиналардың тұрақтылығы олардың Сатурнға тартылуы және планетамен метеориттердің өзара қозғалысы салдарынан қамтамасыз етіледі. Осы жұмысы үшін Максвелл Дж. Адамс сыйлығын алды. Максвеллдің алғашқы жұмыстарының бірі – газдардың кинетикалық теориясына арналған.
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»). Ол біршама басқарушы жүйеден тұрады. Яғни энтропия жүйесін ешқандай күш жұмсаусыз азайтуға болатын қабілетке ие.
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 жж. Максвелл электромагниттік құбылыстардың негізгі заңдылықтарын сипаттайтын теңдеулер (Максвелл теңдеулері) жүйесі ретінде құрастырған электромагниттік өріс теориясын жасады: 1-ші теңдеу – Фарадейдің электромагниттік индукциясын білдірді; 2-ші теңдеу – ығысу тогы түсінігі негізінде Максвеллдің өзі ашқан, магнитэлектрлік индукцияны білдірді; 3-ші теңдеу – электр мөлшерінің сақталу заңы; 4-ші теңдеу –магниттік өрістің құйындық қасиеті. Электр тогы өзінің айналасында магнит өрісін тудырады, бұған кері құбылыс та белгілі, яғни магнит өрісі белгілі жағдайларда электр тогын туғызады. Бұл құбылысты 1831 жылы Фарадей ашып, оны электрмагниттік индукция деп атады. Металл өткізгіштегі уақыт бойынша өзгермелі ток диэлектрикте тұйық тогы арқылы тұйықталады. Максвелл мұндай айнымалы электр өрісін ығысу тогы деп атайды. Егер конденсатор батареядан тұратын тізбекке амперметр ролін атқаратын шамдарды жалғап, тізбек жинасақ, бұл контур конденсаторда ажырап тұрады да, оның бойымен ток жүреді (25-сурет).
Максвелл барлық жағдайда электромагниттік индукция ЭҚК контурымен шектелетін аудан арқылы өтетін магнитті ағынның өзгеру жылдамдығына пропорционал болатындығын анықтады, яғни ε=-dφ/dτ. Бұл формула Максвелл тұжырымдаған электромагниттік индукцияның негізгі заңы болып табылады Электромагниттік индукция кезінде пайда болған электр өрісінің кернеулік сызықтары үздіксіз, яғни ол құйынды өріс болып табылады: оны сандық түрде көруімізге болады 26 сурет. - Магнит өрісі мен құйынды электр өрісі Бұл қатынас өзгермелі магнит өрісі (В) мен құйынды электр өрісінің арасындағы сандық байланысты сипаттайды да, Максвелл теориясының негізгі теңдеулерінің бірі болып табылады (26 сурет). 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. Электр және магнит өрістері осы біртұтас электромагниттік өрістің жекелеген көрінісі. Электромагниттік өрістің жүйелі теориясын 1855-1956 жж. Дж.Максвелл құрды. 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 қорытындады (27-сурет). 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.
серпiмдiлiк теориясына арналған. 1859 ж. газ молекулаларының жылдамдық бойынша таралуын сипаттайтын статистикалық заңды орнатты. Максвелдiң ең үлкен ғылыми жетiстiгi болып 1860-1865 жж. құрылған электромагниттiк өрiс теориясы табылады. 1873 ж. жарық қысымын теориялық түрде есептедi. Сонымен қатар, серпiмдiлiк теориясының теоремасын берiп, жылулық физиканың негiзгi параметрлерiнiң арасындағы қатынасты орнатты. жүктеу/скачать 12,34 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|