Yeld, then , ye rules of rigid reason
Dissolve , thou too , too solid sense !
Melt into nonsens for a season,
Then in some nobler forme condense .
Soon , all too soon , the chilly morning ,
This flow of soul will crystalize,
Than those who nonsens now are scorning
May learn , too late , where wisdom lies.
J.C.Maxwell "Serio comics verses"
Wydawnictwo Macmillan Londyn 1882.
Ten wiersz skierował Maxwell do Faradaya.
------------------------------------------------------------------------------------------
James Clerk Maxwell urodził sie 13 czerwca 1831 w Edynburgu (Szkocja) i jest
uważany obecnie jako naukowiec który przyczynił się najbardziej
do rozwoju fizyki XX wieku.
Koncept promieniowania elektromagnetycznego wraz z równaniami pola sil leżą
u podstawy teorii Einsteina.(szczególna teoria względności) ustanawiającej
równoważność energii i masy.Teorie rozchodzenia się sil posłużyły Planckowi
do postulatu mechaniki kwantowej według którego promieniowanie energii
elektromagnetycznej jest wysyłane przez skończone"masy" to znaczy quanta.
Koniec 18tego wieku znany jest z badan : Coulomba,Franklina,Galvaniego
i Volty.W 1820 Örsted ogłasza "konflikt elektryczny"(tak nazwano akcje prądów
na igle magnetyczna ") .Arago wzmacnia "siły Örsteda"proponując solenoid.
Amper zauważa ze solenoid z prądem zachowuje się tak jak igła magnetyczna
i pisze pierwsza prace teoretyczna o elektromagnetyzmie "Mémoire sur la théorie
mathématique des phénomènes électrodynamiques" ktory posłuży do napisania "
"pierwszego" równania Maxwella.
W 1825 Nobili buduje galwanometr i w tym samym czasie Ohm pisze
"Formulacja matematyczna obwodu galwanicznego" gdzie ogłoszone jest prawo
Ohma (Maxwell go uogólni jako pierwszy wzór zachowania materii). Uczeń Davy
Faraday wprowadza olbrzymia ilość nowych pojęć do elektromagnetyzmu jak
diamagnetyzm ,prąd elektryczny jako ruch ładunków , indukcje..Przede wszystkim
Faraday odrzuca idee Newtona działań na odległość i ogłasza ze środowisko w którym znajdują się ładunki elektryczne i przewodniki z prądem musi wpływać
w sposób aktywny na ich oddziaływanie (co pozwala Maxwellowi na sformułowanie teorii pól magnetycznych ) i końcu formułuje prawo " przetwarzania
magnetyzmu na elektryczność" znane dzisiaj w postaci prawa Faradaya lub
"drugiego" równania Maxwella. Pod wpływem badan Ampera i Faradaya, Maxwell dochodzi do rewolucyjnej koncepcji "pola sil elektrycznych".Oto co napisał jako młody student Trinity College "Faraday...nie uważa układu magnesów jakby ich nic nie dzieliło po za odległością jakby ich oddziaływanie zależało tylko od tej odległości.On uważa cala przestrzeń jako pole sil"
.Współczesnymi Maxwella byli
-Posson który określił teorie potencjału
-Wielki matematyk Gauss
-Lenz dający sformułowanie prawa Faradaya i kierunek prądów indukowanych.
-Helmholtz bada przetworzenia energii w polu magnetycznym
-Clausius podający drugie prawo termodynamiki.
-Kirchhoff opracowuje teorie matematyczne obwodów elektrycznych
- W. Thomson zaczyna prace nad drganiami elektrycznymi.
Najważniejszymi pracami Maxwella w dziedzinie elektromagnetyzmu sa
chronologicznie:
-On Faraday lines of forces --1861
-On physical lines of forces--1864
-Dynamical theory of the electromagnetic field--1865
-Treatise of Electricity and Magnetism--1873
Ostatnia praca Maxwella jest podsumowaniem jego badan i myślę ze wydano ja po polsku. Aby śledzić prace Maxwella o którym Einstein napisał ze chodzi tutaj "o największego fizyka od czasów Newtona" najlepiej ,moim zdaniem jest zacząć od Treatise of Magnetism and Physics opracowanej przez Hertza.Orginal czyta się bardzo ciężko ze względów na przykłady które Maxwell wybierał z żeglugi morskiej (dzisiaj mało znanej ) i szczególnie równań matematycznych w kwaternionach
Hamiltona(za jego czasów rachunek wektorowy był nie znany).Jednak po przeczytaniu opracowania Hertza które używamy obecnie można wrócić do poprzednich prac i śledzić rozumowania Maxwella .W "On Faraday lines of forces" znajdujemy pierwsze opracowanie matematyczne badan Faradaya w analogii hydraulicznej.Maxwell porównuje pole elektryczne do pola sil potencjalnych hydrodynamicznych działających w cieczach.Stad mamy dzisiaj wyrażenia wektorowe div, rot lub grad., vortex czy źródła energii.Tutaj należy zauważyć sposób modelizacji Maxwella polegający na analogii zjawiska które są uważane za ilustracje rozumowań analitycznych.Dlatego paradoksalnie wyciągane są prawidłowe formulacje matematyczne z błędnych modeli.Argumenty Maxwella sa jak najbardziej proste.Na podstawie badan Eulera ruchów płynów nie ważkich w środowisku opornym Maxwell rozwija teorie rurek zawierających źródła i "studnie" potencjału.Najważniejszymi równaniami sa tutaj bez źródłowość pola
divB =0
rotH=J
B=rotA+gradφ
Duza cześć tej pracy jest poświęcona na stan "elektroniczny" przewodnika.Maxwell za Faradayem myślał ze jeśli prąd przepływa przez przewodnik to wywołuje w sąsiednim przewodniku zamkniętym pewien "stan elektroniczny"" to znaczy zjawisko "indukcji elektrostatycznej".Tego nigdy nie zaobserwowano i dzisiaj
stan elektroniczny zapisuje sie
E =-δA/δt
Poprawiając ten wzór Maxwell dojdzie później do teorii systemów magnetycznych
w ruchu.
" Physical line of forecs" daje powiązania miedzy zjawiskami elektrycznymi magnetycznymi i galwanicznymi .Tutaj linie i rurki pola mogą byc "wycięte" w materii i w towarzyszacej jej eterze .Ksztalt lini jest zalezny od "cisnienia" ktorego
gradient jest proporcjonalny do kwadratu "natężenia sil działających (to znaczy
od natężenia pola); pard jest uważany jako os kierunku "sil magnetycznych"
i może tworzyć "vortex" około tej osi.Pole magnetyczne prądów jest rotacjonalny
co pozwala na jednoznaczna definicje prawa Ampera i Faradaya uważane przedtem jako sprzeczne.
J=-1/4Π(c rotH-εδE/δt)
Ten wzór podałem wyjątkowo w układzie CGS Gaussa gdyż on pozwala na późniejsze określenie
c√εμ=1
które według Hertza jest otrzymane z fałszywego modelu.Po tej pracy można właściwie napisać cztery równania Maxwella
" Dynamical theory of electromagnetic fields" rozpatruje najpierw rozkład pola
elektromagnetycznego w dielektrykach i wprowadza kapitalne pojęcia polaryzacji
i prądów przesunięcia ".Wewnatrz dielektryków nie ma polaryzacji (dzisiaj
powiemy przesunięcia ładunków) bo elektryzacja powierzchni jednej molekuły
jest zneutralizowana przez elektryzacje przeciwna molekuły sąsiedniej.Ale na granicy dwóch dielektryków elektryzacja nie je jest zneutralizowana wiec możnemy tu zmierzyć polaryzacje powierzchni".Na końcu Maxwell podaje rozklad energii w polu elektromagnetycznym na podstawie równań Ampera i pisze słynną definicje:
"Gdy coś jest przekazywane z jednej partykuły do drugiej jaki jest stan tego coś
po wyjściu z jednej partykuły i przed wejściem do drugiej .Jeśli to coś jest
energia potencjalna to należy je uważać jako energie w danym punkcie obszaru
a nie jako energie związana z z partykułami.Bez względu na sposób przesyłania
energii musi istnieć jakaś substancja lub jakieś środowisko w którym energia istnieje po wyjściu z jednej partykuły i przed wejściem do drugiej".
W końcu Maxwell podaje pierwsza systematyzacje jednostek CGSM i CGSE
i proponuje system "praktyczny" na bazie: 1 Oma ,1Volt ,1 Farad.
Na zakończenie zastanówmy się co zostało dzisiaj z prac Maxwella (prawie 130 lat po jego śmierci).
Jeśli zmierzymy zmiany fizyki współczesnej po pracach Plancka Einsteina ,Bohra ,de Broglie, Schrödigera ,Heisenberga...spostrzegamy prymitywność wiedzy o strukturach materii w końcu 19tego wieku.Maxwell uważał ze elektron jest mała
sfera a molekuła kula elastyczna.
Od tego czasu nie tylko wzbogaciliśmy nasza wiedzę ale szczególnie zmieniliśmy nasz pogląd na teorie fizyczne.Duzo badaczy dzieli fizykę na trzy światy:
- A świat mikroskopiczny
- B świat abstrakcyjny formulacji matematycznych
-C świat nauki inżyniera
Świat mikroskopiczny odnosi sie do wielkości nieskończenie małych jak wymiary
atomów ,masy elektronów,czas rozstrzępienia hyperonow ,ładunek elementarny...
cecha tego świata jest nieciągłość i in definicja.
Świat matematyczny fizyki i abstrakcyjnej dotyczy gęstych zbiorów wielkości
fizycznych to znaczy zbiorów odpowiadających własnością ze dla każdej pary α,β
(α<β) można znaleźć wielkość γ większa niż α i mniejsza niż β.W tym świecie
można zdefiniować funkcje ciągle i różniczkowalne.
Zmiana naszych poglądów na teorie fizyczne polega na tym ze uważamy większość sformułowań jako ważne dla tylko jednego ze światów.Maxwell nie znal
istnienia świata mikroskopicznego dla niego
B=C
Praktycznie tego rodzaju aproksymacja jest wiarygodna wszędzie gdzie możemy
zastąpić iloraz dwóch wielkości przez różniczkę.Równania Maxwella nie mogą być
podważone w świecie nauk inżyniera (makroskopicznym) chociaż dyskutuje się
bez źródłowość pola magnetycznego to znaczy brak monopoli magnetycznych.
Po raz pierwszy prawa Maxwella były sprawdzone empirycznie przez Hertza i
przetrwały do dzisiaj nawet w teorii względności.
Dla tych którzy sie dziwią rozległością zastosowania tych równań zacytuje słowa
Hertza "...mamy wrażenie ze te równania maja własne życie i własny rozsadek
ze sa mądrzejsze od nas i od samego Maxwella".
picard2
