Основоположник сучасної радіотехніки і радіоелектроніки

Основоположник сучасної радіотехніки і радіоелектроніки

Ян Шнейберг.

Галилей і Ньютон заклали основи механічної картини мира, Фарадей і Максвелл — основи електромагнітної картины.

А. Эйнштейн Часть 1.

В 1901 р. провідний американський електротехнічний журнал Electrical World and Engineer опублікував результати своєрідного конкурсу, організованого до наступу нового, ХХ в., поширивши анкети серед майже 300 науковців і техніки і великих промисловців. У анкетах потрібно було вказати прізвища 25 найвидатніших вчених і електротехніків світу. Серед переможців конкурсу був, звісно, і Максвелл; його портрет разом із портретами Фарадея і Едісона було вміщено у журнале.

Необыкновенные здібності Максвелла проявилися ще у шкільні роки: і було 14 років, що його перша наукові праці була доложена на засіданні Единбурзького Королівського суспільства, та був опублікована «Працях» цього общества.

После блискучого закінчення 1854 р. Кембриджського університету почалася наукова і педагогічна діяльність Максвелла, вражаюча широтою і розмаїттям її інтересів: гідравліка і оптика, астрономія і теорія теплових явищ, кінетична теорія газів і, нарешті, фундаментальні дослідження електричних і магнітних явищ. У межах своїх працях «Про Фарадеевых силових лініях», «Про фізичних лініях сил» і «Динамічна теорія поля» (1855−1865) він докладно викладає основи розробленої їм теорії електромагнітного поля і вперше наводить рівняння цього поля.

Величайшей заслугою Максвелла є математична завершеність праць Фарадея, запровадження терміна «електромагнітне полі», що слугує носієм електромагнітної енергії. Він передбачив існування електромагнітних хвиль й у своєму відомому «Трактаті по електрики і магнетизму» сформулював основні закони електромагнітного поля була в вигляді векторних рівнянь, відомі як «рівняння Максвелла» і дуже які у наші дні. На рівняннях Максвелла грунтується вся сучасна радіотехніка і радіоелектроніка. Важко сьогодні уявити, аби такі «перли людську думку», як електромагнітне його рівняння, электромагнитная теорія світла, тиск світла, могли сформуватися у голові одного человека.

Труды Максвелла набагато випередили його час, не випадково электромагнитная теорія не відразу була зрозуміла і оцінена його сучасниками. Тільки через 10 років по смерті вченого Р. Герц створив вібратор і резонатор, з допомогою яких отримав електромагнітні хвилі і досліджував їх властивості. У наступні роки стала очевидною велич і безсмертя творінь Максвелла.

Первый наукова праця чотирнадцятирічного школьника

В історії всього людства трапляються надзвичайні збіги: у серпні 1831 р. видатний англійський фізик М. Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, ознаменовавшее початок нової доби історія електромагнетизму, і майже до того ж час, у червні, в Единбурзі у ній члена Единбурзького Королівського суспільства Джона Клерка Максвелла народився син Джеймс — майбутній великий фізик, який додав відкриттям Фарадея сувору математичну форму, що заклав підвалини сучасної електродинаміки і радиоэлектроники.

До 10 років Джеймс, рано позбавившись матері, жив у шотландському маєтку батька, одному з чудесних куточків природи, березі річки, оточеній полями і озерами. Батько й син були великі друзями, відрізнялися скромністю і доброзичливістю. З ранніх років батько прищеплював синові інтерес до природознавства, явищ природи. У на відміну від багатьох своїх ровесників Джеймс захопився астрономією і спостерігав в подаровану батьком зорову трубу небесні світила; у майбутньому цьому загадкового, невідомому світу він присвятить чимало своїх наукових досліджень. Одночасно Джеймс багато читає, запам’ятовуючи найцікавіше — на все життя міг прочитати напам’ять вірші різних лет.

Получив хорошу домашню освіту, Джеймс в 1841 р. вступив у Эдинбургскую академію, середнє навчальний заклад типу гімназії, відоме як «школа для обраних». Через півроку Джеймс разом із татом відвідали Эдинбургское королівське товариство, де виставили перші «електричні машини», з яким міцно пов’язана все життя юнаки. У п’ятому класі Джеймс захоплюється геометрією і математикою, виготовляє з картону різноманітні многогранники-пирамиды, куби, пізнаючи красу геометричних постатей. Його здібності було виявлено викладачами і однокласниками. Виявилося, такі постаті, як квадрат, коло, еліпс можуть бути описані математически.

Бесконечные пошуки привели юнака до ідеї малювання овалів, що прикрашали похоронні урни етрусків. З допомогою «забавного ниткового циркуля» і шпильок миттєво виходить овал. Батько й знайомий митець із подивом відзначили, як раніше було невідомо настільки простого способу. Невдовзі відомий член Шотландской академії наук визнав, що придуманий Джеймсом метод побудови многофокусных постатей раніше був невідомий і тому заслуговує вистави як відкриття на засіданні Единбурзького Королівського суспільства. Чотирнадцятирічний хлопчик у чорній курточці став автором наукової статті у «Працях Единбурзького Королівського суспільства». Особливе здивування викликало твердження фахівців, що метод Джеймса виявився простішим, ніж запропонований свого часу Декартом метод побудови багатогранних фигур.

Бесспорно, це зіграв чималу роль розвитку таланту Максвелла, проявившегося пізніше у оригінальному фізичному і математичному поясненні багатьох явищ. Не випадково наукова стаття Джеймса відкривала перше двотомне збори його наукових трудов.

В формуванні мощі інтелекту Максвелла, стає дедалі більш зростаючій віри в необмежені можливості пізнання невідомих явищ природи у вигляді математичних розрахунків виняткову роль зіграла захоплююча історія відкриття планети Нептун в 1846 р. Було переконливе доказ сили закону тяжіння Ньютона та її теорії руху планет.

В 1821 р. молодий англійський астроном Дж. Адамс зацікавився публікаціями таблиць про рух планети Уран, які свідчать про впливом геть це рух невідомого небесного тіла, очевидно, планети. Через війну багаторічних обчислень зоряних координат гаданого перебування планети йому належить область космічного простору, де можна знайти цю планету з допомогою потужного телескопа. Будучи патріотом своєї країни, Адамс хотів, щоб відкриття загадкової планети неодмінно було зроблено англійським астрономом, і щоб він носила англійське назва і було «приєднана» до англійської короні. Зафіксувавши свої обчислення у спеціальній меморандумі в 1841 р., Адамс вирішив звернутися по допомогу до головному королівському астрономові й лише у 1845 р. передав свої матеріали, а Грінвічську обсерваторію до відома інших англійських астрономів, які знали про його роботі.

Но як це часто буває історія найбільших відкриттів, незалежно від Адамса, але згодом його, у липні 1846 р., французький астроном У. Леверрье, провівши аналогічні обчислення, негайно сповістив звідси астрономів інших країнах. За дві місяці німецький астроном І. Галле знайшов у зазначеному Леверрье ділянці неба раніше не відому планету.

Английская громадськість була обурена безпорадністю і легкодумством Адамса і Королівського астронома, вчасно не які повідомили про видатного відкритті. Між англійцями і французами виникла суперечка про пріоритет, і будівництва нової планеті довелося дати «нейтральне» назва Нептун.

«Достойный чоловік» в науке

В 1847 р. Максвелл вступив у Единбурзький університет, де викладали першокласні педагоги й відомі вчені - фізики, математики, філософи. Вони одразу звернули увагу до широко освіченого здатного студента, залучили його до наукових досліджень. Він — пише змістовні трактати і як завдання, у яких фізичні і математичні поняття знаходили відчутну реальність, допомагали глибше зрозуміти явища природи. Під час літніх канікул Джеймс влаштував на мансарді вдома лабораторію і робив цікавими оптико-механическими експериментами. У 1850 р. дев’ятнадцятирічний студент виступив із доповіддю на засіданні Единбурзького Королівського суспільства, у якому дав оригінальні рішення 14 завдань в галузі опору матеріалів. За висновком професорів їх виступив не хлопчик у науці, а «гідний чоловік».

За роки навчання у університеті Джеймс прочитав і законспектировал десятки ґрунтовних праць видатних мислителів та закордонних вчених, від Лукреція, Цицерона і Геродота до «Оптики» і «Обчислення нескінченно малих» Ньютона, «Аналітичної теорії тепла» Фур'є, «Диференціального обчислення» Коші, «Геометрії» Монжа, твори Канта, Бернуллі і багатьох других.

Весь цей неоціненний скарб знань надзвичайно збагачує його, викликає потреба у осмисленні складних процесів і явищ. Джеймс стверджує, що тільки за вивченні першоджерел «…можна побачити момент зародження ідеї та її розвитку». Він неухильно дотримується цієї сировини впродовж всієї жизни.

Можно лише дивуватися незвичним схильностям і природної обдарованості Джеймса, який, ще досягнувши 20-річного віку, як зумів опанувати воістину гігантськими знаннями, а й осмислити їх настільки, що вільно обговорював багато наукових проблеми з своїми професорами людьми й колегами. Усім, хто знав, очевидно, що Джеймс виявляє безперечно геніальні здібності. Його ідеї, й дослідження, у різних галузях природознавства відкривають перед ним шлях у Кембриджський університет, в Тринити-колледж, прославлений весь світ своїми вихованцями, передусім І. Ньютоном (1642−1727) і Ф. Бэконом (1561−1626).

В 1850 р. збулася мрія Джеймса та її батька — Джеймс надійшов в Кембриджський университет.

При перше з величними будинками університету увагу Джеймса залучила церква Святої Трійці з її стрілчастими арками, легкими колонами і різнобарвними вітражами, мармуровими особами Ньютона і Бэкона. Чи могли подумати батько із сином, що ні мине й понад тридцять років, як цього храмі буде встановлено труну з тілом передчасно справжнього, померлого найбільшого фізика, і його віддадуть останні почести.

Способности та глибина знань Джеймса не забарилися проявитися вже першого рік навчання у Кембриджі. Він екзамени, пише кілька статей в «Кембриджський і Дублінський математичний журнал», вражає своїх нових друзів здатністю буквально на льоту засвоювати найскладніші теоретичні питання, яке професора стверджують, що Джеймс «неспроможний не так мислити про фізичних матеріях». У університеті дедалі яскравішими проявляється життєве кредо — «щось залишати неизученным».

Среди найвидатніших учених, гідно які оцінили талант Джеймса і бачили у ньому продовжувача їх ідей, були його «старий друг» і наставник професор Вільям Томсон (пізніше відзначений сходить за великі наукові заслуги титулу лорда Кельвіна) і професор математики, автор відомої теореми Стокса — Габріель Стокс, який обіймав би в Кембриджі ту саму посаду, що у свого часу Ньютон. Стокс успішно розробляв проблему поширення поперечних світлових хвиль в ефірі, було кроком шляху до майбутньої теорії Максвелла. Вплив Стокса формування Максвелла як вченого була очевидна (він був за Джеймса на 12 років і пережив його за 30 (!) років). Джеймс будь-коли не пропускав ані однієї лекції Стокса.

В 1854 р. Джеймс блискуче здає дуже складний іспит, удостоюється почесного «призу Сміта» стає бакалавром Кембриджа. Він продовжує дослідження з теорії колірного зору, основи яку було закладено великим Ньютоном майже 200 років тому вони, і законодавців береться за написання книжки з оптиці. Могутній розум Максвелла і вражаючі здібності пізнання найскладніших негараздів у поєднанні з скромністю і доброзичливістю приваблюють до нього багато нових на друзів і коллег.

Максвелл починає «атакувати электричество»

Постепенно Джеймс дедалі більше схиляється до дослідження електричних явищ «з їх інтригуючою незрозумілості». Чимало років тому у його «саморобної лабораторії» можна було і саморобні магніти, і гальванічні елементи. Ще Единбурзькому університеті він був приголомшений найбільшими відкриттями Фарадея. Максвелл пише листа Томсону — найвідомішому після Фарадея фізику. Лист, у якому повідомляє про бажання розпочати «атакувати электричество».

В кінці 1854 р. Максвелл піддав тому детальному аналізу дослідження Ампера і Фарадея. Він захоплюється відкриттям Ампером закону взаємодії струмів, і вважає, що той продемонстрував блискучу знання математики, проте дотримувався помилковою (тоді усіма визнаної) теорії «дальнодействия». Ампер думав, що елементи струмів діють друг на одного крізь простір, й без участі середовища, оточуючої провідники з током.

Как писала одна з біографів, поставити під сумнів теорії «дальнодействия» «…міг лише нестандартно мислячий ум».

Этой теорії Максвелл протиставляє «магнітні лінії сил», відкриті великим Фарадеем, котрі знали математики, але сміливо противопоставлявшим «математичного камуфляжу» здоровий глузд реаліста: «Як щось робити може діяти чогось через ніщо?». Нагадаємо, що у 1831 р. у одному з перших дослідів, що призвели на відкриття явища електромагнітної індукції, Фарадей довів, що й дві ізольовані друг від друга дротові котушки будуть можна побачити спочатку на дерев’яне (чи картонне) кільце, та був на залізне, то цьому разі при размыкании чи замиканні електричної ланцюга з первинної котушками стрілка гальванометра у подальшому ланцюгу вторинної котушки відхиляється значно більший кут. Отже, вплив середовища, оточуючої котушки, точніше магнітне полі (і цього терміна Фарадей не вживав), різко посилюється при заміні дерева залізним сердечником.

Максвелл стверджував, кожен електричний струм оточений магнітним полем і «метод Фарадея» можна сформулювати в математичної формі. Переконливою ілюстрацією справедливості затвердження Максвелла служить формулювання Фарадеем закону електромагнітної індукції: «…кількість наведеного в рух електрики прямо пропорційно кількості які перетнув силових ліній». У одному із своїх рівнянь Максвелл формулює закон електромагнітної індукції, стверджуючи, що электродвижущая сила, що виникає в контурі за зміни магнітного потоку, пропорційна швидкості зміни цього потоку, і вперше виводить на своє рівняння відоме до нашого час вираз:

Максвелл розумів, що геніальні фарадеевские магнітні лінії непридатні для розрахунків, тоді як китайська електротехніка, зокрема, засоби зв’язку, отримали «романтичний образ» як трансатлантичного телеграфу, вимагали математичного рішення нових проблем. Разом з У. Томсоном Максвелл шукає фізичну аналогію електричним явищам і знаходить їх у праці знаменитого французького вченого Ж. Б. Фур'є «Аналітична теорія тепла», яка вийшла 1822 г.

Справедливости слід зазначити, що аналогію між електричними і тепловими явищами застосував знаменитий німецький фізик Г. С. Ом, коли Максвелла не було у світі. Теоретично Фур'є теплової потік між двома тілами чи двома частинами однієї й тієї ж тіла пояснювався різницею температур. Ом уподібнив електричний струм в провіднику «тепловому потоку», викликаного різницею «електричних сил». За аналогією з формулою, виведеної Фур'є для теплового потоку, Ом знайшов формулу для електричного струму, що була приведено у його фундаментальному праці в 1827 р., і зробив формулювання своєму відомому закону електричної ланцюга, має нині його ім'я. Ом також успішно скористався і гідравлічної аналогією — течією води в трубах, викликаним різницею рівнів розташування труб та його диаметром.

Характерно, що Максвелл, очевидно не знаючи роботах Ома, також створював гидродинамическую модель середовища, передавальної електричні і магнітні взаємодії, й описувала з допомогою що просувалася рідини. «Я намагався, — писав Максвелл, — уявити математичні ідеї на наочної формі». Після багатьох математичних операцій вона до застосуванню векторного анализа.

В 1855—1856 рр. Максвелл видає свій «перший працю по електромагнітним явищам «Про Фарадеевых силових лініях» й дослідити першу його частину доповідає Кембріджському філософському суспільству. У 1856 р. він працює професором Абердинського університету в Шотландії, а через рік відсилає працю Фарадею. Літній учений був надзвичайно втішений цим подарунком і писав Максвеллові: «Ваша робота приємна мені нічого і надає мені велику підтримку».

Пять років Максвелл говорить своє електромагнітну теорію в працях «Про фізичних лініях сил» (1861−1862 рр.) і «Динамічна теорія поля» (1864−1865 рр.). Він додав ідеям Фарадея математичну завершеність, вперше ввів термін «електромагнітне полі» і сформулював закони цього поля.

К доти Максвелл стає професором в Лондонському Кингз-Колледже. Останній розділ своєї праці «Динамічна теорія поля» учений назвав «Электромагнитная теорія світла». У ньому він стверджував, що є «поперечні електромагнітні хвилі», що ширяться зі швидкістю, близька до швидкості світла, що була встановлена у 1849 р. французьким фізиком І. Физо, й особисто давав формулу визначення цієї швидкості. Отже, можна стверджувати, «що світло полягає з поперечних коливань тієї ж середовища, що є причиною електромагнітних явищ». Электромагнитная теорія світла — найважливіше досягнення теорії Максвелла. Зміст цієї розділу — ще одне ілюстрація геніальних висновків вченого.

Правда, Максвелл стверджував, що думка про електромагнітної природу світла висловив Фарадей у статті «Думки про променевих вібраціях» (1846).

Но Максвелл, як й інші фізики, не знав, що ще у березні 1832 р. Фарадей передав у королівське товариство конверт листом, у якому повідомляв, що «електрична індукція» поширюється подібно магнітному взаємодії, та інформаційний процес поширення індукції схожий «на коливання схвильованої водної поверхні» чи «звукові коливання» частинок повітря, і навіть є «найімовірнішим поясненням світлових явищ». Фарадей підкреслював, що у поширення магнітного впливу потрібен час, яке «видається дуже незначним». На закінчення учений вказував, що він немає часу підтвердити свої погляди експериментально і тому хоче «закріпити відкриття певної датою», тому що йому відомо, що «ніхто учений немає подібних поглядів». Лист це були виявлено через 106 років, в 1938 р.

Поразительна інтуїція Фарадея, що так образно порівняв поширення «магнітного взаємодії» з коливаннями «схвильованої водної поверхні». Ідеєю про існування електромагнітних хвиль і небаченої швидкості їх поширення Фарадей створив своєрідний плацдарм на подальше майбутнього розвитку електрозв’язку і радіотехніки. А праці Максвелла наблизили це такий розвиток і надбанням практики.

В «Динамічної теорії поля» математичні рівняння Максвелла набувають завершений вид. Він формулює закони як векторних рівнянь, що пов’язують магнітну індукцію із напругою магнітного поля, напруженість магнітного поля з силою що створює його струму, электродвижущую дію з зміною магнітного поля.

Им було запроваджено важливе поняття струмів усунення, характеризуючих стан диэлектрика в електричному полі. Він виводить формулу, що дозволить визначити енергію електричного поля, і навіть доводить, що світ подає собою електромагнітне явище. Максвелл вперше у історії фізики вводить термін «електромагнітне полі» і дає його визначення як «…частина простору, яке містить у собі, й оточує тіла, перебувають у електричному і магнітному стані».

Далеко не всім відомо, що у 1865 р., на рік публікації «Динамічної теорії поля», з Максвеллом стався нещасний випадок, внаслідок якого світ міг позбутися найбільшого фізика, та знаменитий «Трактат по електрики і магнетизму» ніколи не побачило світ. Під час верхової прогулянки із дружиною на заміській дачі кінь, де скакав Джеймс, раптово чогось злякалася і понеслася в ліс, і Максвелл сильно ударився головою про нависавшую гілка. Поранення було досить серйозним, виникло бешихове запалення голови. Лікарі заборонили йому розумову роботу, і лише міцне здоров’я 34-річного вченого, його витримка й оптимізм допомогли подолати небезпечний недуг.

«Трактат по електрики і магнетизму»

В 1873 р. вийшов головний працю Максвелла — «Трактат по електрики і магнетизму». На початку книжки дається критичний огляд всіх раніше опублікованих теорій електрики і магнетизму. Автор стверджує, що «багатопудові» праці з електрики і магнетизму здебільшого лежать на полицях бібліотек, далекі від практичних завдань і відповідають потребам інженерів та закордонних вчених.

В «Трактаті…» викладено основи векторного обчислення, з допомогою якого їм, як зазначалось, опинився які є знаменитими рівняння електромагнітного поля. Ці рівняння було сформульовано до цього часу його праці «Динамічна теорія поля», та їх висновок здійснено Максвеллом більш обгрунтовано, з допомогою вихідних експериментів і основних понять. У «Трактаті…» побільшало рівнянь, змінилася їх нумерація. У інших чотирьох частинах цієї роботи було використано всі питання, які стосуються электростатике, электрокинематике, магнетизму і электромагнетизму.

В на відміну від багатьох своїх попередників, Максвелл прагнув кожну математичну величину наділяти глибоким фізичним змістом. Та заодно рівняння виявлялися досить складними. Максвелл розумів труднощі сприйняття своїх оригінальних математичних викладок, саме тому почав писати популярне виклад своїх теорій. На жаль, передчасна смерть не дозволила йому закінчити цей труд.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.