James Clerk Maxwell

JAMES CLERK MAXWELL

Edimburgo, 13 giugno 1831- Cambridge, 5 novembre 1879

BIOGRAFIA

DOCENTE UNIVERSITARIO

INFANZIA

PERIODO UNIVERSITARIO

ULTIMI ANNI

FOTOGRAFIA A COLORI

• Propone di riprendere un’immagine attraverso filtri rossi, verdi e blu e proiettare le lastre simultaneamente su uno schermo usando luci con filtri degli stessi colori.
• Durante una conferenza alla Royal Society, fece fotografare tre volte un tartan scozzese mettendo sopra l’obiettivo i filtri dei diversi colori.
• Le tre immagini furono sviluppate e proiettate su uno schermo con tre proiettori differenti, ne scaturì la prima immagine a colori della storia.

• L'immagine venne solamente ideata da Maxwell, a scattarla fu Thomas Sutton e per stamparla ci furono da attendere settant’anni grazie a Douglas Spencer.
• Ipotizzò la presenza di tre recettori a livello della retina per poter vedere a colori. Da ciò comprese i fenomeni di daltonismo .

ELETTROMAGNETISMO

• Maxwell era solito assistere alle lezioni di Michael Faraday.
• Il suo lavoro è iniziato nel 1855 quando commentò gli scritti dello stesso Faraday e spiegò che la variazione del campo elettrico induce una variazione del campo magnetico anche in assenza di un conduttore e viceversa. Dunque una variazione del campo magnetico induce un campo elettrico.
• Ha riassunto l’intera conoscenza dell’argomento in 20 equazioni in 20 variabili, successivamente unificate nelle 4 “equazioni di Maxwell”, esposte nel libro "Trattato su elettricità e magnetismo".
• Calcolò la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche da lui ipotizzate, risultata di 311.000.000 m/s e rimase stupito dal fatto che fosse così simile alla velocità della luce rilevata da Fizeau.
• Da questa somiglianza dedusse che la luce consiste di onde trasversali di quello stesso mezzo che è la causa dei fenomeni elettrici e magnetici.

EQUAZIONI DI MAXWELL

Descrivono il comportamento del campo elettromagnetico e permettono di prevedere l'esistenza di onde che vi si propagano e al tempo stesso lo trasportano, dette onde elettromagnetiche. Sono equazioni simmetriche tra loro, ognuna può essere scritta in forma locale (differenziale) o in forma integrale; variano a seconda che ci si riferisca a campi nel vuoto o nella materia, e a seconda che i campi siano stazionari (costanti) o non stazionari.

Legge di Gauss Elettrica

Legge di Gauss Meccanica

Legge di Faraday

Legge di Ampere-Maxwell

DISTRIBUZIONE DI MAXWELL-BOLTZMANN

• Riguardo alla termodinamica, Maxwell ha studiato la teoria cinetica dei gas sia attraverso esperimenti sia matematicamente.
• Tra il 1859 e 1866 formulò la teoria della distribuzione delle velocità nelle particelle di un gas, poi generalizzata da Boltzmann.
• equazione differenziale che individua il numero di molecole di un gas corrispondenti ad un determinato valore di velocità e permette perciò di individuare la probabilità che le molecole si muovano con tale velocità.
• Il grafico mostra come varia l'energia delle particelle di gas all'interno di un sistema.
• L’asse delle ascisse mostra il variare della velocità, mentre sulle ordinate sono segnati i numeri di particelle con tale velocità. Il numero totale di particelle è uguale all’area del sottografico; il punto più alto del grafico indica la velocità più probabile delle particelle.
• Il grafico viene influenzato dalla temperatura e dalla presenza di un catalizzatore

DIAVOLETTO DI MAXWELL

• Generalizzò le leggi della termodinamica, ciò lo portò a proporre l’esperimento mentale del diavoletto di Maxwell per verificare se il secondo principio fosse veramente inviolabile.
• Ipotizzò due contenitori contenenti lo stesso gas alla stessa temperatura divisi da una botola e un essere in grado di controllarla senza compiere alcun tipo di lavoro.
• Il diavoletto apre la botola ogni qual volta una molecola ad alta velocità si dirige verso la parete.
• Dopo un intervallo di tempo tutte le molecole più veloci saranno in un contenitore e quelle più lente nell’altro, dunque il diavoletto è stato capace di confinare il gas più caldo da una parte e quello più freddo dall’altra.
• L'errore sta nel fatto che il diavoletto deve fare una misurazione, e un tipo di elaborazione: deve decidere se una molecola sia più o meno veloce della media. Per fare questo deve usare dell'energia, che supera il guadagno che si ha nell'operazione; quindi la seconda legge della termodinamica resta valida, anche a livello microscopico.
• Sempre riguardo alla termodinamica, nel 1856 Maxwell scrisse la prima formulazione del criterio di Von Mises

CURIOSITÀ

• religione: fu educato da due genitori cristiani devoti e la sua fede si manifestò anche nell'approccio all'attività scientifica. Si dichiarava un lettore del libro della natura. Secondo Maxwell, tale libro si mostra agli occhi dello scienziato come ordinato e armonioso, rivelando le infinite potenza e saggezza di Dio nella sua irraggiungibile ed eterna verità. Maxwell giustificava la conoscibilità della natura ed il successo della scienza sostenendo che Dio avesse creato una corrispondenza tra la mente umana e la natura.
• poesia: amava la poesia britannica e memorizzò molte ballate e poesie inglesi. Scrisse anche alcuni poemetti, il più conosciuto dei quali è “Rigid Body Sings”. Si tratta della parodia di una canzone di un poeta scozzese.
• divulgazione scientifica: credeva che la diffusione della conoscenza scientifica fosse fondamentale per il cambio di mentalità della società. in modo tale che chiunque fosse in grado di scambiare nuove idee, ipotesi e proposte. Per questo motivo dal 1854 fino alla sua morte tenne corsi serali per gli operai.

• 1856: il padre muore e Maxwell inizia ad insegnare al Marischal College di Aberdeen.
• Nel mentre si dedicava allo studio degli anelli di Saturno, mostrò che la loro stabilità poteva essere ottenuta solo se essi erano costituiti da numerose particelle solide, ipotesi poi confermata dalla sonda Voyager. Questo saggio gli fece ottenere il premio Adams.
• 1859: matrimonio con Katherine Mary Dewar.
• L’anno dopo nasce l’Università di Aberdeen e Maxwell perse il posto, non riuscì neanche ad ottenere la cattedra di Filosofia Naturale all’Università di Edimburgo, nonostante la lettera che Faraday scrisse su di lui.
• Dal 1860 al 1865 insegnò al King’s College di Londra, nel mentre entrò a far parte della Royal Society e propose la realizzazione della fotografia a colori.

Legge di Gauss Elettrica

Applica il teorema di Gauss al campo elettrico. Nella forma locale si legge "divergenza del campo elettrico" mentre in forma globale si legge "flusso del campo elettrico". Dice che le cariche elettriche sono le sorgenti del campo elettrico; una carica immobile genera un campo elettrostatico, cioè costante nel tempo, le cui linee di campo si propagano in linea retta dalla carica verso l'infinito, se le cariche sono positive, o dall'infinito verso la carica, se le cariche sono negative.

Legge di Gauss Meccanica

Applica il teorema di Gauss al campo magnetico. In forma locale si legge "divergenza del campo di induzione magnetica" e in forma globale "flusso del campo di induzione magnetica". In entrambi i casi il risultato è nullo, dunque le linee del campo magnetico sono chiuse: iniziano dal polo nord di un magnete e terminano nel polo sud del magnete stesso, i quali non possono essere separati.

• 1865: abbandona l’insegnamento per problemi di salute e si ritira nella sua villa di Glenlair.
• In questo periodo completa la teoria cinetica dei gas e scrisse il Trattato sull’elettricità e il magnetismo.
• Nel 1871 accettò la prima cattedra di fisica sperimentale all’Università di Cambridge e la direzione del nuovo Cavendish Laboratory.
• Era anche redattore dell’edizione delle opere di Henry Cavendish riguardanti l’elettricità e si occupava della spiegazione del funzionamento del radiometro di Crookes.
• Dal 1873 divenne curatore scientifico della Enciclopedia Britannica.
• Le sue condizioni peggiorano, fu costretto a tornare a Cambridge e morì il 5 novembre 1879, a 48 anni, di tumore intestinale.

• Scozzese, di famiglia nobile
• Sin da piccolo rivelò una particolare abilità nel costruire e usare piccole apparecchiature.
• Studiò da casa fino alla morte della madre quando entrò all’Accademia di Edimburgo, dove era uno studente molto timido e veniva considerato sciocco dagli altri compagni poiché disegnava diagrammi e poliedri per personale curiosità .
• A soli 14 anni scrisse un saggio sul tracciamento delle curve ovali, dove generalizzò la definizione di ellisse e trattò di curve con più di due fuochi, argomento già affrontato precedentemente da Cartesio.

Trinity College in 1850

• 1847: Università di Edimburgo, dove studiò matematica, fisica, logica, chimica e filosofia; fu parecchio influenzato dal suo professore William Hamilton.
• 1850: Trinity College di Cambridge, aveva come tutore William Hopkins.
• Grazie alle sue capacità venne inserito nel “club degli Apostoli”, che riunisce i dodici migliori studenti del Trinity College.
• Si diplomò al Trinity College nel 1854.
• Nei due anni successivi estese e formulò le teorie di Faraday sulle linee di forza del campo elettrico e magnetico.
• 1855: presentazione alla Royal Society del suo scritto “Experiments on colour”, nel quale individuò per la prima volta rosso, blu e verde come i colori primari attraverso l’utilizzo di trottole colorate inventate da Forbes. Grazie a tali ricerche sul colore vinse la medaglia Rumford.

Legge di Faraday/ circuitazione del campo elettrico

Rappresenta il fenomeno dell'induzione elettromagnetica: campi magnetici variabili nel tempo generano campi elettrici indotti, e viceversa. In forma locale si legge "rotore di E", in forma integrale "circuitazione del campo elettrico".

Legge di Ampere-Maxwell

Applica la circuitazione al campo magnetico. Dice che le sorgenti del campo magnetico sono cariche elettriche in movimento e campi elettrici variabili nel tempo. Nel caso di campi stazionari, le sorgenti di campo magnetico si riducono alle sole correnti elettriche. In forma locale si legge "rotore di B", in forma integrale è "circuitazione del campo di induzione magnetica".