James Clerk Maxwell

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
James Maxwell
James Clerk Maxwell big.jpg
Persoonlijke gegevens
Volledige naam James Clerk Maxwell
Geboortedatum 13 juni 1831
Geboorteplaats Edinburgh
Sterfdatum 5 november 1879
Sterfplaats Cambridge
Wetenschappelijk werk
Vakgebied Wiskunde
Natuurkunde
Bekend van Maxwellvergelijkingen
Overig
Handtekening 150
Portaal  Portaalicoon   Natuurkunde/Natuurkundigen

James Clerk Maxwell (Edinburgh, 13 juni 1831Cambridge, 5 november 1879) was een Schots wis- en natuurkundige. Naar hem zijn de vier Maxwellvergelijkingen genoemd. Op deze grondvergelijkingen is de hele klassieke elektromagnetische theorie gebouwd. Met Albert Einstein en Isaac Newton wordt hij tot de grootste natuurkundigen gerekend.

Biografie[bewerken]

Maxwell werd geboren in de Schotse hoofdstad Edinburgh aan de India Street 14. Hij was het enige kind van John Clerk Maxwell (1787-1856)(landeigenaar, advocaat en uitvinder) en Frances Cay (1792-1839). (Hun eerstgeboren dochtertje, Elizabeth, dat twee jaar voor James ter wereld kwam, had slechts enkele maanden geleefd.) Vader John was lid van de familie Clerk of Pencuik, behorend tot de kleine Schotse adel. James' ouders waren reeds in de dertig toen ze elkaar voor het eerst ontmoetten, wat zeer ongebruikelijk was voor die tijd. Francis was dan ook bijna veertig toen James geboren werd. Zijn jeugd bracht Maxwell grotendeels door op het familielandgoed "Middlebie" te Glenlair in het graafschap Kirkcudbrightshire op ongeveer 20 km van Dumfries dat vader John had geërfd van zijn grootouders. Zijn moeder overleed aan buikkanker, toen hij acht jaar oud was. James werd daarna verder opgevoed door zijn vader en diens schoonzuster Jane Cay.

Na voornamelijk thuis door zijn moeder te zijn geschoold, ging Maxwell in 1840 naar de Edinburgh Academy. Ondanks zijn sociale isolement en uitzonderlijke voorkomen – wat hem de bijnaam "Dafty" (Suffie) opleverde – raakte hij bevriend met Lewis Campbell en Peter Guthrie Tait; een vriendschap die gedurende hun leven stand zou houden. Al in 1841 ontving Maxwell van de Academy een wiskundemedaille. Zijn eerste wetenschappelijke artikel, Oval Curves, schreef hij toen hij veertien jaar oud was – een wiskundig opstel over de cartesiaanse ovalen van René Descartes. Dankzij de contacten van zijn vader met James David Forbes, hoogleraar in de natuurfilosofie aan de universiteit van Edinburgh, werd Maxwells opstel op 6 april 1846 door Forbes gepresenteerd aan de Royal Society van Edinburgh.[1]

Op zestienjarige leeftijd ging hij naar de universiteit van Edinburgh om natuurwetenschappen te studeren. Tijdens zijn studie publiceerde hij twee wetenschappelijke artikelen in het tijdschrift Transactions van de Royal Society van Edinburgh. Drie jaar later, in 1850, ging hij – zonder in Edinburgh een diploma te hebben behaald – als wiskundestudent naar de universiteit van Cambridge, naar het Trinity College, dat geleid werd door William Whewell. Gedurende zijn studententijd bracht hij veel tijd door in zijn eigen geïmproviseerde laboratorium, waar hij zijn eerste experimenten deed met elektriciteit en licht. Na zijn afstuderen werkte hij Faradays ideeën over elektriciteit en magnetisme verder uit.

In januari 1854 slaagde hij in Cambridge voor de Mathematical Tripos, de wiskundige eindexamens voor het verkrijgen van een diploma. Hij classificeerde zichzelf als tweede (Second Wrangler) achter Edward Routh.[2] Aansluitend kreeg hij een Fellowship aan het Trinity College.

Van 1856-1860 was hij hoogleraar in de natuurfilosofie aan het Marischal College in Aberdeen; daarna bekleedde hij dezelfde functie in de natuurkunde en astronomie aan het Londense King's College. Zijn tijd aan het King's (1860-1865) werd de productiefste periode uit zijn carrière, met als hoogtepunt de publicatie van zijn belangrijkste werk – over elektromagnetisme.

James en Katherine Maxwell (1869)

In 1858 huwde Maxwell de zeven jaar oudere Katherine Mary Dewar, de dochter van de schooldirecteur (rector) van het Marischal College. Het huwelijk bleef kinderloos. In 1861 werd hij verkozen tot Fellow van de Royal Society van Londen, en in april 1864 tot lid van de Philosophical Club van de Royal Society. In 1876 werd Maxwell lid van de pas opgerichte Mathematical Society van Londen, waarvoor hij verschillende werken presenteerde. Met zijn vrouw maakte hij in 1867 een reis door Italië, waar ze onder meer Rome en Florence bezochten.

Na een periode te hebben doorgebracht op het Schotse familielandgoed Glenlair werd hij in 1871 benoemd tot eerste Cavendish-hoogleraar in de experimentele natuurkunde aan de universiteit van Cambridge. Tevens mocht hij hier een compleet nieuw laboratorium inrichten, het Cavendish. Op 16 juni 1874 vond de officiële inhuldiging plaats.

Maxwell overleed in 1879 op 48-jarige leeftijd na een kort ziekbed aan de ziekte waaraan ook zijn moeder was overleden, buikkanker. Hij werd begraven op het kleine kerkhof van Parton, niet ver van zijn landgoed in Glenair.[3]

Erkenning[bewerken]

Na zijn benoeming tot Cavendish-hoogleraar ontving Maxwell verschillende onderscheidingen en werd hij verkozen tot lid van diverse wetenschappelijk genootschappen. In 1874 werd hij ook Foreign Honorary Member van de American Academy of Arts and Sciences van Boston, en in 1875 lid van de American Philosophical Society in Philadelphia. Ook werd hij in 1875 corresponderend lid van de New York Academy of Sciences, in 1877 lid van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen in Amsterdam, in hetzelfde jaar buitenlands corresponderend lid van de Mathematisch-Naturwissenschaftliche Klasse der Kaiserliche Akademie der Wissenschaften te Wenen.

In 1878 ontving hij de Volta-medaille en een eredoctoraat in de fysica van de Universiteit van Pavia.

Natuurkunde[bewerken]

Ringen van Saturnus[bewerken]

Met zijn totale onderzoekswerk (inclusief de studie van gassen, de optica, en kleursensatie) droeg hij bij aan zo ongeveer elke tak van de toenmalige natuurkunde. Niet lang na zijn aanstelling als hoogleraar in Aberdeen hoorde hij dat het onderwerp van de Adamsprijs van 1857 de bewegingen van de ringen van Saturnus was. Hij besloot mee te dingen naar de prijs.

In het essay On the Stability of the Motion of Saturn's Rings bewees hij dat de ringen van Saturnus niet massief konden zijn. De stabiliteit van de ringen kan alleen worden bereikt als ze zijn samengesteld uit heel veel kleine vaste deeltjes in plaats van vast of volledig vloeibaar te zijn. Zijn essay won de prijs en werd in 1859 als boek gepubliceerd. Pas in 1981 werd Maxwells conclusie bevestigd toen de ruimtesonde Voyager 1 close-upfoto's nam van de Saturnusringen.

Elektromagnetisme[bewerken]

Maxwells grootste verdienste ligt in zijn ontdekkingen op het gebied van elektromagnetisme en elektromagnetische golven. Michael Faraday had veel experimenteel werk gedaan aan inductie, en had de dynamo uitgevonden. Hij opperde het idee dat elektrische en magnetische velden zich door de vrije ruimte konden uitbreiden. Faraday had echter grotere kwaliteiten als experimentator dan als theoreticus. Maxwell bleek in staat om Faradays theorie wiskundig uit te werken.

In zijn boek On Physical Lines of Force (1861) beschreef hij zijn visie op magnetische velden als een verzameling parallelle, lange, dunne, cilindervormige wervelingen met deeltjes ertussen als lagering. De zijwaartse beweging van deze deeltjes vertegenwoordigde de elektrische stroom.

De vier Maxwell-vergelijkingen

De naar hem genoemde basisvergelijkingen – in eerste instantie twintig vergelijkingen met twintig variabelen, later met behulp van vectornotatie teruggebracht naar vier vergelijkingen – zijn nog altijd het uitgangspunt voor de klassieke elektrodynamica. Uit de vergelijkingen is wiskundig af te leiden dat bewegende ladingen elektromagnetische golven uitzenden door de ruimte met de snelheid van het licht. Op basis hiervan opperde Maxwell het idee dat licht een elektromagnetisch golfverschijnsel is. Uitgaande van zijn basisvergelijkingen, kon hij de lichtsnelheid theoretisch berekenen. Hij beschreef zijn bevindingen in zijn boek A Treatise on electricity and magnetism (1873).

Steun voor Maxwells vermoeden werd geleverd door Hendrik Lorentz, die in 1875 de breking van licht correct kon beschrijven met Maxwells vergelijkingen. De Duitse natuurkundige Heinrich Hertz toonde in 1886 experimenteel aan dat lichtgolven en elektromagnetische golven vergelijkbaar gedrag vertonen, waarmee hij het werk van Maxwell bevestigde. Ook Albert Einstein borduurde verder op zijn ideeën en nam deze op in zijn relativiteitstheorie[4]

Kinetische gastheorie en thermodynamica[bewerken]

Maxwell boekte ook resultaten op het gebied van de kinetische gastheorie, waaruit de statistische thermodynamica is voortgekomen. Dit was een voortzetting van studies van een aantal eerdere wetenschappers, onder wie James Prescott Joule. Hij leidde een formule af voor de snelheidsverdeling van gasmoleculen in een tijd dat het bestaan van moleculen nog omstreden was: de Maxwell-Boltzmann-verdeling. Hij legde hiermee een verband tussen de klassieke, macroscopische thermodynamica en het microscopische gedrag van de nog speculatieve gastheorie. Hij bedacht het gedachtenexperiment Maxwells demon. Er zijn een viertal uitdrukkingen die de relaties beschrijven tussen de thermodynamische grootheden temperatuur T, druk p, volume V en entropie S, naar hem vernoemd.

 \begin{align}
+\left(\frac{\partial T}{\partial V}\right)_S &=& -\left(\frac{\partial p}{\partial S}\right)_V &=& \frac{\partial^2 U }{\partial S \partial V}\\

+\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_S &=& +\left(\frac{\partial V}{\partial S}\right)_p &=& \frac{\partial^2 H }{\partial S \partial p}\\
+\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_T &=& +\left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V &=& -\frac{\partial^2 F }{\partial T \partial V}\\

-\left(\frac{\partial S}{\partial p}\right)_T &=& +\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p &=& \frac{\partial^2 G }{\partial T \partial p}
\end{align}\,\!

Waarin U de inwendige energie voorstelt, H de enthalpie, F de vrije energie en G de Gibbs vrije energie.

Eerste kleurenfoto[bewerken]

Eerste echte kleurenfoto door Maxwell

Al in zijn studententijd in Cambridge publiceerde Maxwell een artikel waarin hij aantoonde dat uit de primaire kleuren rood, groen en blauw alle mogelijke kleuren te maken zijn. Tussen 1855 en 1872 publiceerde hij met tussenpozen een reeks van waardevolle onderzoeken gerelateerd aan kleurwaarneming en kleurenanalyse. Voor zijn onderzoeken naar de kleuranalyse kreeg Maxwell in de zomer van 1860 de Rumford Medal uitgereikt door de Royal Society.

Op 17 mei 1861[5] gaf hij tijdens een lezing aan de Royal Institution in Londen zijn historische demonstratie van kleurenfotografie. Samen met fotograaf Thomas Sutton liet Maxwell drie zwartwitfoto's maken van een lint uit stof tartan, dat voorzien was van een kleurig patroon van Schotse ruiten. Iedere foto werd hierbij genomen met een ander kleurfilter voor de lens. Nadat de platen waren ontwikkeld, projecteerde Maxwell de drie foto's over elkaar heen met behulp van rood, groen en blauw licht. Het resultaat was een kleurenreproductie van het lint die alle originele kleuren bevatte van de Schotse ruit.[6]

Wiskunde[bewerken]

Met zijn artikel On governors in de Proceedings of Royal Society begon Maxwell het technisch toegepaste vakgebied van de regeltechniek. In het artikel beschreef Maxwell de verschillende centrifugaalregelaars die bij stoommachines gebruikt werden.

Bibliografie[bewerken]

Logo Wikisource
Bronnen die bij dit onderwerp horen, kan men vinden op de pagina Author:James Clerk Maxwell op de Engelstalige Wikisource.
  • On the Description of Oval Curves, and those having a plurality of Foci. Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, Vol. ii. (1846)
  • A Problem in Dynamics (1854)
  • On the Stability of the Motion of Saturn's Rings (1856)
  • Illustrations of the Dynamical Theory of Gases (1860)
  • Colour Blindness (1860)
  • On the Theory of Compound Colours, and the Relations of the Colours of the Spectrum (1860)
  • On Physical Lines of Force (1861)
  • A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (1865)
  • On Governors. Proceedings of the Royal Society, Vol. 16 (1867-1868) pp. 270-283.
  • Perception of Colour
  • Theory of Heat (1871)
  • On the Focal Lines of a Refracted Pencil. Proceedings of the London Mathematical Society s1-4(1):337-343 (1871)
  • A Treatise on Electricity and Magnetism (1873) Clarendon Press, Oxford.
  • Molecules, Nature (September 1873)
  • On Hamilton's Characteristic Function for a Narrow Beam of Light. Proceedings of the London Mathematical Society s1-6(1):182-190, (1874)
  • Matter and Motion (1876)
  • On the Results of Bernoulli's Theory of Gases as Applied to their Internal Friction, their Diffusion, and their Conductivity for Heat
  • "Ether", Encyclopædia Britannica, Ninth Edition (1875-89)
Bronnen, noten en/of referenties
  1. Peruzzi, Giulio, Maxwell - Ontdekker van de samenhang van elektriciteit, magnetisme en licht, Veen Magazines (Wetenschappelijke biografie), 2009, Blz. 15 ISBN 978-90-857-1128-5.
  2. Peruzzi, blz. 21
  3. Peruzzi, blz. 225
  4. Baker, Joanne, 50 inzichten natuurkunde, Veen Magazines, 2010, (De Maxwell-vergelijkingen) ISBN 978-90-857-1202-2.
  5. Schil, René, Einsteins koelkast en andere vergeten ontdekkingen van grote wetenschappers, Veen Magazines, 2008, (James Clerk Maxwell - Kleurenfotografie) ISBN 978-90-857-1157-5.
  6. Later onderzoek bleek dat Maxwell geluk had. Zijn demonstratie had eigenlijk niet mogen werken omdat, wat hij destijds niet wist, zijn fotografische emulsie niet gevoelig was voor rood licht. Maar het rood van het lint weerkaatste ultraviolet licht en dat werd wél door de emulsie vastgelegd. Maxwell drie oorspronkelijke dia's van de Schotse ruit zijn nu te bezichtigen in een klein museum in Edinburgh.
Wikiquote Wikiquote heeft een collectie Engelse citaten gerelateerd aan: James Clerk Maxwell