James Clerk Maxwell

13. 6. 1831–5. 11. 1879

Skotský fyzik, který sjednotil elektřinu, magnetismus a optiku do jediné teorie elektromagnetického pole.

Skotský fyzik James Clerk Maxwell se narodil roku 1831 v Edinburgu. Maxwell byl jedním z nejvýznamnějších teoretických fyziků 19. století, který svými pracemi přispěl k rozvoji několika fyzikálních disciplín. Studoval na Edinburské univerzitě a později v Cambridgi, kde v roce 1871 přijal místo prvního profesora experimentální fyziky.

Jeho nejslavnějším dílem je rozsáhlý spis Treatise on Electricity and Magnetism (1873). Z Maxwellových prací vycházel i Albert Einstein a mnoho dalších.

Faradayovy siločáry

Ve spisu z let 1855–56 podává Maxwell matematické vyjádření pojmu Faradayových siločar. Maxwell popsal průběh magnetických siločar v blízkosti elektrického proudu a dospěl tak k vektorové diferenciální rovnici, podle níž každá jednotlivá proudová linie vytváří vírové magnetické pole.

Roku 1860 Maxwell statistickým přístupem odvodil, že molekuly plynu se pohybují různými rychlostmi – jejich rozdělení popisuje Maxwellovo–Boltzmannovo rozdělení rychlostí. Odvodil také, že viskozita plynu nezávisí na tlaku, což bylo experimentálně ověřeno.

Elektromagnetické vlny

V roce 1865 vydal Maxwell práci A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, ve které matematicky prokázal, že elektromagnetické vlny se šíří rychlostí světla. Rovnice, které v ní formuloval, vysvětlovaly všechny tehdy známé zákonitosti elektrických a magnetických polí. Na základě jejich řešení předpověděl existenci příčných elektromagnetických vln šířících se vakuem a odvodil, že viditelné světlo je příčné elektromagnetické vlnění v určitém intervalu frekvencí – optika se tak stala součástí elektromagnetické teorie. Téhož roku Maxwell přerušil práci na King's College London a na následujících šest let se věnoval soukromé vědecké práci na svém skotském panství v Glenlair.

Maxwellovy rovnice

Maxwellovy rovnice jsou soustava čtyř diferenciálních rovnic popisujících chování elektrického a magnetického pole. V jejich moderní vektorové podobě (upravené Heavisidem) platí:

• Gaussův zákon pro elektrické pole: zdrojem elektrického pole jsou elektrické náboje.
• Gaussův zákon pro magnetické pole: magnetické monopoly neexistují – siločáry jsou uzavřené.
• Faradayův zákon elektromagnetické indukce: proměnné magnetické pole vytváří elektrické pole.
• Ampérův zákon s Maxwellovým doplňkem: proměnné elektrické pole (posuvný proud) vytváří magnetické pole.

Právě zavedení posuvného proudu bylo Maxwellovým klíčovým příspěvkem – umožnilo mu odvodit vlnovou rovnici pro elektromagnetické pole a předpovědět rychlost šíření vln.

Rychlost světla

Již v roce 1862 Maxwell při výuce na King's College London vypočítal, že rychlost šíření elektromagnetického pole odpovídá rychlosti světla. V práci z roku 1865 toto odvození upřesnil a získal hodnotu 310 740 000 m·s⁻¹, blízkou tehdy naměřeným přímým hodnotám. Totéž číslo pak Maxwell podrobněji analyzoval v kapitole XX svého Treatise z roku 1873.

V roce 1871, když mu bylo 40 let, přijal Maxwell místo prvního profesora experimentální fyziky (Cavendish Professor of Experimental Physics) na Cambridžské univerzitě. Dohlížel na výstavbu Cavendishovy laboratoře, která byla otevřena roku 1874 a kterou vedl až do své smrti. V roce 1873 vydal Maxwell svůj rozsáhlý spis Treatise on Electricity and Magnetism (Pojednání o elektřině a magnetismu) – shrnul v něm, že zdrojem magnetického pole může být buď magnet, nebo elektrický proud, a že magnetické pole je vytvářeno také proměnným elektrickým polem (posuvným proudem). Odmítl myšlenku vzájemně nezávislého elektrického a magnetického pole a zavedl jednotný pojem elektromagnetické pole.

James Clerk Maxwell zemřel v Cambridgi ve věku 48 let.

Maxwell v praxi

Maxwellova teorie elektromagnetického pole měla přímý dopad na rozvoj moderní techniky:

• Bezdrátová komunikace: Heinrich Hertz v roce 1887 experimentálně potvrdil existenci elektromagnetických vln předpovězených Maxwellem. Na tomto základě Marconi v roce 1901 uskutečnil první transatlantický rádiový přenos.
• Barevná fotografie: Maxwell v roce 1861 demonstroval první barevnou fotografii – tartanová stuha fotografovaná přes červený, zelený a modrý filtr a zpětně promítnutá na plátno přes tytéž filtry. Princip RGB je základem dnešní digitální fotografie i displejů.
• Elektromagnetické spektrum: Maxwellova teorie sjednotila viditelné světlo, infračervené záření, ultrafialové záření i rádiové vlny jako různé části téhož spektra lišící se frekvencí.
• Speciální teorie relativity: Maxwellovy rovnice jsou invariantní vůči Lorentzovým transformacím, nikoli vůči Galileiho transformacím. Tento rozpor vedl přímo k Einsteinově speciální teorii relativity (1905).

Časté otázky

Kolik Maxwellových rovnic existuje?

V Maxwellově původním zápisu z roku 1865 to bylo dvacet rovnic pro dvacet neznámých. Oliver Heaviside je ve 80. letech 19. století přepsal do kompaktní vektorové podoby čtyř rovnic, v nichž je dnes fyzici běžně znají.

Jak Maxwell dokázal, že světlo je elektromagnetické vlnění?

Ze svých rovnic odvodil vlnovou rovnici pro elektromagnetické pole a vypočítal rychlost šíření vln z elektrických konstant (permitivita a permeabilita vakua). Výsledek se shodoval s tehdy naměřenou rychlostí světla – Maxwell to označil za více než shodu náhod.

Co je Maxwellův démon?

Myšlenkový experiment z roku 1867: imaginární bytost kontrolující průchod molekul mezi dvěma komorami, která by zdánlivě porušovala druhý termodynamický zákon. Problém byl vyřešen až v roce 1961 (Landauerův princip) – klíčem je informace a její mazání.

Co je jednotka maxwell?

Maxwell (Mx) je jednotka magnetického toku v soustavě CGS. Platí 1 Mx = 10⁻⁸ Wb (weber v soustavě SI). V soustavě SI se pro magnetický tok používá weber.

Další informace

• James Clerk Maxwell – Wikipedie
• James Clerk Maxwell (Maxwell biography) – J. J. O'Connor, E. F. Robertson, MacTutor
• Maxwell, James (1831–1879) – Eric W. Weisstein, ScienceWorld
• James Clerk Maxwell Foundation – clerkmaxwellfoundation.org

Časté překlepy: Maxvel, Maxvell, Maxwel, Džejms, Clark, Clerc, Klerk, Klark.

Související

Pojmenováno po Maxwellovi

• Převody magnetického toku – maxwell (Mx) – jednotka magnetického toku v CGS
• Termoemise – Maxwellovo–Boltzmannovo rozdělení rychlostí

Fyzici a témata

• Michael Faraday – autor konceptu siločar, který Maxwell matematicky rozvinul
• Heinrich Rudolf Hertz – experimentálně ověřil existenci elektromagnetických vln (1887)
• Hendrik Antoon Lorentz – Lorentzovy transformace a Lorentzova síla
• Albert Einstein – speciální teorie relativity vycházela z Maxwellových rovnic
• Magnetický tok – převody jednotek Mx a Wb
• Rychlost světla – konstanta odvozená z Maxwellových rovnic
• CGS soustava – soustava, v níž se maxwell jako jednotka používal