Статья: Основоположник современной радиотехники и радиоэлектроники
Максвелл утверждал, что каждый электрический ток окружен магнитным полем и «метод Фарадея» можно выразить в математической форме. Убедительной иллюстрацией справедливости утверждения Максвелла служит формулирование Фарадеем закона электромагнитной индукции: «…количество приведенного в движение электричества прямо пропорционально числу пересеченных силовых линий». В одном из своих уравнений Максвелл формулирует закон электромагнитной индукции, утверждая, что электродвижущая сила, возникающая в контуре при изменении магнитного потока, пропорциональна скорости изменения этого потока, и впервые вводит в свое уравнение широко известное в наше время выражение:
Максвелл понимал, что гениальные фарадеевские магнитные линии не пригодны для расчетов, в то время как стремительно развивающаяся электротехника, в частности, средства связи, получившие «романтический образ» в виде трансатлантического телеграфа, требовали математического решения новых проблем. Вместе с В. Томсоном Максвелл ищет физическую аналогию электрическим явлениям и находит ее в труде знаменитого французского ученого Ж. Б. Фурье «Аналитическая теория тепла», вышедшем в 1822 г.
Справедливости ради нужно отметить, что впервые аналогию между электрическими и тепловыми явлениями применил знаменитый немецкий физик Г.С. Ом, когда Максвелла еще не было на свете. В теории Фурье тепловой поток между двумя телами или двумя частями одного и того же тела объяснялся разностью температур. Ом уподобил электрический ток в проводнике «тепловому потоку», вызванному разностью «электрических сил». По аналогии с формулой, выведенной Фурье для теплового потока, Ом нашел формулу для электрического тока, которая была приведена в его фундаментальном труде в 1827 г., и дал формулировку своему известному закону электрической цепи, носящему ныне его имя. Ом также успешно воспользовался и гидравлической аналогией – течением воды в трубах, вызванным разностью уровней расположения труб и их диаметром.
Характерно, что Максвелл, по-видимому не зная о работах Ома, также создавал гидродинамическую модель среды, передающей электрические и магнитные взаимодействия, и описывал их с помощью движущейся жидкости. «Я старался, – писал Максвелл, – представить математические идеи в наглядной форме». После многочисленных математических операций он пришел к применению векторного анализа.
В 1855–1856 гг. Максвелл издает свой первый труд по электромагнитным явлениям «О Фарадеевых силовых линиях» и первую его часть докладывает Кембриджскому философскому обществу. В 1856 г. он становится профессором Абердинского университета в Шотландии, а год спустя отсылает труд Фарадею. Пожилой ученый был необычайно обрадован этим подарком и писал Максвеллу: «Ваша работа приятна мне и оказывает мне большую поддержку».
Пять лет спустя Максвелл излагает свою электромагнитную теорию в трудах «О физических линиях сил» (1861–1862 гг.) и «Динамическая теория поля» (1864–1865 гг.). Он придал идеям Фарадея математическую завершенность, впервые ввел термин «электромагнитное поле» и сформулировал законы этого поля.
К тому времени Максвелл становится профессором в Лондонском Кингз-Колледже. Последний раздел своего труда «Динамическая теория поля» ученый назвал «Электромагнитная теория света». В нем он утверждал, что существуют «поперечные электромагнитные волны», распространяющиеся со скоростью, близкой к скорости света, которая была установлена в 1849 г. французским физиком И. Физо, и давал формулу для определения этой скорости. Таким образом, можно утверждать, «что свет состоит из поперечных колебаний той же среды, которая является причиной электромагнитных явлений». Электромагнитная теория света – важнейшее достижение теории Максвелла. Содержание этого раздела – еще одна иллюстрация гениальных выводов ученого.
Правда, Максвелл утверждал, что впервые мысль об электромагнитной природе света высказал Фарадей в своей статье «Мысли о лучевых вибрациях» (1846).
Но Максвелл, как и все другие физики, не знал, что еще в марте 1832 г. Фарадей передал в Королевское общество конверт с письмом, в котором сообщал, что «электрическая индукция» распространяется подобно магнитному взаимодействию, и процесс распространения индукции похож «на колебания взволнованной водной поверхности» или «звуковые колебания» частиц воздуха, а также является «наиболее вероятным объяснением световых явлений». Фарадей подчеркивал, что на распространение магнитного воздействия требуется время, которое «оказывается весьма незначительным». В заключение ученый указывал, что он пока не имеет времени подтвердить свои воззрения экспериментально и поэтому хочет «закрепить свои открытия определенной датой», так как ему известно, что «никто из ученых не имеет подобных взглядов». Письмо это было обнаружено спустя 106 лет, в 1938 г.
Поразительна интуиция Фарадея, который впервые так образно сравнил распространение «магнитного взаимодействия» с колебаниями «взволнованной водной поверхности». Идеей о существовании электромагнитных волн и невиданной скорости их распространения Фарадей создал своеобразный плацдарм для последующего будущего развития электросвязи и радиотехники. А труды Максвелла приблизили это развитие и сделали его достоянием практики.
В «Динамической теории поля» математические уравнения Максвелла приобретают завершенный вид. Он формулирует законы в виде векторных уравнений, связывающих магнитную индукцию с напряженностью магнитного поля, напряженность магнитного поля с силой создающего его тока, электродвижущую силу с изменением магнитного поля.
Им было введено важное понятие токов смещения, характеризующих состояние диэлектрика в электрическом поле. Он выводит формулу, позволяющую определить энергию электрического поля, а также доказывает, что свет представляет собой электромагнитное явление. Максвелл впервые в истории физики вводит термин «электромагнитное поле» и дает его определение как «…часть пространства, которое содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом и магнитном состоянии».
Далеко не всем известно, что в 1865 г., в год публикации «Динамической теории поля», с Максвеллом произошел несчастный случай, в результате которого мир мог лишиться величайшего физика, и знаменитый «Трактат по электричеству и магнетизму» никогда бы не увидел свет. Во время верховой прогулки с женой на загородной даче лошадь, на которой скакал Джеймс, внезапно чего-то испугалась и понеслась в лес, и Максвелл сильно ударился головой о нависавшую ветвь. Ранение было очень серьезным, возникло рожистое воспаление головы. Врачи запретили ему умственную работу, и только крепкое здоровье 34-летнего ученого, его выдержка и оптимизм помогли преодолеть опасный недуг.
«Трактат по электричеству и магнетизму»
В 1873 г. вышел главный труд Максвелла – «Трактат по электричеству и магнетизму». В начале книги дается критический обзор всех ранее опубликованных теорий электричества и магнетизма. Автор утверждает, что «многопудовые» труды по электричеству и магнетизму в большинстве своем лежат на полках библиотек, далеки от практических задач и не отвечают потребностям инженеров и ученых.
В «Трактате…» изложены основы векторного исчисления, с помощью которого им, как уже отмечалось, были выведены ставшие знаменитыми уравнения электромагнитного поля. Эти уравнения были сформулированы ранее в его труде «Динамическая теория поля», но их вывод осуществлен Максвеллом более обоснованно, с использованием исходных экспериментов и основных понятий. В «Трактате…» возросло число уравнений, изменилась их нумерация. В четырех частях этого труда нашли отражение все вопросы, относящиеся к электростатике, электрокинематике, магнетизму и электромагнетизму.
В отличие от многих своих предшественников, Максвелл стремился каждую математическую величину наделять глубоким физическим смыслом. Но при этом уравнения оказывались довольно сложными. Максвелл понимал трудность восприятия своих оригинальных математических выкладок, именно поэтому начал писать популярное изложение своих теорий. К сожалению, преждевременная смерть не позволила ему закончить этот труд.