جیمز کلرک ماکسول ، که در سال کشف قانون القای فاراده به دنیا آمد ، بیشتر عمر کوتاه اما پر بار ، خود را در راه تدوین مبانی نظری کشف های تجربی فاراده صرف کرد.

جیمز کلرک ماکسول (James Clerk Maxwell) ، که در سال کشف قانون القای فاراده به دنیا آمد ، بیشتر عمر کوتاه اما پر بار ، خود را در راه تدوین مبانی نظری کشف های تجربی فاراده صرف کرد. و به این ترتیب توانست معادلات احساسی خود را که بعد او تحسین همگان را برانگیخت، ابداع کند.

بطوری که انیشتین با دو شکافی زیاد در معادلات ماکسول ، به نظریه نسبت رهنمون شد. انیشتین بزرگترین تحسین کننده ماکسول ، درباره او نوشت: "احساسات او را در لحظه ای تصویر کنید که معادلات دیفرانسیل فرمولبندی می شد. توسط می برایش ثابت کردند که میدانهای الکترومغناطیسی به صورت امواج قطبیده و با سرعت نور منتشر می شوند."

شباهت معادلات ماکسول با معادلات دیگر

در مطالعه مکانیک کلاسیک و ترمودینامیک به یک سری قوانین و معادلات برخورد می کنیم که تا حد امکان یک موضوع را بطور کامل بیان می کنند. مثلا در مکانیک کلاسیک قوانین حرکت نیوتن نقش کلیدی بازی می کنند، به گونه ای که تشریح حرکت بدون استفاده از این قوانین عملا غیر ممکن است. در ترمودینامیک نیز سه قانون اساسی وجود دارند که همواره بحث های ترمودینامیک پیرامون این قوانین صورت می گیرد.

اغراق نکرده ایم که اگر بگوییم کلیه مباحث الکترومغناطیس کلاسیک بر اساس معادلات ماکسول صورت می گیرند. البته معادلات دیگری مانند معادله مربوط به شدت میدان الکتریکی و موارد دیگر نیز وجود دارند، اما همه این کمیتها باید به گونه ای تعیین شوند که معادلات ماکسول را ارضا کنند، یعنی جهت امتحان درست یا غلط بودن محاسبه یک کمیت مانند میدان الکتریکی یا میدان مغناطیسی کافی است، کمیت مورد نظر در معادلات ماکسول قرار دهیم، اگر در این معادلات صدق کرد، نتیجه محاسبه درست بوده ، در غیر این صورت نتیجه محاسبه غلط خواهد بود.

تاریخچه

ماکسول نظریه الکترومغناطیس خود را در کتابی تحت عنوان "رساله ای درباره الکتریسته و مغناطیس" که در سال ۱۸۷۳ یعنی درست ۶ سال قبل از نوشتن ، انتشار یافت، ارائه داد. اولیور هوی ساید (Oliver Heaviside) ، که به عنوان فردی بسیار خود آموخته و تلگرافچی بیکار شده شهرت داشت، نظریه الکترومغناطیس را در سالهای ۱۸۷۰ بخوبی فرا گرفته بود و همان اوست که نظریه ماکسول را در قالب چهار معادله ای که امروزه می شناسیم، در آورده است.

مقایسه قوانین حرکت نیوتن با قوانین ماکسول

گفتیم که معادلات ماکسول ، در الکترومغناطیس همان اهمیتی را دارد که قوانین حرکت نیوتن در مکانیک کلاسیک دارند. اما میان این دو تفاوت فاحشی وجود دارد. انیشتین نظریه نسبیت خود را در سال ۱۹۰۵ ، یعنی تقریبا ۲۰۰ سال بعد از اعلام قوانین حرکت نیوتن و در حدود ۴۰ سال بعد از معرفی معادلات ماکسول ارائه داد. همانگونه که معرفی شده است، در حالتهایی که سرعت اجسام نزدیک سرعت نور می شود، باید قوانین نیوتن بطور جدی تصحیح شوند، اما در این حالتها لزومی ندارد که تغییری در معادلات ماکسول داده شود، این معادلات با نظریه نسبیت خاص کاملا سازگار است. در واقع ، نظریه انیشتین از تفکر عمیق و دقیق او در باره معادلات الکترومغناطیس ماکسول نشات گرفته است.

تشریح معادلات ماکسول

۱) معادله اول که می توان آنرا قانون گاوس در الکتریسته نیز نامید، بیان می کند که میدان الکتریکی با مقدار باری آن میدان را ایجاد می کند، رابطه مستقیم دارد.

۲) معادله دوم که می توان آنرا قانون گاوس در مغناطیس نام نهاد، بیان می کند، که تک قطب مغناطیسی وجود ندارد. یعنی بر خلاف بارهای مثبت و منفی که می توانند جدا از هم وجود داشته باشند، هرگز نمی توانیم دو قطب مغناطیسی (به عنوان مثال قطبهای یک آهنربا) را از هم جدا کنیم.

۳) معادله سوم که به قانون القای فارادی معروف است، بیان می کند که اگر میدان مغناطیسی (جدا از نظر تعداد یا از نظر جهت) تغییر کند، میدان الکتریکی در مدار القا می شود که به آن میدان الکتریکی القایی می گویند.

۴) معادله چهارم که به عنوان قانون آمپر نیز معروف است، بیان می کند که میدان مغناطیسی را می تواند در نتیجه یک میدان الکتریکی متغیر و یا یک جریان الکتریکی متغیر ایجاد کرد.