¿Cómo descubrió Maxwell la teoría de los campos electromagnéticos?
El 13 de noviembre de 1831, poco después de que Faraday descubriera la inducción electromagnética, nació Maxwell en Edimburgo, la capital de Escocia. A diferencia de Faraday, que provenía de un entorno humilde, su familia estaba bien informada y tenía muchos eruditos famosos entre sus antepasados. Su padre tenía una industria en el campo, era abogado de profesión, pero su interés era la ciencia y la tecnología. Le encantaba diseñar máquinas, la ciencia y hacer preguntas. Maxwell fue criado desde la infancia y ya tenía mucho talento cuando estaba en la escuela secundaria. En el segundo año, fue admitido en la Universidad de Edimburgo. Tres años más tarde, se trasladó a la Universidad de Cambridge y se graduó con el segundo puesto en matemáticas de primera clase. Maxwell fue influenciado por su padre y estaba interesado en problemas prácticos. Sus temas de investigación giran en torno a cómo utilizar las matemáticas para resolver problemas de física, astronomía o ingeniería.
Después de graduarse en la Universidad de Cambridge, Maxwell estudió inicialmente la teoría del color de la luz. Pronto leyó los estudios experimentales electromagnéticos de Faraday. Reemplazando el vacío de Newton con un campo lleno de líneas de fuerza, y reemplazando la acción de Newton a distancia con una forma de onda y una velocidad finita en el campo de fuerza, esta idea extraordinaria y audaz despertó la imaginación de Maxwell y despertó sus gritos. Sin embargo, Maxwell también vio que el método de expresión de Faraday no era lo suficientemente estricto y tenía lagunas. Fue aquí donde pudo mostrar sus talentos matemáticos.
En el artículo electromagnético de Maxwell "Sobre las líneas de fuerza de Faraday", la primera frase es: "Con respecto a la ciencia de la electricidad, la situación actual es particularmente desfavorable para el pensamiento". Utilizó la idea de líneas de fuerza de Faraday para demostrar claramente a matemáticos y físicos las conexiones internas entre los diversos fenómenos dispares descubiertos por Faraday. Para lograr esto, se deben cumplir dos condiciones: ① Aclarar conceptos físicos y establecer un modelo físico para analogía y referencia; ② Utilizar herramientas matemáticas para dar relaciones cuantitativas precisas. Maxwell resumió la descripción física de Faraday de las líneas del campo magnético alrededor de una corriente eléctrica como una ecuación diferencial vectorial. Este fue un buen comienzo, ya que la intuición física de Faraday y las habilidades de análisis matemático de Maxwell comenzaron a converger.
Faraday era 40 años mayor que Maxwell. Sus orígenes, educación, personalidades y aficiones eran completamente diferentes. Uno es del nivel más bajo de la sociedad y el otro es de una familia noble. Uno ni siquiera se ha graduado de la escuela primaria y el otro es un estudiante talentoso en una prestigiosa universidad. El discurso de Faraday fue elocuente y fascinante; Maxwell era rápido en el pensamiento y agudo en las palabras, pero no le importaba si el oyente lo entendía o no, simplemente usaba su propia expresión. Uno es un maestro en experimentos y el otro es un maestro en matemáticas. Uno es bueno para utilizar la intuición, captar la esencia de los fenómenos físicos y diseñar experimentos, observaciones, registros e inducciones ingeniosos; el otro es bueno para construir modelos físicos y utilizar técnicas matemáticas para deducir, analizar y mejorar. Si combinas las características de ambos, serás un físico ideal. Ahora sí se unen. Creen firmemente en la materialidad del campo y se oponen a la acción de Newton a distancia; su objetivo es el mismo: establecer una nueva teoría electromagnética que no esté subordinada al sistema de filosofía natural de Newton.
Antes de que Maxwell estableciera su teoría electromagnética, físicos alemanes como Neumann y Weber heredaron la visión de Ampere sobre la acción a distancia e hicieron muchas contribuciones al estudio de los fenómenos electromagnéticos, formando la electrodinámica. Sin embargo, intentaron comprender los fenómenos electromagnéticos dentro del marco de la mecánica y propusieron varios "potenciales" de interacción complejos para describir el proceso electromagnético. La teoría era compleja y antinatural, y no lograron establecer un sistema teórico unificado. Maxwell heredó el concepto de acción cercana de Faraday y logró avances decisivos.
Maxwell dio tres pasos importantes para establecer la teoría electromagnética, lo que llevó más de 10 años. Centró su atención en la línea de fuerza de Faraday desde el principio.
En 1856, publicó su primer artículo sobre teoría electromagnética, "Sobre las líneas de fuerza de Faraday". Basado en los estudios analógicos de Kelvin sobre los fenómenos de conducción de calor, el movimiento de fluidos y las líneas de fuerza electromagnéticas, fue el primer intento de expresar el concepto de líneas de fuerza de Faraday en una forma matemática precisa. En el artículo dio las relaciones diferenciales de las leyes conocidas del campo eléctrico.
En 1862, publicó su segundo artículo "Sobre las líneas de fuerza en la física". En este artículo, propuso un modelo de éter de vórtices moleculares que podría usarse para derivar todas las leyes fundamentales conocidas de la electricidad y el magnetismo mediante cálculos matemáticos. Además, Maxwell también introdujo el concepto de "corriente de desplazamiento" basándose en este modelo: los campos eléctricos cambiantes provocan cambios en el desplazamiento eléctrico del medio que, al igual que las corrientes de conducción, excitan los campos magnéticos en el espacio circundante.
La corriente de desplazamiento es completamente original de Maxwell (fue introducida audazmente sin ninguna indicación experimental sólo para garantizar la autoconsistencia de la teoría, compatible con la ley de conservación de la carga). Por tanto, la teoría del electromagnetismo de Maxwell fue mucho más que un refinamiento matemático de las ideas de Faraday. Se propone que la corriente de desplazamiento no sólo asegura la autoconsistencia de la teoría, sino que también hace que la teoría tenga una especie de reciprocidad: el campo eléctrico cambiante excita el campo magnético del vórtice en el espacio circundante, y el campo magnético cambiante excita el Campo eléctrico de vórtice en el espacio circundante. Esta es la separación. El campo eléctrico y el campo magnético que cambian interactivamente debido a la fuente del campo proporcionan la base para la existencia independiente del campo electromagnético. El campo electromagnético es un nuevo tipo de movimiento que se propaga por el espacio en forma de ondas transversales, formando las llamadas ondas electromagnéticas.
En 1865, publicó su tercer artículo, "La teoría dinámica de los campos electromagnéticos". Ya no utilizó el modelo de éter que propuso en el pasado, sino que utilizó métodos de análisis matemático para resumir las ecuaciones básicas del campo electromagnético que lleva su nombre: las ecuaciones de Maxwell. De este sistema de ecuaciones dedujo la ecuación de onda que satisface el campo electromagnético y predijo la existencia de ondas electromagnéticas. Dado que la velocidad de propagación calculada de las ondas electromagnéticas en el vacío es la misma que la velocidad de la luz en el vacío, Maxwell afirmó que la luz es una onda electromagnética con una frecuencia dentro de un cierto rango y estableció la teoría electromagnética de la luz. Este es el fruto de la combinación de teoría y experimentación.
La sólida base matemática de Maxwell sentó las bases de su éxito. Las matemáticas son extremadamente importantes como herramienta para la investigación física. Si Maxwell no tuviera una base matemática sólida y una capacidad de pensamiento lógico riguroso, no habría podido derivar la relación de Maxwell. Esto está fuera de toda duda. También cabe señalar que Maxwell utilizó por primera vez el modelo del éter para derivar un nuevo sistema de ecuaciones y luego se atrevió a abandonar la analogía mecánica original, liberando la teoría del campo electromagnético del marco mecánico y convirtiéndose en un objeto independiente. Maxwell. Alguien lo comparó una vez de esta manera: Para Maxwell, los modelos mecánicos son como andamios cuando se construyen edificios de gran altura. Una vez construido el edificio, el andamio se desmonta poco a poco. Esto contrasta marcadamente con el Ampere que mencionamos anteriormente, que quedó completamente aprisionado por su propio marco teórico, perdiendo así la oportunidad de descubrir la inducción electromagnética. En realidad, este es un ejemplo típico del importante papel del pensamiento innovador en el proceso de desarrollo científico. Tiene cierto efecto inspirador en el cultivo de la conciencia del pensamiento innovador en el proceso de enseñanza y aprendizaje actual.
Las ecuaciones de Maxwell fueron catalogadas como una de las “10 fórmulas que cambiaron la faz del mundo”. Después de que Faraday y Maxwell construyeran el edificio del electromagnetismo, apareció otro físico destacado: Hertz. Confirmó experimentalmente la existencia de ondas electromagnéticas. En menos de seis años, Marconi de Italia y Popov de Rusia lograron, respectivamente, la propagación de radio a larga distancia. La telegrafía inalámbrica, la radiodifusión, los teléfonos inalámbricos, la televisión, los radares e innumerables tecnologías de radio han florecido, haciendo que la vida humana sea rica y colorida sin precedentes.