James Clerk Maxwell

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Portrait von James Clerk Maxwell
geboren
13. Juni 1831  in Edinburgh
gestorben
5. November 1879  in Cambridge
Maxwellsche Gleichungen
1862

 

Der Vater von James Clerk Maxwell war ein Gutsbesitzer und Sonderling, an dem Maxwell mit großer Liebe hing. Er ließ dem Knaben nach dem frühen Tod der Mutter, deren Familie den Namen Maxwell trug, die beste Schulbildung zuteil werden. Maxwell studierte drei Jahre Mathematik und Physik in Edinburgh und schloss 1854 sein Studium in Cambridge ab. Ein Jahr später legte er hier seine erste Arbeit vor, die schon auf die späteren Maxwellschen Gleichungen zielte.

1856 erhielt Maxwell eine kleine Professur in Aberdeen. Von 1860 an wirkte er für fünf Jahre am King's College in London. Ähnlich wie Hermann von Helmholtz beschäftigte sich Maxwell mit der Physiologie des Farbensehens und baute die Dreifarbentheorie von Thomas Young weiter aus.

Revolutionär waren Maxwells Arbeiten zur Elektrodynamik, wo er direkt auf den experimentellen Ergebnissen von Michael Faraday aufbaute und seine intuitiven Vorstellungen in die mathematisch strenge Form der Feldphysik brachte. Durch Maxwells vier berühmte Vektorgleichungen wurden zudem alle Erkenntnisse Faradays zutreffend wiedergegeben. So enthielt eine dieser Gleichungen als Sonderfall das Induktionsgesetz. Die Gleichungen beschreiben aber darüber hinaus bereits die Gesetzmäßigkeiten elektromagnetischer Wellen, die damals experimentell noch nicht realisiert werden konnten. Dies gelang erst Heinrich Hertz im Jahre 1886. Maxwell entwickelte als Krönung seiner Arbeiten mit Hilfe seiner Gleichungen die elektromagnetische Lichttheorie, durch welche die Optik zu einem Teilgebiet des Elektromagnetismus wurde.

Maxwell führte den Begriff des magnetischen Flusses ein. Diesem Begriff liegt die Vorstellung zugrunde, dass das magnetische Feld in der Art eines Flusses die Induktionsspule durchfluten muss, damit bei der Änderung des Flusses Spannung induziert wird. In der Tat lassen sich viele Eigenschaften elektrischer und magnetischer Felder am Modell des Strömungsfeldes einer Flüssigkeit veranschaulichen. Die feldbestimmenden Ladungen eines elektrischen Feldes sind in dieser Betrachtungsweise Quellen und Senken. Dem Fehlen magnetischer Ladungen entsprechend hat das magnetische Feld keine Quellen und Senken - es ist ein Wirbelfeld mit Wirbeln der magnetischen Flussdichte um die felderzeugenden elektrischen Ströme. Von diesen Modellvorstellungen machten Faraday, der Experimentator, und Maxwell, der Theoretiker des Elektromagnetismus, ausgiebig Gebrauch.

Die vollen Maxwellschen Gleichungen wurden 1862 im Philosophical Magazine unter dem Titel "On Physical Lines of Force" veröffentlicht. In der Einführung des Verschiebungsstromes ging Maxwell dabei über Faraday hinaus. Nach Maxwell muss ein sich änderndes elektrisches Feld in einem Kondensator wie ein elektrischer Strom magnetische Wirkungen zeigen. Gerade diese Annahme führte zur Möglichkeit transversaler elektromagnetischer Wellen. Über die mathematisch errechnete Fortpflanzungsgeschwindigkeit schrieb Maxwell 1864: "This velocity is so nearly that of light, that it seems we have strong reason to conclude that light itself (including radiant heat, and other radiation if any) is an electromagnetic disturbance in the form of wave propagated through the electromagnetic field according to electromagnetic laws."1873 legte Maxwell in dem zweibändigen "Treatise" eine Zusammenfassung aller bisherigen Arbeiten vor. Die Maxwellschen Gleichungen erschienen dabei in einer komplizierteren Form. Erst Heinrich Hertz und Oliver Heaviside griffen auf die ursprüngliche Fassung zurück. Es dauerte Jahrzehnte, bis die Maxwellschen Gleichungen voll verstanden und anerkannt wurden. Dann aber bildete die "Maxwellsche Elektrodynamik" zusammen mit der noch von Newton stammenden Mechanik das stolze Gebäude der klassischen Physik. Ludwig Boltzmann, der selbst viel zur Einführung der Maxwellschen Gleichungen beitrug, stellte in Bewunderung ihrer Schönheit und Symmetrie dem Teil 2 seiner "Vorlesungen über Maxwells Theorie" als Motto das Goethewort voran: "War es ein Gott, der diese Zeichen schrieb [?]".

Ein weiteres Forschungsgebiet von Maxwell war die kinetische Gastheorie. Er griff die Ansätze von August Karl Krönig und Rudolf Clausius auf. Während diese nur die mittlere Geschwindigkeit der Moleküle betrachtet hatten, stellte Maxwell die Frage nach der individuellen Geschwindigkeit des einzelnen Teilchens. Er fand die heute sog. Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung und begründete damit zugleich die statistische Physik. Mit Ludwig Boltzmann hat er zusammen durch Parallelarbeit, einander anregend und kritisierend, das neue Gebiet aufgebaut. Als Wegbereiter der kinetischen Gastheorie war Maxwell auch ein überzeugter Anhänger der Atomistik. In einer programmatischen Rede vor der British Association for the Advancement of Science äußerte er 1871 seine Überzeugung, dass die Atome absolut unveränderliche Gegebenheiten darstellen, und leitete daraus die Forderung nach atomaren Standards für die Grundeinheiten der Masse, der Länge und der Zeit ab (Naturkonstanten).

1865 legte Maxwell aus gesundheitlichen Gründen sein Lehramt am King's College nieder. Sein Gutsbesitz in Schottland sicherte ihm finanzielle Unabhängigkeit, und frei von den akademischen Verpflichtungen setzte er seine Forschungen als Privatgelehrter fort und verfasste die umfangreichen Manuskripte seiner Anfang der siebziger Jahre erschienenen Werke. Eine Berufung nach St. Andrews, an die älteste schottische Universität, lehnte er ab. Als aber die Universität Cambridge einen Lehrstuhl für Experimentalphysik neu gründete und, erstmalig für England, mit einem großen Unterrichtslaboratorium ausstattete, nahm Maxwell die für die britische Wissenschaft so wichtige Aufgabe an. In Großbritannien hatte es bisher nur ein physikalisches Universitätslaboratorium von William Thomson im schottischen Glasgow gegeben. Der Bau und die Einrichtung des nach dem hauptsächlichsten Geldgeber so genannten "Cavendish Laboratory" nahm viel Zeit in Anspruch. Mit ihm begründete Maxwell aber eine moderne Ausbildung und die berühmte Tradition der Experimentalphysik in Cambridge.

Bildquellen:

  • http://www.katharinen.ingolstadt.de/physiker/maxwell.html
  • http://www.micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/maxwell.html

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