James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell
Ilaria Vaccaro
Classe 5G a.s 2014/2015
Liceo scientifico «G. Ulivi»
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Sommario
Biografia……………………………………………………………………………….. 3 - 6
Prime scoperte…………………………………………………………………….. 4
La teoria dei colori…………………………………………………………………. 7 - 10
La prima fotografia a colori……………………………………………………. 11-12
Probabilità atomiche…………………………………………………………….. 13-14
Teoria cinetico………………………………………………………………………. 15-20
Equilibrio termico…………………………………………………………………18
Calore e lavoro……………………………………………………………......... 19-20
Le equazioni di maxwell……………………………………………………………. 21-26
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Biografia
James Clerk Maxwell nacque il 13
giugno 1831 ad Edimburgo.
La madre, Frances Cay, lo seguì nella
sua istruzione giovanile fino alla sua
precoce morte.
Il padre poi, lo iscrisse all’Accademia
dove conobbe Lewis Campbell.
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Prime scoperte
A 14 anni iniziò a studiare come poter disegnare gli
ovali.
Il metodo più efficace fu quello di utilizzare uno
spillo, uno spago e una matita.
Dopo vari studi riuscì a dedurre l’equazione generale
di tutti gli ovali:
mxp + nxq = s
M,n: numeri naturali interi
•
P,q: distanze della matita
•
S : lunghezza del filo
•
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A 16 anni iniziò a frequentare l’università di
Edimburgo che abbandonò in seguito per seguire
le lezioni al Trinity Colledge di Cambridge, dove
conobbe William Thomson.
Dal 1855 al 1872 iniziò a pubblicare articoli con
argomento principale la percezione del colore.
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Nel 1859 vinse il premio Adams sul saggio:
«Sulla stabilità degli anelli di Saturno».
Nel quale dimostrò che la stabilità degli anelli di Saturno
poteva esistere solo se in essi era presente una quantità di
pezzi di roccia orbitanti intorno al pianeta.
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La teoria del colore
Maxwell iniziò ad interessarsi alla
questione dei colori da quando
frequentava il laboratorio di Forbes ad
Edimburgo.
Il suo mentore sosteneva che si potessero
creare tutti i colori usando un disco
cromatico classico opportunamente
modificato.
Primo disco disco cromatico con la relazione
tra colori primari e secondari. Opera di
Newton
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James capì che utilizzando un disco
cromatico avente i tre colori primari
(rosso, verde e blu) tutto
funzionava perfettamente.
Ma non soddisfatto dei risultati
ottenuti, modificò il disco
cromatico, in modo da poter
scegliere le singole quantità di
colore da utilizzare.
Successivamente aggiunse anche
un dico più piccolo così da poter
ottenere lo stesso colore in
entrambi.
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Tutto era regolato da una semplice equazione dove A, B, C e D sono colori;
a, b, c e d sono le quantità di ciascun colore; «+» significa combinando tra
loro; «=» significa ha lo stesso colore di.
cC+dD=aA+bB
È possibile affermare quindi che per un qualsiasi colore X esisteva una
miscela di colori per cui:
xX=aA+bB+cC
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Con un’altra semplice equazione:
Colore=%R+%V+%A
Dove:
R=rosso
V=verde
A=blu
Maxwell riuscì a completare più precisamente i
diagrammi di Newton.
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La prima fotografia a colori
Nel maggio del 1871 Maxwell fu invitato dalla Royal Society a spiegare la
teoria dei colori in una conferenza.
Aiutato da Thomas Sutton, fotografo esperto, Maxwell decise di far vedere
praticamente ciò che avrebbe poi spiegato. Utilizzò una macchina da lui
creata che gli permetteva di mescolare due colori, dello spettro della luce,
inquadrando una sola persona.
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I due scattarono tre fotografie su un
nastro di tartan scozzese utilizzando filtri
di colore diverso: rosso, verde e blu. Dopo
averle sovrapposte i formò la prima
fotografia a colori nella storia.
La Kodak molti anni dopo riprese questo
esperimento sostenendo che fu possibile
solo perché la stoffa di colore rosso
rifletteva anche la luce ultravioletta che
oltrepassava il filtro rosso.
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Probabilità atomiche
Nella seconda metà del XIX secolo molti
scienziati intrapresero degli studi incentrati sulla
spiegazione del moto di milioni di atomi che
costituiscono un gas.
Nel 1859 Maxwell intuì la soluzione durante la
spiegazione, fatta a Clausius, di come le
particelle di un profumo possano arrivare
dall’altro capo della stanza.
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Associò la teoria della probabilità e la statistica dei gas formulando
la prima legge statistica nella storia.
Suppose che come si può descrivere il comportamento di un gas a
livello microscopico si può fare anche a livello macroscopico, come
formulò Waterston.
James collegò quindi la temperatura di un gas e le proprietà
meccaniche delle sue molecole.
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Teoria cinetica
Maxwell ottenne varie intuizioni di alcune proprietà dei gas:
Sono composti da un numero enorme di particelle identiche che si
muovono freneticamente.
•
La loro dimensione è trascurabile, non dissipano l’energia originaria, al
massimo può avvenire un passaggio di energie tra molecole.
•
L’unica energia che possiedono è l’energia cinetica.
•
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Grazie a questi presupposti ottenne uno dei più importanti risultati
della neonata teoria cinetica dei gas:
L’energia cinetica media dipende esclusivamente della temperatura e
non dalla massa o dal numero di atomi che compongono la molecola.
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Se si paragonano due gas a temperature diverse, il gas più caldo è
quello le cui molecole hanno un’energia cinetica maggiore.
Il gas più freddo invece ha energia cinetica minore.
To = 80K
T1 = 400K
T2 = 50K
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Equilibrio termico
Se si mettono a contatto due gas con temperature diverse è possibile
notare, dopo un tempo opportuno, che i due gas hanno la stessa
temperatura.
A = gas caldo
B = gas freddo
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Calore e lavoro
L’energia di un gas è sostanzialmente la somma di tutta l’energia delle
varie molecole. Si può fare inoltre un distinzione tra calore e lavoro che
dipende dal tipo di movimento prodotto dalle particelle.
Se si prende in considerazione una macchina a vapore è possibile notare
questa differenza, in quanto trasforma il calore in lavoro.
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Un gas caldo con la sua energia
cinetica, movimento disordinato
delle particelle (calore), esercita una
pressione sul pistone.
Quando il pistone si sposta,
producendo lavoro, le particelle del
gas si muovono tutte in modo
ordinate.
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Le equazioni di Maxwell
Nel 1864 pubblicò nel suo articolo “A dynamical theory of the
electromagnetic field’’ le equazioni che regolano il comportamento dei
campi magnetici ed elettrici.
Riformulando i teoremi già conosciuti:
Legge di Gauss elettrica;
•
Legge di Faraday;
•
Legge di Gauss magnetica;
•
Legge di Ampere.
•
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La legge di Gauss: descrive il flusso di campo magnetico che attraversa una
superfice chiusa nello spazio;
•
La legge di Faraday: afferma che la forza elettromotrice indotta è direttamente
proporzionale alla rapidità della variazione del flusso di campo magnetico;
•
La legge di Gauss: sostiene che è impossibile trovare un polo nord ed un polo
sud magnetico isolato;
•
La legge di Ampere: stabilisce che una corrente elettrica stazionaria genera un
campo magnetico statico.
•
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La legge di Ampere venne corretta da Maxwell introducendo la
corrente di spostamento.
Nel caso del vuoto con l’assenza sia di cariche elettriche che di correnti
elettriche le equazioni sono:
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Che prendono la forma di un’onda elettromagnetica che viaggia nello
spazio ad una velocità pari alla velocità della luce:
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Maxwell arrivò ad affermare che la luce è costituita da onde
elettromagnetiche, infatti alla Royal Society disse:
“Essa consiste in variazioni magnetiche trasversali rapide e alternate,
accompagnate da spostamenti elettrici, la cui direzione è perpendicolare
alle perturbazioni magnetiche, anch’esse, a loro volta, perpendicolari alla
direzione del raggio”
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