James Clerk Maxwell มีผลงานของเขาเกี่ยวข้องกับแม่เหล็ก ไฟฟ้า และแสง ซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากต่อวงการวิทยาศาสตร์ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เขาได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็น “บิดาแห่งฟิสิกส์สมัยใหม่” ผลงานของเขายังเป็นรากฐานสำคัญให้แก่วงการคณิตศาสตร์ ดาราศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์
ชีวิตในวัยเด็กและการศึกษา
James Clerk Maxwell เกิดในครอบครัวที่มีฐานะทางการเงินที่เข้มแข็งในเอดินบะระเมื่อวันที่ 13 มิถุนายน พ.ศ. 2374 อย่างไรก็ตามเขาใช้เวลาส่วนใหญ่ในวัยเด็กที่ Glenlair ซึ่งเป็นที่ดินของครอบครัวที่ออกแบบโดย Walter Newall สำหรับพ่อของ Maxwell การศึกษาของ Maxwell ในวัยเยาว์พาเขาไปที่ Edinburgh Academy เป็นครั้งแรก (ซึ่งตอนอายุ 14 ปีเขาได้ตีพิมพ์ผลงานวิชาการเล่มแรกของเขาใน Proceedings of the Royal Society of Edinburgh) และต่อมาที่มหาวิทยาลัยเอดินบะระและมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ในฐานะศาสตราจารย์แม็กซ์เวลล์เริ่มต้นด้วยการบรรจุเก้าอี้ที่ว่างอยู่ในเก้าอี้ปรัชญาธรรมชาติที่วิทยาลัย Marischal ของอเบอร์ดีนในปีพ. ศ. 2399 เขาจะดำเนินการต่อในโพสต์นี้จนถึงปี 1860 เมื่ออเบอร์ดีนรวมสองวิทยาลัยเป็นมหาวิทยาลัยเดียว (ออกจากห้องสำหรับศาสตราจารย์ปรัชญาธรรมชาติเพียงคนเดียว ซึ่งไปหาเดวิดทอมสัน)
การบังคับให้เอาออกนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าคุ้มค่า: แม็กซ์เวลล์ได้รับตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่คิงส์คอลเลจลอนดอนอย่างรวดเร็วซึ่งเป็นการแต่งตั้งที่จะเป็นรากฐานของทฤษฎีที่มีอิทธิพลที่สุดในชีวิตของเขา
แม่เหล็กไฟฟ้า
บทความของเขาเรื่อง Physical Lines of Force ซึ่งเขียนขึ้นในช่วงสองปี (พ.ศ. 2404-2405) และในท้ายที่สุดก็ได้รับการตีพิมพ์ในหลายส่วนโดยแนะนำทฤษฎีสำคัญของแม่เหล็กไฟฟ้า ในบรรดาหลักการของทฤษฎีของเขาคือ (1) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางด้วยความเร็วแสงและ (2) แสงนั้นมีอยู่ในสื่อเดียวกันกับปรากฏการณ์ไฟฟ้าและแม่เหล็ก
2408 ในแม็กซ์เวลล์ลาออกจากคิงส์คอลเลจและเขียนต่อ: ทฤษฎีพลวัตของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงปีที่เขาลาออก เกี่ยวกับตัวเลขเฟรมและแผนภาพซึ่งกันและกันในปีพ. ศ. 2413 ทฤษฎีความร้อนในปี พ.ศ. 2414; และสสารและการเคลื่อนที่ในปี พ.ศ. 2419 ในปี พ.ศ. 2414 แม็กซ์เวลล์กลายเป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์คาเวนดิชที่เคมบริดจ์ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ทำให้เขารับผิดชอบงานที่ดำเนินการในห้องปฏิบัติการคาเวนดิช ในขณะเดียวกันการตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กในปีพ. ศ. 2416 ได้สร้างคำอธิบายที่สมบูรณ์ที่สุดเกี่ยวกับสมการที่แตกต่างกันสี่ส่วนของ Maxwell ซึ่งจะมีอิทธิพลสำคัญต่อทฤษฎีสัมพัทธภาพของAlbert Einstein เมื่อวันที่ 5 พฤศจิกายน พ.ศ. 2422 หลังจากเจ็บป่วยมาระยะหนึ่งแมกซ์เวลล์เสียชีวิตเมื่ออายุ 48 ปีจากโรคมะเร็งในช่องท้อง
Maxwell ได้ทำนายว่ามีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic waves) ที่เกิดจากการเหนี่ยวนำอย่างต่อเนื่องระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก โดยเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วประมาณ 3 x 108 เมตรต่อวินาที ซึ่งเท่ากับอัตราเร็วของแสง จึงได้เสนอแนวคิดว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ช่วงหนึ่ง คำทำนายนี้ได้รับการยืนยันว่าเป็นจริงโดยการทดลองของเฮิรตซ์ ในปี พ.ศ. 2430
การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ
ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์และการทดลองเฮิรตซ์ทำให้ทราบว่า ธรรมชาติมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจริง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าที่ถูกเร่ง เช่น อาจเกิดจากการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายของประจุไฟฟ้าในสายอากาศที่ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแทนการปิดเปิดสวิตช์ไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่ เมื่อต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเข้ากับสายอากาศที่อยู่ในแนวดิ่ง ประจุไฟฟ้าในสายอากาศจะเคลื่อนที่กลับไปมาด้วยความเร่งในแนวดิ่ง เพราะประจุไฟฟ้าที่มีความเร่งจะแผ่รังสี จึงทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายออกมาจากสายอากาศทุกทิศทาง ยกเว้นทิศที่อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกับสายอากาศ การเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศตั้งฉากกับสายอากาศเป็นดังแผนภาพในรูป 18.5
รูป 18.5 แสดงสายอากาศซึ่งเป็นท่อนโลหะสองท่อน ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับถ้าความต่างศักย์เปลี่ยนแปลงกับเวลาในรูปไซน์ จะทำให้ประจุไฟฟ้าในสายอากาศเคลื่อนที่กลับไปมาในท่อนโลหะทั้งสองและจะมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
รูป 18.5 แผนภาพการเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเนื่องจากประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่กลับไปมาในสายอากาศและสนามไฟฟ้า เคลื่อนที่จากสายอากาศด้วยความเร็วแสง(ไม่ได้แสดงสนาม ไว้ในรูป)
เมื่อเวลา t = 0 ท่อนโลหะล่างได้รับประจุไฟฟ้าบวกมากที่สุด ส่วนท่อนโลหะบนได้รับประจุไฟฟ้าลบมากที่สุด ทำให้เกิดสนามไฟฟ้า ซึ่งมีค่ามากที่สุดและมีทิศพุ่งขึ้นที่จุด P (สนามไฟฟ้าแทนด้วยเวกเตอร์ และใช้สัญลักษณ์เป็นลูกศร) เมื่อเวลาผ่านไป สนามไฟฟ้าจะลดลงทำให้สนามไฟฟ้าที่เกิดใกล้สายอากาศก็มีค่าลดลงด้วย ในขณะเดียวกัน สนามไฟฟ้าที่มีค่ามากที่สุด ณ เวลา t = 0 จะเคลื่อนที่จากสายอากาศด้วยความเร็ว เท่ากับความเร็วแสงและเมื่อประจุไฟฟ้าเป็นกลาง ณ เวลา (T แทนคาบซึ่งเป็นเวลาที่ประจุไฟฟ้าในท่อนโลหะทั้งสองเคลื่อนที่กลับไปมาครบ รอบ) ดังรูป 18.5 ข ขณะนี้สนามไฟฟ้าที่จุด P จะลดลงเป็นศูนย์
เมื่อเวลาผ่านไป ท่อนโลหะบนจะมีประจุไฟฟ้าบวกมากที่สุด และท่อนโลหะล่างจะมีประจุไฟฟ้าลบมากที่สุด สนามไฟฟ้าที่จุด P จึงมีค่ามากที่สุดและมีทิศพุ่งลง ดังรูป 18.5 ค หลังจากนั้นประจุไฟฟ้าในท่อนโลหะจะลดน้อยลงๆ สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นใกล้กับสายอากาศก็จะมีค่าน้อยลงๆ เช่นกัน ขณะที่สนามไฟฟ้าที่มีค่ามากที่สุด ณ เวลา จะเคลื่อนที่ออกจากสายอากาศด้วยอัตราเร็วเดียวกับแสง
ต่อมาเมื่อถึงเวลา ประจุไฟฟ้าในท่อนโลหะทั้งสองเป็นกลางอีก ทำให้สนามไฟฟ้าใกล้กับสายอากาศเป็นศูนย์อีก ดังรูป 18.5 ง เมื่อเวลาของการเคลื่อนที่กลับไปมาของประจุไฟฟ้าครบรอบ คือ t = T จะได้สนามไฟฟ้า ดังรูป 18.5 0 สนามไฟฟ้าจะเกิดขึ้นตามกระบวนการซ้ำรอยเดิม เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ครบรอบเสมอ
สำหรับสนามแม่เหล็ก จะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นในทันทีที่มีสนามไฟฟ้า เกิดขึ้น สนามไฟฟ้าทั้งสองจะมีการเปลี่ยนแปลงด้วยเฟสตรงกัน ถ้าสนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ สนามแม่เหล็กก็เป็นศูนย์ด้วย ทิศของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะตั้งฉากซึ่งกันและกัน ขณะเดียวกันทิศของสนามแม่เหล็กทั้งสองก็ตั้งฉากกับทิศของความเร็วในการ เคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นคลื่นตามขวาง
รูป 18.6 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วย และ ที่ตั้งฉากกัน
ผลคูณเชิงเวกเตอร์ของ
รูป 18.6 แสดงสนามแม่เหล็ก ที่เกิดจากการเหนี่ยวนำของสนามไฟฟ้า ที่เปลี่ยนแปลง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะเคลื่อนที่ไปตามแกน x ด้วยความเร็ว เราอาจหาทิศของ
โดยใช้ผลคูณเชิงเวกเตอร์ของและโดยใช้กฎมือขวา ถ้ากำนิ้วทั้งสี่ของมือขวาในทิศจากไปผ่านมุม 90 องศา นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของ รูป 18.6
อาจสรุปสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ได้ดังนี้
1. สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก มีทิศตั้งฉากซึ่งกันและกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเสมอ ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นคลื่นตามขวาง
2. สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก เป็นฟังก์ชันรูปไซน์ และสนามทั้งสองจะเปลี่ยนแปลงตามเวลา ด้วยความถี่เดียวกันและเฟสตรงกัน
นักวิทยาศาสตร์ได้ทดลองศึกษาสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและพบว่ามีสมบัติ เหมือนคลื่นทั่วไป ได้แก่ การสะท้อนการหักเห การแทรกสอด การเลี้ยวเบน และโพลาไรเซชัน
