Snelle feiten
Levensloop
Maxwell werd geboren in Edinburgh en groeide op op het landgoed Glenlair in het zuidwesten van Schotland. Al als kind vroeg hij bij alles “Wat is daar de werking van?” Zijn moeder overleed toen hij acht was. Op de Edinburgh Academy kreeg hij vanwege zijn zelfgemaakte kleren en zijn plattelandsaccent de bijnaam “Dafty”, maar op zijn veertiende schreef hij al een wetenschappelijk artikel over het tekenen van ovalen, dat namens hem werd voorgelezen bij de Royal Society of Edinburgh.
Hij studeerde aan de Universiteit van Edinburgh en vanaf 1850 in Cambridge, waar hij in 1854 als tweede van zijn jaar afstudeerde in de wiskunde. In 1856 werd hij hoogleraar aan Marischal College in Aberdeen en trouwde hij in 1858 met Katherine Mary Dewar, de dochter van het hoofd van het college. Van 1860 tot 1865 was hij hoogleraar aan King’s College London — de periode waarin hij zijn grootste werk deed.
In 1865 trok hij zich terug op Glenlair om te schrijven. In 1871 werd hij de eerste Cavendish-hoogleraar natuurkunde in Cambridge, en hij ontwierp en leidde het Cavendish Laboratory, dat in 1874 openging. Later werkten daar Ernest Rutherford en vele andere Nobelprijswinnaars. Maxwell overleed in 1879 op 48-jarige leeftijd aan buikkanker, dezelfde ziekte waaraan zijn moeder was gestorven.
De vergelijkingen van Maxwell
Toen Maxwell begon, waren elektriciteit en magnetisme al deels met elkaar verbonden. Ørsted had laten zien dat een stroom een magneetveld maakt, en Michael Faraday dat een veranderend magneetveld een stroom opwekt. Faraday beschreef dat met beeldende “krachtlijnen”, maar zonder wiskunde. Maxwell vertaalde die ideeën in vergelijkingen, in de artikelen On Physical Lines of Force (1861–1862) en A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (1865).
Daarbij voegde hij één cruciaal ingrediënt toe: niet alleen een elektrische stroom, maar ook een veranderend elektrisch veld wekt een magneetveld op (de “verschuivingsstroom”). In de moderne, compacte vorm — door Oliver Heaviside in de jaren 1880 teruggebracht tot vier vergelijkingen — zeggen ze in woorden:
- Wet van Gauss: elektrische ladingen zijn de bron van elektrische velden; veldlijnen beginnen bij plus en eindigen bij min.
- Gauss voor magnetisme: er bestaan geen losse magnetische polen; magnetische veldlijnen zijn altijd gesloten.
- Inductiewet van Faraday: een veranderend magneetveld wekt een elektrisch veld op.
- Wet van Ampère-Maxwell: een stroom én een veranderend elektrisch veld wekken een magneetveld op.
Licht is een elektromagnetische golf
Uit de derde en vierde vergelijking volgt iets opmerkelijks: een veranderend elektrisch veld maakt een magneetveld, dat weer een elektrisch veld maakt, enzovoort. Zo’n zichzelf in stand houdende verstoring plant zich als golf voort door de lege ruimte. Maxwell berekende de snelheid uit twee constanten die je met magneten en condensatoren in het lab kunt meten:
- c
- voortplantingssnelheid van de golf, in m/s
- μ₀
- magnetische veldconstante: 4π × 10⁻⁷ ≈ 1,257 × 10⁻⁶ T·m/A
- ε₀
- elektrische veldconstante: 8,854 × 10⁻¹² C²/(N·m²)
Invullen geeft μ₀ · ε₀ ≈ 1,113 × 10⁻¹⁷ s²/m², dus c ≈ 1 / (3,336 × 10⁻⁹) ≈ 3,00 × 10⁸ m/s. Dat is precies de gemeten lichtsnelheid. Maxwell schreef dat je moeilijk kon ontkomen aan de conclusie dat licht bestaat uit golvingen in hetzelfde medium dat elektrische en magnetische verschijnselen veroorzaakt. Hij voorspelde daarmee ook dat er golven met veel langere en kortere golflengtes moeten bestaan: het volledige spectrum van elektromagnetische straling. Heinrich Hertz maakte in 1887, acht jaar na Maxwells dood, als eerste radiogolven in het lab en bevestigde de theorie.
Andere bijdragen
De ringen van Saturnus
In een prijsvraag van Cambridge bewees Maxwell wiskundig dat de ringen van Saturnus niet massief of vloeibaar kunnen zijn: ze zouden uiteenvallen. Ze moeten bestaan uit talloze kleine, los van elkaar draaiende deeltjes. Zijn essay won de Adams Prize; ruimtesondes als Voyager en Cassini bevestigden het ruim een eeuw later. Zie ook de planeten van het zonnestelsel.
Kleurwaarneming en de eerste kleurenfoto
Maxwell toonde aan dat je bijna elke kleur kunt nabootsen door rood, groen en blauw licht te mengen. In 1861 liet hij dat zien met de eerste kleurenfoto: een geruit lint, drie keer gefotografeerd door een rood, groen en blauw filter en daarna met drie projectoren over elkaar geprojecteerd. Hetzelfde RGB-principe gebruikt elk beeldscherm vandaag.
Gastheorie en de demon van Maxwell
In 1860 beschreef Maxwell hoe de snelheden van gasmoleculen verdeeld zijn: niet allemaal even snel, maar volgens een kansverdeling met een piek. Ludwig Boltzmann werkte dit verder uit tot de maxwell-boltzmannverdeling. Het was een van de eerste keren dat statistiek een fundamentele rol kreeg in de natuurkunde. In 1867 bedacht hij een gedachte-experiment met een klein wezen dat snelle en langzame moleculen scheidt en zo de tweede hoofdwet lijkt te schenden: de “demon van Maxwell”. Die puzzel over entropie en informatie werd pas in de twintigste eeuw opgelost.
Erfenis
Maxwells vergelijkingen worden vaak de tweede grote eenwording in de natuurkunde genoemd, na Newton die hemel en aarde onder dezelfde zwaartekracht bracht. Radio, televisie, radar, mobiele telefoons, wifi en röntgenapparatuur bestaan dankzij zijn theorie. Ook voor Albert Einstein was Maxwell het startpunt: de speciale relativiteitstheorie (1905) begon met de vraag waarom de lichtsnelheid in Maxwells vergelijkingen voor iedere waarnemer dezelfde is. Einstein noemde Maxwells werk het meest diepgaande en vruchtbare sinds Newton. De Nederlander Hendrik Lorentz bouwde er zijn elektronentheorie op. De eenheid maxwell (voor magnetische flux, in het oude cgs-stelsel) en de James Clerk Maxwell Telescope op Hawaï zijn naar hem genoemd.
Tijdlijn
- 1831 — Geboren op 13 juni in Edinburgh.
- 1846 — Eerste wetenschappelijke artikel, over ovale krommen.
- 1850 — Begint in Cambridge; studeert in 1854 af in de wiskunde.
- 1856 — Hoogleraar in Aberdeen.
- 1858 — Trouwt met Katherine Mary Dewar.
- 1859 — Essay over de ringen van Saturnus verschijnt.
- 1860 — Snelheidsverdeling van gasmoleculen; hoogleraar aan King’s College London.
- 1861 — Eerste kleurenfoto.
- 1865 — A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field: licht is een elektromagnetische golf.
- 1871 — Eerste Cavendish-hoogleraar in Cambridge.
- 1873 — A Treatise on Electricity and Magnetism.
- 1879 — Overleden op 5 november in Cambridge.
Veelgestelde vragen
Wat zijn de vergelijkingen van Maxwell?
De vergelijkingen van Maxwell zijn vier basiswetten die alle elektrische en magnetische verschijnselen beschrijven: ladingen maken elektrische velden, er bestaan geen losse magnetische polen, een veranderend magneetveld maakt een elektrisch veld, en stromen en veranderende elektrische velden maken magneetvelden.
Wat heeft Maxwell ontdekt?
Maxwell ontdekte dat licht een elektromagnetische golf is en voorspelde het bestaan van andere elektromagnetische golven, zoals radiogolven. Daarnaast maakte hij de eerste kleurenfoto (1861), bewees hij dat de ringen van Saturnus uit losse deeltjes bestaan en beschreef hij de snelheidsverdeling van gasmoleculen.
Hoe berekende Maxwell de lichtsnelheid?
Maxwell leidde uit zijn vergelijkingen af dat elektromagnetische golven zich voortplanten met c = 1/√(μ₀ε₀). Met de in het lab gemeten waarden van de magnetische en elektrische veldconstante kwam hij uit op ongeveer 3 × 10⁸ m/s, gelijk aan de gemeten lichtsnelheid.
Hoe oud is James Clerk Maxwell geworden?
Maxwell werd 48 jaar oud: hij werd geboren op 13 juni 1831 in Edinburgh en overleed op 5 november 1879 in Cambridge aan buikkanker.
Wat is het verschil tussen Faraday en Maxwell?
Faraday was de experimentator die elektromagnetische inductie ontdekte en het idee van veldlijnen bedacht, zonder wiskunde. Maxwell was de theoreticus die die ideeën in vergelijkingen goot en daaruit afleidde dat licht een elektromagnetische golf is.