Maxwell nacque a Edimburgo il 13 giugno 1831 da una famiglia appartenente alla nobiltà terriera. Il piccolo James passò l’infanzia nel paese di Dumfries presso la tenuta familiare di Glenlair nel sud della Scozzia. Alla morte della madre nel 1839 il padre affidò l’educazione del figlio ad un precettore privato, di cui si narra la severità e il rigore, che lo prepararono ad accedere all’Accademia di Edimburgohttps://accademiabritannica.com/wp-content/uploads/2018/02/UNIVERSITY-OF-EDINBURGH-.jpg. Nel 1847 si iscrive all’università di Edimburgo, ma dopo tre anni decise di trasferirsi al Trinity College di Cambridge dove concluse gli studi nel 1854 e divenne professore. Di particolare importanza in questo periodo l’amicizia con Wiliam Thomson che fu il primo a cercare una matematizzazione degli studi di Michael Faraday. Nel 1855 espone una prima memoria sul lavoro di Faraday Sulle linee di forza di Faraday. Successivamente venne chiamato come professore ad Aberdeen grazie ad un lavoro sugli anelli di Saturno. Nel 1860 grazie ad un saggio di ottica sulla composizione dei colori vince la Rumford Medal della Royal Society londinese. Sempre nello stesso anno produce il suo prima saggio dove inizia ad esporre i fondamenti della teoria del campo elettromagnetico. Successivamente vedono la luce le sue due opere principali nel 1864 A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field e nel 1872 il Trattato sull’elettricità e sul magnetismo.
Maxwell si sposò nel 1859 con Katherine Mary Deward ma i due non ebbero figli. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/33/JamesClerkMaxwell-KatherineMaxwell-1869.jpg/220px-JamesClerkMaxwell-KatherineMaxwell-1869.jpg Oltre ai problemi fisici della moglie Maxwell dovette lottare contro un cancro all’addome che lo portò prematuramente alla morte all’età di 48 anni il 5 novembre del 1879.
I principali contributi di Maxwell riguardano: l'elettromagnetismo ed in particolar modo le equazioni che prendono da lui il nome; la termodinamica con il teorema dell'equiparazione dell'energia e la distribuzione delle velocità; la colorimetria ovvero gli studi della visione dei colori che hanno poi portato alla realizzazione delle fotografie a colori.
Com'è abbiamo accennato parlando dell'opera di Michelle Faraday gli studi di Maxwell prendono avvio proprio dall'analisi dei risultati che Faraday aveva raggiunto grazie ai suoi esperimenti https://rinabrundu.files.wordpress.com/2016/04/trasformatorefaraday.gif?w=620. Tuttavia va subito detto Maxwell si impose come obiettivo quello di ricercare la giustificazione matematica delle leggi di Faraday e, in particolar modo, perseguire l'obiettivo di tradurre i problemi della natura attraverso equazioni numeriche. Per Maxwell questa non era una semplice operazione di riduzione matematica, ma in generale riguardava la visione complessiva dell'universo. Sicuramente Maxwell non era privo di contaminazioni metafisiche che lo portavano ad immaginare un mondo armonico governato dall’ordine matematico, ma, tralasciando questo aspetto, bisogna sottolineare che il lavoro di Maxwell non si limitò a scrivere in forma simbolica ciò che poteva essere espresso attraverso il linguaggio dei fisici sperimentali, infatti, egli trasformò le conoscenze di Faraday e di altri scienziati in una concezione rivoluzionaria della materia e questo ci permette oggi di affermare che gli riuscì a suo modo a cogliere le strutture profonde del reale, come egli affermava: “ciò che conta non è la quantità delle immagini del mondo che ci facciamo, ma la profondità delle medesime”.
I primi studi di Maxwell su Faraday sono dedicati costruire dei modelli geometrici capaci di rappresentare la nozione di linee di forza http://www.openfisica.com/fisica_ipertesto/openfisica4/immagini/campo_unif.jpg, introdotta da Faraday, in particolare egli affermava che:
il mio progetto è limitato a mostrare come per mezzo di una stretta applicazione delle idee e dei metodi di Faraday, sia presentabile con chiarezza, ha una mente matematica, la connessione tra gli ordini fenomenici tra loro diversi che Faraday ha scoperto
In sostanza Maxwell cercò di costruire un modello che mostrasse come tutto lo spazio fosse in realtà un intreccio di curve che fornivano informazioni sulla direzione delle forze agenti punto per punto. Senza soffermarci sulle indicazioni suggerite da Maxwell per modificare questo modello, per esempio la sostituzione del concetto di linee di forza con quello di tubi di forza al fine di renderlo più compatibile con la rappresentazione geometrica, è possibile affermare che questo fu il primo passo compiuto da Maxwell. http://www.openfisica.com/fisica_ipertesto/openfisica4/immagini/linee_campo.jpg
Il secondo passaggio compiuto da Maxwell fu quello di avvalersi dell'idrostatica e dell’idrodinamica per comprendere a fondo i meccanismi che agiscono a livello di forze, in particolare Maxwell immaginava a scopo illustrativo che nel passaggio dai fenomeni magnetici a quelli connessi alle correnti elettriche, la corrente circolasse in un insieme di turbolenze che Maxwell immaginava come dei vortici separati da strati di particelle sferiche libere di ruotare.https://c8.alamy.com/compit/r9316y/digital-design-di-su-orbita-nello-spazio-colore-linee-astratte-la-tecnologia-avveniristica-illustrazione-energica-luce-le-vie-r9316y.jpg https://image.slidesharecdn.com/teleseminario1-100613162618-phpapp01/95/spazio-tempo-materia-maxwell-e-lelettromagnetismo-classico-4-638.jpg?cb=1422663548
L'altro elemento fondamentale e l'introduzione del concetto di campo elettromagnetico il campo elettromagnetico era costituito da quelle parti di spazio che contenevano corpi in condizioni elettriche e magnetiche. https://c8.alamy.com/compit/hajywg/blu-brillante-campo-magnetico-frattali-generati-da-computer-sfondo-astratto-rendering-3d-hajywg.jpg Maxwell pensava che lo spazio fosse permeato da un mezzo etereo il quale penetrava nei corpi materiali e aveva una struttura tale da consentire la trasmissione di movimento da un punto a un punto, l’idea dell'esistenza dell'etere era rafforzata secondo Maxwell dalla presa d'atto che nel momento in cui si va a produrre il vuoto in una cavità in essa permangono sempre delle quantità residue di materia. https://molwick.com/es/movimiento/r-eter-luminifero.jpg Egli pensava che attraverso l’individuazione e lo studio dell’etere si potesse non solo dar ragione dei fenomeni elettromagnetici, ma anche di quelli luminosi, va ricordato che dall’esperimento di Yong la luce era interpretata come un fenomeno ondulatorio e pertanto necessitava di un mezzo nel quale spostarsi.
Infine l'altro grande perno su cui poggia la teoria di Maxwell è l'introduzione del concetto di corrente di spostamento: questo era definito come l'elettrificazione di segno opposto sulle facce di una molecola o particella di un corpo e poteva essere o non essere accompagnato da trasmissione attraverso il corpo.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/16/Corrente_di_spostamento.png/310px-Corrente_di_spostamento.png
Le principali equazioni di Maxwell, quelle che da lui prendono il nome, sono quattro: le prime due equazioni sono dette statiche, ciò è dato dal fatto che esse non dipendono dal tempo ovvero descrivano i campi elettrici e magnetici come se fossero una fotografia istantanea della situazione non occupandosi di ciò che succederà poi. Al fine di poter effettuare questa descrizione Maxwell introduce appunto il concetto di Campo https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcS6FpqzpuozHYOQQZ-3jEbAcG4je6DnVibhWaoaP2npyFUKOi78&usqp=CAU. Il concetto di campo è estremamente importante perché permette di eliminare il meccanismo dell'interazione a distanza. Facciamo un esempio a proposito della gravità Terra-Luna, vi ricorderete che questo era un problema che in un certo senso aveva dannato Newton perché la gravità sembra agire a distanza e per questo Newton era stato accusato di occultismo, com'è era possibile che la Luna sia attratta dalla Terra e viceversa se questi due corpi non si toccano? Il concetto di campo permette di ovviare a questo problema perché l'informazione che riguarda, per esempio nel caso sopra citato, la massa della Terra e della Luna circola all'interno di tutto lo spazio in cui i corpi sono inseriti. Vediamo dal punto di vista elettrico che cosa significa: prendiamo ad esempio l'interazione tra due cariche elettriche Q1 e Q2 esse si attraggono se sono di segno opposto oppure si respingono se hanno lo stesso segno, è l'esempio classico della legge di Coulomb https://www.matematicamente.it/wp-content/uploads/2016/12/Schermata-2016-12-12-alle-19.52.37.png, se lo descriviamo in termini di forze siamo costretti ad affermare che c'è un azione a distanza tra Q1 e Q2 che non si toccano, se invece descriviamo lo stesso fenomeno in termini di campo elettrico possiamo immaginare che la carica di Q1 generi attorno a se in tutto lo spazio fino all'infinito un campo elettrico di intensità E (x,t). Cioè possiamo definire una proprietà elettrica dello spazio che dipende soltanto dalla carica Q1 che la genera. Poi poniamo una qualsiasi carica Q2 in un certo punto dello spazio e avremmo che Q2 risentirà del campo E esistente in quel punto. Se dal punto di vista della descrizione matematica del mondo non vi sono cambiamenti sostanziali, dal punto di vista fisico invece sono notevoli perché il concetto di campo diventa un entità che può interagire con altri sistemi e per esempio può scambiare energia, di conseguenza si evolve nel tempo seguendo precise equazioni. In generale i campi fisici obbediscono a un equazione di tipo ondulatorio e il campo elettrico secondo Maxwell si propaga per mezzo di onde elettromagnetiche.https://www.chimica-online.it/download/immagini_download/onde_elettromagnetiche.jpg
Le prime due equazioni di Maxwell che prendono anche il nome di teorema di Gauss per il campo elettrico e teorema di Gauss per il campo magnetico vengono descritte attraverso il flusso di un campo vettoriale cioè in ogni punto dello spazio le proprietà elettriche così come quelle magnetiche sono individuate non solo da un’intensità ma anche da una direzione e da un verso. https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcQ6W8DqxunbchWpjfydEvBK-l2Aa-TXJCfstw&usqp=CAU Le linee di forza pertanto descrivono i rispettivi campi con la differenza che nel caso del campo elettrico statico abbiamo linee aperte ovvero esse partono da ciascuna carica e si allargano invadendo tutto lo spazio allungandosi indefinitamentehttps://www.chimica-online.it/fisica/immagini/moto-di-una-carica-elettrica-all-interno-di-un-campo-uniforme.jpg, nel caso del campo magnetico statico le linee saranno chiuse esse entrano in un punto e escono in un altro punto e viceversa.https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcTnWjrJJFYznxES-R0UdwhiI-V3nVf92dPmP3mkuMe9p2esbvS0&usqp=CAU
La terza legge di Maxwell descrive l'esperimento di Faraday ovvero l'induzione elettromagnetica. Faraday aveva osservato che variando il valore del campo magnetico in prossimità di un anello di materiale conduttore si poteva osservare il passaggio di corrente elettrica nella nello stesso. Nella visione di Faraday l'intensità del campo magnetico è rappresentabile con linee più o meno dense e quindi la variazione del numero di linee che attraversavano la superficie occupata dall’anello corrispondeva al passaggio di una corrente che si manteneva per tutta la durata della variazione. Ciò che fa Maxwell e fornire una descrizione matematica del fenomeno.https://it.openprof.com/ge/images/179/spira_campo_magnetico.png
La quarta ed ultima equazione di Maxwell prende il nome di legge di Ampere-Maxwell. Essa si occupa di come correnti elettriche possono produrre campi magnetici. In questa equazione Maxwell introduce il termine di corrente di spostamento che permette di stabilire una simmetria tra il campo elettrico e il campo magnetico e postulare l'esistenza delle onde elettromagnetiche.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/16/Corrente_di_spostamento.png/310px-Corrente_di_spostamento.png