Oliver Heaviside - Oliver Heaviside

Oliver Heaviside
Heaviside c. 1900
narozený	( 1850-05-18 )18. května 1850 Camden Town , Middlesex , Anglie
Zemřel	03.02.1925 (1925-02-03)(ve věku 74) Mount Stuart Dům s pečovatelskou službou Torquay , Devon
Odpočívadlo	Paigntonský hřbitov, Devon
Národnost	britský
Známý jako
Ocenění	Faraday Medal (1922), člen Královské společnosti
Vědecká kariéra
Pole	Elektrotechnika , matematika a fyzika
Instituce	Velká severní telegrafní společnost

Oliver Heaviside FRS ( / h ɛ v i s aɪ d / , 18 května 1850 - 3.2.1925) byl anglický matematik a fyzik , který přinesl komplexní čísla k analýze obvodu , vymyslel novou techniku pro řešení diferenciálních rovnic (ekvivalent k Laplace transformace ), nezávisle vyvinutý vektorový kalkul a přepsal Maxwellovy rovnice do dnes běžně používané podoby. Významně formoval způsob, jakým jsou Maxwellovy rovnice chápány a aplikovány v desetiletích následujících po Maxwellově smrti. Jeho formulace telegrafních rovnic se stala komerčně důležitou během jeho vlastního života, poté, co jejich význam na dlouhou dobu zůstal bez povšimnutí, protože v té době se v jeho nové metodologii orientovalo jen málo dalších. Ačkoli byl Heaviside v rozporu s vědeckým zřízením po většinu svého života, změnil tvář telekomunikací, matematiky a vědy.

Životopis

Raný život

Heaviside se narodil v Camden Town v Londýně na 55 Kings Street (nyní Plender Street), nejmladší ze tří dětí Thomase, kreslíře a dřevorytce a Rachel Elizabeth (rozené West). Byl nízkým a zrzavým dítětem a v mládí trpěl šarlatovou horečkou , kvůli které měl poruchu sluchu. Malé dědictví umožnilo rodině přestěhovat se do lepší části Camdenu, když mu bylo třináct a byl poslán na Camden House gymnázium. Byl dobrým studentem, v roce 1865 se umístil na pátém místě z pěti set studentů, ale jeho rodiče ho nemohli udržet ve škole, když mu bylo 16 let, a tak pokračoval ve studiu rok sám a neměl žádné další formální vzdělání.

Heavisideovým sňatkem byl Sir Charles Wheatstone (1802–1875), mezinárodně uznávaný odborník na telegrafii a elektromagnetismus a původní spoluvynálezce prvního komerčně úspěšného telegrafu v polovině třicátých let 19. století. Wheatstone se silně zajímal o vzdělání svého synovce a v roce 1867 ho poslal na sever, aby pracoval se svým vlastním, starším bratrem Arthurem, který řídil jednu z Wheatstoneových telegrafních společností v Newcastle-upon-Tyne .

O dva roky později nastoupil jako telegrafista do dánské Velké severní telegrafní společnosti, která pomocí britských dodavatelů položila kabel z Newcastlu do Dánska . Brzy se stal elektrikářem. Heaviside pokračoval ve studiu při práci a ve věku 22 let publikoval článek v prestižním filozofickém časopise na téma „Nejlepší uspořádání Wheatstoneova mostu pro měření daného odporu s daným galvanometrem a baterií“, který obdržel kladné komentáře od fyziků, kteří měli se neúspěšně pokusil vyřešit tento algebraický problém, včetně sira Williama Thomsona , kterému dal kopii listu, a Jamese Clerka Maxwella . Když publikoval článek o duplexní metodě používání telegrafního kabelu, dělal si legraci z RS Culleyho, hlavního inženýra telegrafního systému pošty , který odmítl duplex jako nepraktický. Později v roce 1873 byla jeho žádost o vstup do Společnosti telegrafních inženýrů odmítnuta s poznámkou, že „nechtěli telegrafní úředníky“. To rozzuřilo Heavisideho, který požádal Thomsona, aby ho sponzoroval, a spolu s podporou prezidenta společnosti byl přijat „navzdory snobům PO“.

V roce 1873 se Heaviside setkal s Maxwellovým nově vydaným a později slavným dvoudílným pojednáním o elektřině a magnetismu . Ve svém stáří Heaviside vzpomínal:

Pamatuji si svůj první pohled na velké Maxwellovo pojednání, když jsem byl mladý ... viděl jsem, že to bylo skvělé, větší a největší, s úžasnými možnostmi ve své síle ... Byl jsem rozhodnutý knihu zvládnout a pustil jsem se do práce. Byl jsem velmi ignorant. Neměl jsem žádné znalosti matematické analýzy (protože jsem se naučil pouze školní algebru a trigonometrii, na kterou jsem do značné míry zapomněl), a proto byla moje práce rozložena pro mě. Trvalo mi několik let, než jsem pochopil tolik, kolik jsem mohl. Potom jsem Maxwella odložil a sledoval jsem svůj vlastní kurz. A postupoval jsem mnohem rychleji ... Rozumí se, že hlásám evangelium podle svého výkladu Maxwella.

Podnikání výzkumu z domova, on pomohl vyvinout teorii přenosového vedení (také známý jako “ telegrafní rovnice ”). Heaviside matematicky ukázal, že rovnoměrně rozložená indukčnost v telegrafní lince sníží jak útlum, tak zkreslení , a že pokud by indukčnost byla dostatečně velká a izolační odpor nebyl příliš vysoký, obvod by byl bez zkreslení, protože proudy všech frekvencí by měly stejné rychlosti šíření. Heavisideovy rovnice pomohly dále implementovat telegraf.

Střední léta

Od roku 1882 do roku 1902, kromě tří let, přispíval pravidelnými články do odborného listu The Electrician , který si přál zlepšit své postavení, za což mu bylo vypláceno 40 liber ročně. To stěží stačilo k životu, ale jeho požadavky byly velmi malé a dělal to, co nejvíce chtěl. Mezi lety 1883 a 1887 dosahovaly tyto průměry 2–3 článků za měsíc a tyto články později tvořily převážnou část jeho elektromagnetické teorie a elektrických článků .

V roce 1880 zkoumal Heaviside efekt kůže v telegrafních přenosových linkách. Ten stejný rok si nechal v Anglii patentovat koaxiální kabel . V roce 1884 přepracoval Maxwellovu matematickou analýzu z původní těžkopádné formy (již byly přepracovány jako čtveřice ) na její moderní vektorovou terminologii, čímž redukoval dvanáct původních dvaceti rovnic ve dvaceti neznámých až na čtyři diferenciální rovnice ve dvou neznámých, které nyní známe. jako Maxwellovy rovnice . Čtyři přeformulované Maxwellovy rovnice popisují povahu elektrických nábojů (statických i pohyblivých), magnetická pole a vztah mezi nimi, konkrétně elektromagnetickými poli.

V letech 1880 a 1887, Heaviside vyvinul operační kalkul pomocí pro diferenciální operátor , (které Boole předtím označený${\ displaystyle p}$${\ displaystyle D}$), což dává způsob řešení diferenciálních rovnic přímým řešením jako algebraické rovnice . To později způsobilo velkou kontroverzi, kvůli jeho nedostatečné přísnosti . On skvěle řekl: "Matematika je experimentální věda a definice nejsou na prvním místě, ale později. Vytvářejí se samy, když se povaha předmětu sama vyvinula." Při jiné příležitosti se zeptal poněkud defenzivněji: „Odmítnu večeři, protože plně nerozumím procesu trávení?“

V roce 1887 pracoval Heaviside se svým bratrem Arthurem na dokumentu s názvem „Mostní systém telefonie“. Papír však zablokoval Arthurův nadřízený William Henry Preece z pošty , protože součástí návrhu bylo, aby do telefonních a telegrafních linek byly přidány zaváděcí cívky ( induktory ), aby se zvýšila jejich vlastní indukce a napravilo zkreslení, které utrpěli . Preece nedávno prohlásilo vlastní indukčnost za velkého nepřítele čistého přenosu. Heaviside byl také přesvědčen, že za vyhozením redaktora The Electrician byl Preece, který jeho dlouholetou sérii článků zastavil (do roku 1891). Mezi Preece a Heaviside existovala dlouhá historie nepřátelství. Heaviside považoval Preece za matematicky nekompetentního, což podpořil životopisec Paul J. Nahin : „Preece byl mocný vládní úředník, nesmírně ambiciózní a v některých pozoruhodných ohledech naprostý špunt.“ Preeceova motivace při potlačování Heavisideovy práce souvisela spíše s ochranou vlastní pověsti Preece a vyhýbáním se nutnosti přiznat chybu, než jakékoli vnímané chyby v Heavisideově práci.

Důležitost Heavisideovy práce zůstala po nějakou dobu po zveřejnění v The Electrician neobjevena , a tak její práva spočívala ve veřejné doméně. V roce 1897 společnost AT&T zaměstnávala jednoho ze svých vlastních vědců, George A. Campbella , a externího vyšetřovatele Michaela I. Pupina, aby našel nějaký respekt, v němž byla Heavisideova práce neúplná nebo nesprávná. Campbell a Pupin rozšířili Heavisideovu práci a AT&T podala žádost o patenty pokrývající nejen jejich výzkum, ale také technickou metodu konstrukce cívek, které dříve vynalezl Heaviside. AT&T později nabídla Heavisideovi peníze výměnou za jeho práva; je možné, že respekt inženýrů Bell k Heaviside tuto nabídku ovlivnil. Heaviside však nabídku odmítl a odmítl přijmout jakékoli peníze, pokud mu společnost neposkytla plné uznání. Heaviside byl chronicky chudý, takže jeho odmítnutí nabídky bylo ještě výraznější.

Ale tento neúspěch měl za následek obrácení Heavisideovy pozornosti k elektromagnetickému záření a ve dvou dokumentech z let 1888 a 1889 vypočítal deformace elektrických a magnetických polí obklopujících pohybující se náboj a také účinky jeho vstupu do hustšího média. To zahrnovalo předpověď toho, co je nyní známé jako Čerenkovovo záření , a inspirovalo to jeho přítele George FitzGeralda, aby navrhl to, co je nyní známé jako Lorentzova -FitzGeraldova kontrakce .

V roce 1889 Heaviside poprvé publikoval správnou derivaci magnetické síly na pohybující se nabitou částici, což je magnetická složka toho, čemu se dnes říká Lorentzova síla .

V pozdní 1880 a brzy 1890, Heaviside pracoval na koncepci části elektromagnetického hmoty . Heaviside to považoval za hmotnou hmotu , která je schopna vyvolat stejné efekty. Wilhelm Wien později ověřil Heavisideův výraz (pro nízké rychlosti ).

V roce 1891 britská královská společnost uznala příspěvky Heavisideho k matematickému popisu elektromagnetických jevů tím, že ho pojmenovala Fellow of the Royal Society , a následující rok věnoval svým vektorovým metodám a elektromagnetické teorii více než padesát stran filozofických transakcí společnosti. V roce 1905 dostal Heaviside čestný doktorát na univerzitě v Göttingenu .

Pozdější roky a pohledy

V roce 1896 získali FitzGerald a John Perry občanský seznam důchodů 120 £ ročně pro Heaviside, který nyní žil v Devonu, a přesvědčil ho, aby to přijal poté, co odmítl další charitativní nabídky od Královské společnosti.

V roce 1902, Heaviside navrhoval existenci toho, co je nyní známý jako Kennelly-Heaviside vrstvu z ionosféry . Heavisideův návrh zahrnoval prostředky, kterými jsou rádiové signály přenášeny kolem zakřivení Země. Existence ionosféry byla potvrzena v roce 1923. Předpovědi Heaviside v kombinaci s Planckovou radiační teorií pravděpodobně odrazovaly od dalších pokusů o detekci rádiových vln ze Slunce a dalších astronomických objektů . Z nějakého důvodu se zdá, nebyly provedeny žádné pokusy po dobu 30 let, až do Jánský jeho vývoji radioastronomie v roce 1932.

Heaviside byl odpůrcem teorie relativity Alberta Einsteina . Matematik Howard Eves poznamenal, že Heaviside „byl v té době jediným prvotřídním fyzikem, který Einsteina napadl, a jeho invektivy proti teorii relativity často hraničily s absurditou“.

V pozdějších letech se jeho chování stalo docela výstředním . Podle spolupracovníka BA Behrenda se stal samotářem, který byl tak neochotný setkávat se s lidmi, že doručil rukopisy svých elektrikářských papírů do obchodu s potravinami, kde je redaktoři vyzvedli. Ačkoli byl v mládí aktivním cyklistou, v šestém desetiletí se jeho zdraví vážně zhoršilo. Během této doby Heaviside podepisoval písmena s iniciálami „ WORM “ za jeho jménem. Heaviside si také údajně začal malovat nehty na růžovo a nechal do svého domu přesunout žulové bloky pro nábytek. V roce 1922 se stal prvním příjemcem Faradayovy medaile , která byla toho roku založena.

Co se týče náboženských názorů Heaviside, byl unitář , ale ne náboženský. Dokonce si prý dělal legraci z lidí, kteří svou víru vložili do nejvyšší bytosti.

Heaviside zemřel 3. února 1925 v Torquay v Devonu po pádu z žebříku a je pohřben poblíž východního rohu hřbitova Paignton . Je pohřben se svým otcem Thomasem Heavisidem (1813–1896) a matkou Rachel Elizabeth Heavisideovou. Náhrobek byl vyčištěn díky anonymnímu dárci někdy v roce 2005. Většina elektrotechniků ho vždy velmi respektovala, zvláště poté, co byla ospravedlněna jeho korekce na Kelvinovu analýzu přenosové linky, ale většina jeho širšího uznání byla získána posmrtně.

Heaviside Memorial Project

V červenci 2014 akademici z Newcastle University ve Velké Británii a Newcastle Electromagnetics Interest Group založili Heaviside Memorial Project ve snaze plně obnovit pomník prostřednictvím veřejného předplatného. Restaurovaný památník slavnostně odhalil 30. srpna 2014 Alan Heather, vzdálený příbuzný z Heaviside. Odhalení se zúčastnili starosta města Torbay, člen parlamentu (MP) za Torbay, bývalý kurátor Muzea vědy (zastupující Institut inženýrství a technologie ), předseda Občanské společnosti Torbay a delegáti z Newcastlu Univerzita.

Heaviside Collection 1872–1923

Sbírka Heavisideových notebooků, papírů, korespondence, poznámek a komentovaných brožur o telegrafii se koná v archivním centru Institution of Engineering and Technology (IET).

Inovace a objevy

Články o
Elektromagnetismus
Elektřina Magnetismus Dějiny Učebnice
Elektrostatika Elektrický náboj Coulombův zákon Dirigent Hustota náboje Propustnost Elektrický dipólový moment Elektrické pole Elektrický potenciál Elektrický tok  / potenciální energie Elektrostatický výboj Gaussův zákon Indukce Izolátor Polarizační hustota Statická elektřina Triboelektřina
Magnetostatika Ampérův zákon Biot – Savartův zákon Gaussův zákon pro magnetismus Magnetické pole Magnetický tok Magnetický dipólový moment Magnetická propustnost Magnetický skalární potenciál Magnetizace Magnetomotorická síla Magnetický vektorový potenciál Pravidlo pravé ruky
Elektrodynamika Lorentzův silový zákon Elektromagnetická indukce Faradayův zákon Lenzův zákon Posuvný proud Maxwellovy rovnice Elektromagnetické pole Elektromagnetický puls Elektromagnetická radiace Maxwellův tenzor Poynting vektor Liénard – Wiechertův potenciál Jefimenkovy rovnice Vířivý proud Londýnské rovnice Matematické popisy elektromagnetického pole
Elektrická síť Střídavý proud Kapacita Stejnosměrný proud Elektrický proud Elektrolýza Proudová hustota Joule topení Elektromotorická síla Impedance Indukčnost Ohmův zákon Paralelní obvod Odpor Rezonanční dutiny Sériový obvod Napětí Vlnovody
Kovariantní formulace Elektromagnetický tenzor ( tenzor - tenzor energie ) Čtyřproudý Elektromagnetický čtyřpotenciál
Vědci Ampér Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Jindřich Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Zpěvák Tesla Volta Weber jed
proti t E

Heaviside udělal hodně pro vývoj a obhajování vektorových metod a vektorového počtu . Maxwellova formulace elektromagnetismu se skládala z 20 rovnic ve 20 proměnných. Heaviside použil operátory zvlnění a divergence vektorového počtu k přeformulování 12 z těchto 20 rovnic do čtyř rovnic ve čtyřech proměnných ( ), což je forma, od které jsou od té doby známy (viz Maxwellovy rovnice ). Méně známé je, že Heavisideovy rovnice a Maxwellovy rovnice nejsou úplně stejné a ve skutečnosti je snazší modifikovat ty první, aby byly kompatibilní s kvantovou fyzikou. Heaviside také diskutoval o možnosti gravitačních vln pomocí analogie mezi zákonem inverzního čtverce v gravitaci a elektřinou. Při kvaternionovém násobení je čtverec vektoru zápornou veličinou, což je k Heavisideově nelibosti hodně. Jak prosazoval zrušení této negativity, CJ Joly mu připsal rozvoj hyperbolických kvaternionů , ačkoli ve skutečnosti byla matematická struktura do značné míry dílem Alexandra Macfarlana . ${\ displaystyle {\ textbf {B}}, {\ textbf {E}}, {\ textbf {J}} ~ {\ text {and}} ~ \ rho}$

Vynalezl krokovou funkci Heaviside , pomocí které vypočítal proud při zapnutí elektrického obvodu . Byl prvním, kdo použil funkci jednotkového impulsu, nyní obvykle známou jako Diracova delta funkce . Vynalezl svou metodu operačního počtu pro řešení lineárních diferenciálních rovnic . To se podobá aktuálně používané Laplaceově transformační metodě založené na „ Bromwichově integrálu “ pojmenovaném po Bromwichovi, který vymyslel přísné matematické zdůvodnění Heavisideovy operátorové metody pomocí obrysové integrace. Heaviside byl obeznámen s metodou Laplaceovy transformace, ale považoval svou vlastní metodu za přímější.

Heaviside vyvinul teorii přenosového vedení (také známou jako „ telegrafní rovnice “), která měla za následek zvýšení přenosové rychlosti přes transatlantické kabely desetkrát. Přenos jednotlivých postav původně trval deset minut, a to se okamžitě zlepšilo na jeden znak za minutu. S tím úzce souvisí jeho objev, že telefonní přenos lze výrazně zlepšit umístěním elektrické indukčnosti do série s kabelem. Heaviside také nezávisle objevil Poyntingův vektor .

Heaviside rozšířil myšlenku, že nejvyšší atmosféra Země obsahuje ionizovanou vrstvu známou jako ionosféra ; v tomto ohledu předpovídal existenci něčeho, co bylo později nazváno vrstvou Kennelly – Heaviside . V roce 1947 obdržel Edward Victor Appleton Nobelovu cenu za fyziku za prokázání, že tato vrstva skutečně existovala.

Elektromagnetické termíny

Heaviside razil následující termíny umění v elektromagnetické teorii :

• permitivita (převrácená hodnota impedance) (prosinec 1887);
• elastance (převrácená hodnota povolení, převrácená kapacita) (1886);
• vodivost (skutečná část přijetí, reciproční odpor) (září 1885);
• elektret pro elektrický analog permanentního magnetu, nebo jinými slovy jakoukoli látku, která vykazuje kvazi-trvalou elektrickou polarizaci (např. feroelektrickou );
• impedance (červenec 1886);
• indukčnost (únor 1886);
• propustnost (září 1885);
• permit (nyní nazývaný kapacita) a permitivita (červen 1887);
• neochota (květen 1888);

Heaviside je někdy také připočítán s coine susceptance (imaginární část přijetí, reciproční reakce), ale to je ve skutečnosti kvůli Charlesu Proteus Steinmetz .

Publikace

• 1885, 1886 a 1887 „Elektromagnetická indukce a její šíření“, Elektrikář .
• 1888/89, „ Elektromagnetické vlny, šíření potenciálu a elektromagnetické efekty pohybujícího se náboje “, Elektrikář .
• 1889, „ O elektromagnetických účincích v důsledku pohybu elektrifikace přes dielektrikum “, Phil.Mag.S.5 27: 324.
• 1892 „O silách, napětí a toky energie v elektromagnetickém poli“ Phil.Trans.Royal Soc. A 183: 423–80.
• 1892 „O operátorech ve fyzikální matematice“, část I. Proc. Roy. Soc. 1892 1. ledna sv. 52 s. 504–529
• 1892 Heaviside, Oliver (1892). Elektrické papíry . Svazek 1. Macmillan Co, Londýn a New York. |volume=má další text ( nápověda )
• 1893 „O operátorech ve fyzikální matematice“, část II Proč. Roy. Soc. 1893 1. ledna sv. 54 s. 105–143
• 1893 „ Gravitační a elektromagnetická analogie ,“ Elektrikář .
• 1893 Heaviside, Oliver (1893). Elektromagnetická teorie . Svazek 1. The Electrician Printing and Publishing Co, London. |volume=má další text ( nápověda )
• 1894 Heaviside, Oliver (1894). Elektrické papíry . Svazek 2. Macmillan Co, Londýn a New York. |volume=má další text ( nápověda )
• 1899 Heaviside, Oliver (1899). Elektromagnetická teorie . Svazek 2. The Electrician Printing and Publishing Co, London. |volume=má další text ( nápověda )
• 1912 Heaviside, Oliver (1912). Elektromagnetická teorie . Svazek 3. The Electrician Printing and Publishing Co, London. |volume=má další text ( nápověda )
• 1925. Elektrické papíry . 2 vols Boston 1925 (Copley)
• 1950 Elektromagnetická teorie: Kompletní a nezkrácené vydání . (Spon) přetištěno 1950 (Dover)
• 1970 Heaviside, Oliver (1970). Elektrické papíry . Chelsea Publishing Company, Incorporated. ISBN 978-0-8284-0235-4.
• 1971 „Elektromagnetická teorie; Včetně popisu Heavisideových nepublikovaných poznámek ke čtvrtému dílu“ Chelsea, ISBN  0-8284-0237-X
• 2001 Heaviside, Oliver (1. prosince 2001). Elektrické papíry . ISBN 978-0-8218-2840-3.

Viz také

• Mikrovlnná trouba
• 1850 ve vědě
• Analytická společnost
• Biot-Savartův zákon
• Nakládací cívka
• Čtveřice
• Vektorový počet
• Poynting vektor
• Jednotky Lorentz-Heaviside

Reference

Další čtení

externí odkazy