Оливер Хевисайд - Oliver Heaviside

Оливер Хевисайд
Хевисайд c. 1900 г.
Родившийся	(1850-05-18)18 мая 1850 г. город Камден, Миддлсекс, Англия
Умер	3 февраля 1925 г.(1925-02-03) (74 года) Торки, Девон, Англия
Национальность	Британский
Известен	Метод сокрытия Хевисайда Кеннелли – Хевисайд несушка Реактивность Ступенчатая функция Хевисайда Дифференциальные операторы Векторный анализ Состояние Хевисайда Коаксиальный кабель Уравнения телеграфа
Награды	Медаль Фарадея (1922) Член Королевского общества[1]
Научная карьера
Поля	Электротехника, математика и физика
Учреждения	Компания "Великий северный телеграф"

Оливер Хевисайд ФРС^[1] (/ˈчасɛvяsаɪd/; 18 мая 1850 - 3 февраля 1925) был англичанином автодидактический инженер-электрик, математик, и физик кто принес сложные числа к анализу схем, изобрел новую технику для решения дифференциальные уравнения (эквивалент Преобразование Лапласа ), независимо разработал векторное исчисление и переписал Уравнения Максвелла в форме, обычно используемой сегодня. Он существенно повлиял на понимание и применение уравнений Максвелла в десятилетия после смерти Максвелла. Его формулировка уравнения телеграфа стали коммерчески важными при его жизни, после того как их значение долгое время оставалось незамеченным, так как немногие другие в то время разбирались в его новой методологии.^[2] Хотя большую часть своей жизни Хевисайд расходился с научным истеблишментом, он изменил лицо телекоммуникаций, математики и науки.^[2]

биография

Ранние годы

Хевисайд родился в город Камден, Лондон, на 55 Kings Street^[3]:13 (ныне Плендер-стрит). Он был невысоким, рыжеволосым ребенком и страдал от скарлатина в молодости, что привело к нарушению слуха. Небольшое наследство позволило семье переехать в лучшую часть Камдена, когда ему было тринадцать, и его отправили в гимназию Камден Хаус. Он был хорошим учеником, заняв пятое место из пятисот учеников в 1865 году, но его родители не могли оставить его в школе после того, как ему исполнилось 16 лет, поэтому он продолжал учиться в течение года один и не имел дальнейшего формального образования.^[4]:51

Дядей Хевисайда по браку был сэр Чарльз Уитстон (1802–1875), всемирно известный специалист в области телеграфии и электромагнетизма, а также соавтор первого коммерчески успешного телеграфа в середине 1830-х годов. Уитстон очень интересовался образованием своего племянника^[5] и в 1867 году отправил его на север, чтобы работать со своим старшим братом Артуром, который управлял одной из телеграфных компаний Уитстона в г. Ньюкасл-апон-Тайн.^[4]:53

Два года спустя он устроился на работу телеграфистом в датскую Компания "Великий северный телеграф" прокладка кабеля из Ньюкасла в Дания с помощью британских подрядчиков. Вскоре он стал электриком. Хевисайд продолжал учиться, пока работал, и к 22 годам опубликовал статью в престижном Философский журнал на тему «Лучшая аранжировка Мост Уитстона для измерения данного сопротивления с помощью данного гальванометра и батареи »^[6] который получил положительные отзывы физиков, безуспешно пытавшихся решить эту алгебраическую задачу, в том числе Сэр Уильям Томсон, которому он дал копию бумаги, и Джеймс Клерк Максвелл. Когда он опубликовал статью о дуплекс способ использования телеграфного кабеля,^[7] он подшучивал над Р. С. Калли, главным инженером Почтовое отделение телеграф система, которая отвергала дуплекс как непрактичный. Позже в 1873 году его заявление о вступлении в Общество инженеров-телеграфистов был отклонен с комментарием, что «им не нужны телеграфисты». Это взбесило Хевисайда, который попросил Томсона спонсировать его, и вместе с поддержкой президента общества он был принят «вопреки снобам П.О.».^[4]:60

В 1873 году Хевисайд познакомился с недавно опубликованным, а затем известным двухтомником Максвелла. Трактат об электричестве и магнетизме. В преклонном возрасте Хевисайд вспоминал:

Я помню, как впервые взглянул на великий трактат Максвелла, когда был молодым человеком ... Я увидел, что он великий, великий и величайший, с потрясающими возможностями в его силе ... Я был полон решимости освоить книгу и приступил к работай. Я был очень невежественным. Я не знал математического анализа (изучал только школьную алгебру и тригонометрию, которые я в значительной степени забыл), поэтому моя работа была предназначена для меня. Мне потребовалось несколько лет, прежде чем я смог понять как можно больше. Затем я отложил Максвелла и пошел своим путем. И я прогрессировал намного быстрее ... Будет понятно, что я проповедую Евангелие в соответствии с моей интерпретацией Максвелла.^[8]

Проводя исследования дома, он помогал в разработке линия передачи теория (также известная как "уравнения телеграфа "). Хевисайд показал математически который равномерно распределен индуктивность в телеграфной линии уменьшили бы оба затухание и искажение, и что, если бы индуктивность была достаточно большой и изоляция сопротивление не слишком высоко, схема будет без искажений в этом токи из всех частоты будет иметь равные скорости распространения.^[9] Уравнения Хевисайда способствовали дальнейшему внедрению телеграфа.

Средние годы

С 1882 по 1902 год, за исключением трех лет, он регулярно писал статьи в отраслевую газету. Электрик, который хотел улучшить свое положение, за что ему платили 40 фунтов стерлингов в год. Этого было едва ли хватило на жизнь, но его требования были очень незначительны, и он делал то, что больше всего хотел. Между 1883 и 1887 годами они выходили в среднем 2-3 статьи в месяц, и позже эти статьи составили основную часть его Электромагнитная теория и Электротехнические документы.^[4]:71

В 1880 году Хевисайд исследовал скин эффект в телеграфных линиях передачи. В том же году он запатентовал в Англии коаксиальный кабель. В 1884 году он переделал математический анализ Максвелла из его первоначальной громоздкой формы (они уже были преобразованы в кватернионы ) к его современному вектор терминологии, тем самым уменьшив двенадцать из двадцати исходных уравнений с двадцатью неизвестными до четырех дифференциальные уравнения в двух неизвестных мы теперь знаем как Уравнения Максвелла. Четыре переформулированных уравнения Максвелла описывают природу электрических зарядов (как статических, так и движущихся), магнитных полей и взаимосвязи между ними, а именно электромагнитных полей.

Между 1880 и 1887 годами Хевисайд разработал операционное исчисление с помощью ${displaystyle p}$ для дифференциальный оператор, (который Бул ранее обозначал как ${displaystyle D}$^[10]), дающий метод решения дифференциальных уравнений прямым решением в виде алгебраические уравнения. Позже это вызвало много споров из-за отсутствия строгость. Он сказал знаменитую фразу: «Математика - это экспериментальная наука, и определения приходят не в первую очередь, а позже. Они возникают сами по себе, когда сама природа предмета развивается».^[11] В другой раз он спросил несколько более оборонительно: «Могу ли я отказаться от обеда, потому что я не совсем понимаю процесс пищеварения?»^[12]

В 1887 году Хевисайд работал со своим братом Артуром над статьей под названием «Мостовая система телефонии». Однако газета была заблокирована начальником Артура, Уильям Генри Прис из Почта России, потому что часть предложения заключалась в том, что загрузочные катушки (индукторы ) должны быть добавлены к телефонным и телеграфным линиям, чтобы увеличить их самоиндукцию и исправить искажения, которым они подвержены. Прис недавно заявил, что самоиндукция - большой враг чистой передачи. Хевисайд также был убежден, что Прис стояла за увольнением редактора журнала. Электрик что привело к остановке его продолжительной серии статей (до 1891 г.).^[13] Между Прис и Хевисайд существовала давняя враждебность. Хевисайд считал Прис математически некомпетентной, оценка, подтвержденная биографом. Пол Дж. Нахин: «Прис был влиятельным государственным чиновником, чрезвычайно амбициозным и в некоторых замечательных отношениях полным болваном». Мотивы Прис в подавлении работы Хевисайда были больше связаны с защитой собственной репутации Прис и избеганием необходимости признавать ошибку, чем любые предполагаемые ошибки в работе Хевисайда.^{[3]:xi – xvii, 162–183}

Важность работы Хевисайда оставалась нераскрытой некоторое время после публикации в Электрик, и поэтому его права находятся в общественном достоянии. В 1897 г. AT&T нанял одного из своих ученых, Джордж А. Кэмпбелл, и внешний следователь Михаил Иванович Пупин найти какое-то уважение к тому, что работа Хевисайда была неполной или неправильной. Кэмпбелл и Пупин расширили работу Хевисайда, и AT&T подала заявку на патенты, охватывающие не только их исследования, но и технический метод создания катушек, ранее изобретенных Хевисайдом. Позже AT&T предложила Хевисайду деньги в обмен на его права; Возможно, на это предложение повлияло уважение инженеров Bell к Хевисайду. Однако Хевисайд отклонил предложение, отказавшись принимать какие-либо деньги, если только компания не признает его полностью. Хевисайд был хронически беден, что делало его отказ от предложения еще более поразительным.^[14]

Но эта неудача привела к тому, что внимание Хевисайда было обращено на электромагнитное излучение,^[15] и в двух статьях 1888 и 1889 годов он вычислил деформации электрических и магнитных полей, окружающих движущийся заряд, а также эффекты его попадания в более плотную среду. Это включало предсказание того, что сейчас известно как Черенковское излучение и вдохновил своего друга Джордж Фицджеральд предложить то, что сейчас известно как Сжатие Лоренца – Фитцджеральда.

В 1889 году Хевисайд впервые опубликовал правильный вывод магнитной силы, действующей на движущуюся заряженную частицу:^[16] который является магнитной составляющей того, что сейчас называется Сила Лоренца.

В конце 1880-х - начале 1890-х годов Хевисайд работал над концепция из электромагнитная масса. Хевисайд рассматривал это как материал масса, способные производить такие же эффекты. Вильгельм Вена позже подтвердил выражение Хевисайда (для низкого скорости ).

В 1891 г. Королевское общество признал вклад Хевисайда в математическое описание электромагнитных явлений, назвав его Член Королевского общества, а в следующем году посвятили более пятидесяти страниц Философские труды Общества его векторным методам и теории электромагнетизма. В 1905 г. Хевисайд получил звание почетного доктора Геттингенский университет.

Спустя годы и взгляды

В 1896 году Фитцджеральд и Джон Перри получил пенсию по гражданскому листу в размере 120 фунтов стерлингов в год для Хевисайда, который теперь жил в Девоне, и убедил его принять ее после того, как он отклонил другие благотворительные предложения Королевского общества.^[15]

В 1902 году Хевисайд предположил существование того, что сейчас известно как Кеннелли – Хевисайд несушка из ионосфера. Предложение Хевисайда включало средства, с помощью которых радиосигналы передаются вокруг кривизны Земли. Существование ионосферы было подтверждено в 1923 году. Предсказания Хевисайда в сочетании с Планка теория излучения, вероятно, препятствовала дальнейшим попыткам обнаружить радиоволны от солнце и другие астрономические объекты. По какой-то причине, похоже, не было никаких попыток в течение 30 лет, пока Янского развитие радиоастрономия в 1932 г.

В последующие годы его поведение стало довольно эксцентричный. По словам сотрудника Б. А. Беренда, он стал отшельником, который так не хотел встречаться с людьми, что доставил рукописи своего Электрик документы в продуктовый магазин, где редакция их забрала.^[17] Хотя в юности он был активным велосипедистом, к шестому десятилетию его здоровье серьезно ухудшилось. В это время Хевисайд подписывал письма инициалами "W.O.R.M."в честь его имени. Хевисайд, как сообщается, также начал красить ногти в розовый цвет, а в его дом переместили гранитные блоки для мебели.^[3]:хх В 1922 году он стал первым получателем Медаль Фарадея, который был основан в том же году.

По религиозным взглядам Хевисайда, он был Унитарный, но не религиозный. Говорят, что он даже высмеивал людей, которые верили в высшее существо.^[18]

Сравнение проекта реставрации до и после.

Хевисайд умер 3 февраля 1925 г. Торки в Девон после падения с лестницы,^[19] и похоронен недалеко от восточного угла Пейнтон кладбище. Он похоронен вместе со своим отцом Томасом Хевисайд (1813–1896) и его матерью Рэйчел Элизабет Хевисайд. Надгробие было очищено благодаря анонимному дарителю где-то в 2005 году.^[20] Большая часть его признания была получена посмертно.

Мемориальный проект Хевисайда

В июле 2014 г. Ньюкаслский университет, Великобритания и Newcastle Electromagnetics Interest Group основали Мемориальный проект Хевисайда.^[21] в попытке полностью восстановить памятник по открытой подписке.^[22][23] Восстановленный мемориал был торжественно открыт 30 августа 2014 года Аланом Хизером, дальним родственником Хевисайда. На открытии присутствовал мэр Торбей, Депутат для Торбей, бывшего куратора Музея науки (представляющего Институт инженерии и технологий ), председатель Торбейского гражданского общества и делегаты из Университета Ньюкасла.^[24]

Коллекция Хевисайда 1872–1923 гг.

Коллекция записных книжек, бумаг, переписки, заметок и аннотированных брошюр Хевисайда по телеграфии хранится в Институт инженерии и технологий (ИЭПП) Архивный центр.^[25]

Инновации и открытия

Хевисайд много сделал для развития и защиты вектор методы и векторное исчисление.^[26] Максвелла формулировка электромагнетизм состоит из 20 уравнений от 20 переменных. Хевисайд использовал завиток и расхождение операторы векторное исчисление переформулировать 12 из этих 20 уравнений в четыре уравнения с четырьмя переменными (${displaystyle {extbf {B}}, {extbf {E}}, {extbf {J}} ~ {ext {и}} ~ ho}$), в той форме, в которой они известны с тех пор (см. Уравнения Максвелла ). Менее известно, что уравнения Хевисайда и Максвелла не совсем одно и то же, и на самом деле легче изменить первые, чтобы сделать их совместимыми с квантовой физикой.^[27] Возможность гравитационные волны также обсуждался Хевисайдом с использованием аналогии между законом обратных квадратов в гравитации и электричестве.^[28] С кватернион При умножении квадрат вектора является отрицательной величиной, к большому неудовольствию Хевисайда. Поскольку он выступал за отмену этого негатива, ему приписывают К. Дж. Джоли^[29] с развитием гиперболические кватернионы, хотя на самом деле эта математическая структура была в значительной степени работой Александр Макфарлейн.

Он изобрел Ступенчатая функция Хевисайда, используя его для расчета Текущий когда электрическая цепь включен. Он был первым, кто использовал функцию единичного импульса, теперь известную как Дельта-функция Дирака.^[30] Он изобрел свой операционное исчисление метод решения линейные дифференциальные уравнения. Это похоже на используемые в настоящее время Преобразование Лапласа метод, основанный на "Интеграл Бромвича " названный в честь Бромвич который разработал строгое математическое обоснование метода оператора Хевисайда, используя контурное интегрирование.^[31] Хевисайд был знаком с методом преобразования Лапласа, но считал свой метод более прямым.^[32][33]

Хевисайд разработал линия передачи теория (также известная как "уравнения телеграфа "), что привело к увеличению скорости передачи по трансатлантическим кабелям в десять раз. Первоначально для передачи каждого символа требовалось десять минут, а затем этот показатель сразу увеличился до одного символа в минуту. С этим тесно связано его открытие, что телефон трансмиссию можно значительно улучшить, разместив электрическая индуктивность последовательно с кабелем.^[34] Хевисайд также независимо обнаружил Вектор Пойнтинга.^{[3]:116–118}

Хевисайд выдвинул идею, что самая верхняя атмосфера Земли содержит ионизированный слой, известный как ионосфера; в этом отношении он предсказал существование того, что позже было названо Кеннелли – Хевисайд несушка. В 1947 г. Эдвард Виктор Эпплтон получил Нобелевскую премию по физике за доказательство того, что этот слой действительно существует.

Электромагнитные термины

Хевисайд выдуманный следующие термины искусства в электромагнитная теория:

• допуск (обратно импедансу) (Декабрь 1887 г.);
• эластичность (величина, обратная диэлектрической проницаемости, величина, обратная емкости) (1886);
• проводимость (действительная часть допуска, обратная величина сопротивления) (Сентябрь 1885 г.);
• электрет для электрического аналога постоянного магнита или, другими словами, любого вещества, которое демонстрирует квазипостоянную электрическую поляризацию (например, сегнетоэлектрик );
• сопротивление (Июль 1886 г.);
• индуктивность (Февраль 1886 г.);
• проницаемость (Сентябрь 1885 г.);
• разрешение (теперь называется емкостью) и диэлектрическая проницаемость (Июнь 1887 г.);
• нежелание (Май 1888 г.);^[35]

Хевисайду также иногда приписывают чеканку восприимчивость (мнимая часть допуска, обратная реактивному сопротивлению), но на самом деле это связано с Чарльз Протеус Штайнмец.^[36]

Публикации

• 1885, 1886 и 1887, «Электромагнитная индукция и ее распространение», Электрик.
• 1888/89, "Электромагнитные волны, распространение потенциала и электромагнитные эффекты движущегося заряда ", Электрик.
• 1889, "Об электромагнитных эффектах при движении электризации через диэлектрик. ", Phil.Mag.S.5 27: 324.
• 1892 "О ​​силах, напряжениях и потоках энергии в электромагнитном поле" Phil.Trans.Royal Soc. А 183:423–80.
• 1892 г. "Об операторах в физической математике" Часть I. Proc. Рой. Soc. 1892, 1 января, том 52, с. 504–529
• 1892 Хевисайд, Оливер (1892). Электротехнические документы. Том 1. Macmillan Co, Лондон и Нью-Йорк.CS1 maint: ref = harv (связь)
• 1893 г. "Об операторах в физической математике" Часть II. Proc. Рой. Soc. 1893 1 янв. Т. 54 с. 105–143
• 1893 "Гравитационная и электромагнитная аналогия," Электрик.
• 1893 Хевисайд, Оливер (1893). Электромагнитная теория. Том 1. Издательство "Электрик типография и издательство", Лондон.CS1 maint: ref = harv (связь)^[37]
• 1894 Хевисайд, Оливер (1894). Электротехнические документы. Том 2. Macmillan Co, Лондон и Нью-Йорк.CS1 maint: ref = harv (связь)
• 1899 Хевисайд, Оливер (1899). Электромагнитная теория. Том 2. Издательская компания «Электрик», Лондон.CS1 maint: ref = harv (связь)
• 1912 Хевисайд, Оливер (1912). Электромагнитная теория. Том 3. Издательская компания «Электрик», Лондон.CS1 maint: ref = harv (связь)
• 1925. Электротехнические документы. 2 тома Бостон 1925 (Копли)
• 1950 Электромагнитная теория: полное и несокращенное издание. (Spon) переиздано 1950 (Dover)
• 1970 Хевисайд, Оливер (1970). Электротехнические документы. Chelsea Publishing Company, Incorporated. ISBN  978-0-8284-0235-4.
• 1971 "Электромагнитная теория; Включая отчет о неопубликованных заметках Хевисайда для четвертого тома" Челси, ISBN  0-8284-0237-X
• 2001 Хевисайд, Оливер (1 декабря 2001 г.). Электротехнические документы. ISBN  978-0-8218-2840-3.

Смотрите также

• СВЧ
• 1850 г. в науке
• Аналитическое общество
• Кватернион
• Векторное исчисление
• Состояние Хевисайда
• Единицы Лоренца-Хевисайда

Рекомендации

дальнейшее чтение

По дате.

• Джеффрис, Гарольд (1927) Операционные методы в математической физике , Cambridge University Press, 2-е издание, 1931 г.
• Мур, Дуглас Х .; Уиттакер, Эдмунд Тейлор (1928). Операционное исчисление Хевисайда: элементарная основа. ISBN  0-444-00090-9.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Уиттакер Э. Т. (1929): Оливер Хевисайд, Бык. Calcutta Math Soc, том 20, 1928-29, 199-220.
• Берг, Э. Дж. (1929). Операционное исчисление Хевисайда в применении к технике и физике. Макгроу-Хилл.
• Ли, Г. (1947). Оливер Хевисайд. Лондон.
• Столетний том Хевисайда. Институт инженеров-электриков, Лондон. 1950 г.
• Джозефс, Х. Дж. (1963). Оливер Хевисайд: биография. Лондон.
• Лётцен Дж .: Оперативный расчет Хевисайда и попытки его уточнить, Arch. Hist. Exact Sci. 21 (1980) 161-200
• Бухвальд, Джед З. (1985). От Максвелла к микрофизике: аспекты теории электромагнетизма в последней четверти XIX века. Издательство Чикагского университета. ISBN  978-0-226-07882-3.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Нахин, Пол Дж. (1987). Оливер Хевисайд, мудрец в одиночестве: жизнь, работа и времена гения-электрика викторианской эпохи. IEEE. ISBN  978-0-87942-238-7.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Лейтвейт, Э. Р. "Оливер Хевисайд - шейкер истеблишмента"Обзор электрики", 12 ноября 1982 г.
• Хант, Брюс Дж. (1991). Максвеллианцы (издание в мягкой обложке, 2005 г.). Издательство Корнельского университета. ISBN  978-0-8014-8234-2.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Линч, А. С. (1991). Г. Холлистер-Шорт (ред.). "Источники для биографии Оливера Хевисайда". История технологий, Лондон и Нью-Йорк. 13.
• Явец, И. (1995). От неизвестности к загадке: работа Оливера Хевисайда, 1872–1889 гг.. Бирхаузер. ISBN  978-3-7643-5180-9.CS1 maint: ref = harv (связь)
• Джеймс Б. Калверт (2002) Хевисайд, Лаплас и инверсионный интеграл, из Денверский университет.
• Махон, Бэзил (11 мая 2009 г.). Оливер Хевисайд: индивидуальный вдохновитель электричества. Институт инженерии и технологий. ISBN  978-0-86341-965-2.CS1 maint: ref = harv (связь)

внешняя ссылка

• Работы Оливера Хевисайда или о нем в Интернет-архив
• О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф., "Оливер Хевисайд", Архив истории математики MacTutor, Сент-Эндрюсский университет.
• Хизер, Алан, Оливер Хевисайд. Общество радиолюбителей Торбея.
• Кац, Евгений, "Оливер Хевисайд" на Wayback Machine (Архивировано 27 октября 2009 г.). Еврейский университет Иерусалима.
• Джон Х. Линхард (1990). «Оливер Хевисайд». Двигатели нашей изобретательности. Эпизод 426. NPR. KUHF-FM Хьюстон. No 426 Оливер Хевисайд.
• Гиго, Ф. "Предыстория радиоастрономии, Оливер Хевисайд (1850–1925)". Национальная радиоастрономическая обсерватория, Грин-Бэнк, Западная Вирджиния.
• Эрик В. Вайсштейн "Хевисайд, Оливер (1850–1925) ". Мир научной биографии Эрика Вайсштейна. Wolfram Media, Inc.
• Нотон, Рассел "Оливер В. Хевисайд: 1850 – 1925". Приключения в CyberSound.
• МакГинти, Фил "Оливер Хевисайд "Девон Лайф, Библиотечное обслуживание Торбей".
• Густафсон, Грант "Методы Хевисайда ". math.Utah.edu. (PDF )
• Коллекция портретов библиотеки Дибнера »,Оливер Хевисайд ".
• Флеминг, Джон Эмброуз (1911). «Единицы, физические». Британская энциклопедия. 27 (11-е изд.). С. 738–745.
• Рон Д. (2007) Расчет оператора Хевисайда
• ДЖЕКСОН, Вт (1950). «Жизнь и творчество Оливера Хевисайда (18 мая 1850 г. - 3 февраля 1925 г.)». Природа (опубликовано 24 июня 1950 г.). 165 (4208): 991–3. Bibcode:1950Натура.165..991J. Дои:10.1038 / 165991a0. PMID  15439051.