כנראה שאין אדם שלא מכיר את השם ג'יימס ג'ואל. התגליות של הפיזיקאי הזה משמשות בכל רחבי העולם. באיזה דרך עבר המדען? אילו תגליות הוא גילה?
חייו של פיזיקאי מצטיין
ג'יימס ג'ול נולד ב-24 בדצמבר 1818. הביוגרפיה של הפיזיקאי העתידי מתחילה בעיירה האנגלית סלפורד, במשפחתו של בעל מבשלה מצליח. החינוך של הילד התקיים בבית, במשך זמן מה הוא לימד פיזיקה וכימיה על ידי ג'ון דלטון. הודות לו, הפיזיקאי האנגלי התאהב במדע.
לג'ול לא הייתה בריאות טובה, הוא בילה זמן רב בבית, ערך ניסויים וניסויים פיזיים. כבר בגיל 15, עקב מחלת אביו, נאלץ לנהל את המבשלה עם אחיו. העבודה במפעל של אביו לא נתנה לו את ההזדמנות ללמוד באוניברסיטה, אז ג'יימס ג'ול הקדיש את עצמו לחלוטין למעבדה הביתית שלו.
משנת 1838 עד 1847, הפיזיקאי חקר באופן פעיל חשמל ועשה את ההתקדמות המדעית הראשונה שלו. בדברי הימים של החשמל, הוא פרסם מאמר על חשמל, ובשנת 1841 גילה חוק פיזיקלי חדש, הנושא כעת את שמו.
בשנת 1847, ג'ול נכנס לנישואיו הראשונים והיחידים עם אמיליה גריימס. בקרוב יש להםאליס אמיליה ובנג'מין ארתור נולדו. בשנת 1854, אשתו ובנו מתו. ג'ול עצמו מת בשנת 1889 באנגליה, בעיר סייל.
במהלך חייו פרסם כ-97 מאמרים בפיזיקה, חלקם נכתבו במשותף עם מדענים אחרים: ליון, תומסון וכו'. על הישגים מדעיים יוצאי דופן וחוקי הפיזיקה גילו, הוא זכה במספר מדליות וקיבל תואר פנסיה לכל החיים מממשלת בריטניה בסכום של כ-200 פאונד.
עבודות וניסויים ראשונים
תוך כדי התבוננות במנועי הקיטור במבשלת הבירה של אביו, החליט ג'יימס ג'ול להחליף אותם במנועי הקיטור לצורך יעילות. ב-1838 הוא פרסם מאמר בכתב עת מדעי שבו הוא מתאר את התקן של מנוע אלקטרומגנטי שהמציא. בשנת 1840 הופיעו מנועים חשמליים חדשים במבשלה, והפיזיקאי המשיך לחקור זרם חשמלי ושחרור חום. מאוחר יותר התברר שמנועי הקיטור היו הרבה יותר יעילים.
במהלך הניסויים, ג'ול יוצר מדי חום שיכולים למדוד טמפרטורה בדיוק של 1/200 מעלות. זה מאפשר לו להעמיק בחקר ההשפעה התרמית של הזרם. בשנת 1840, הודות לתצפיות נוספות, הפיזיקאי מגלה את השפעת הרוויה המגנטית. באותה שנה הוא שלח לחברה המלכותית המדעית את העבודה "על היווצרות חום באמצעות זרם חשמלי". המאמר לא דורג. רק כתב העת הספרותי והפילוסופי של מנצ'סטר הסכים לפרסם אותו.
חוק ג'ול-לנץ
לא מוכר על ידי האגודה המדעית של לונדון, המאמר התברר מאוחר יותר כאחד המרכזייםהישגיו של המדען. במאמר, ג'יימס ג'ול דיבר על הקשר בין עוצמת הזרם לכמות החום המשתחררת. הוא טען שכמות החום המשתחררת במוליך עומדת ביחס ישר להתנגדות המוליך, ריבוע הכוח וזמן מעבר הזרם.
באותה תקופה, תיאוריה דומה פותחה על ידי אמיליוס לנץ. העובדה שמוליכות מוליך מתכת תלויה בטמפרטורה התגלתה על ידי פיזיקאי רוסי עוד בשנת 1832. כדי לקבוע במדויק את הטמפרטורה במוליך, המציא המדען כלי מיוחד אליו נשפך אלכוהול. החוט שדרכו הועבר הזרם הורד לתוך הכלי. לאחר מכן, עקבו אחר כמה זמן האלכוהול יתחמם. ג'ול ג'יימס פרסקוט השתמש בשיטה דומה, אך השתמש במים כנוזל.
תוצאות של שנים רבות של מחקר לנץ פורסמו רק ב-1843, אבל בכתביו היו הצדקות מדעיות מדויקות יותר מזה של ג'ול, שעבודתו בתחילה אפילו לא רצתה להדפיס. לאור הבכורה של ג'ול והחישובים המדויקים של אמיל לנץ, הוחלט לקרוא לחוק על שם שניהם. עם הזמן, חוק ג'ול-לנץ הניח את הבסיס לתרמודינמיקה.
Magnetostriction
במקביל לתכונות הזרם החשמלי, ג'יימס ג'ול חוקר תופעות מגנטיות. ב-1842 הוא שם לב שגודל הברזל משתנה בהשפעת גלים מגנטיים. אם מוטות מתכת ממוקמים בשדה מגנטי, אורכם יתארך מעט.
הקהילה המדעית פקפקה בקיומו של תגלית כלשהי כאן. השינוי בגודל המוטות היהכל כך חסר חשיבות שהעין האנושית לא הצליחה לתפוס אותו. אבל הפיזיקאי פיתח טכניקה מיוחדת שבאמצעותה השיג ראיות חזותיות.
מאוחר יותר התברר שגם למתכות אחרות יש את האפקט הזה, והתופעה עצמה כונתה מגנטוסטריקציה. כעת, נמצאו יישומים רבים לגילוי הג'ול. לדוגמה, מתכות מגנטוסטריקטיביות משמשות כחומר של מוליך גל למדידת מפלס המים במיכלים. תופעה זו משמשת גם לייצור תגים במערכות נגד גניבות.
ניסויי גז
בשנות ה-40, ג'יימס ג'ול חקר באופן פעיל את תכונות הגז, כלומר את התופעות הקשורות להתרחבותו והתכווצותו. הוא ערך ניסוי בהרחבת גז מודח, תוך הוכחה שהאנרגיה הפנימית שלו אינה תלויה בנפח. רק הטמפרטורה של הגז חשובה.
בשנת 1848, ג'ול מדד את המהירות של מולקולות גז בפעם הראשונה בהיסטוריה של הפיזיקה. ניסיון זה היה עבודה מוקדמת על התיאוריה הקינטית של גזים, שנתנה תנופה למחקר נוסף בתחום זה. עבודתו של ג'ול המשיכה מאוחר יותר על ידי הסקוטי ג'יימס מקסוול.
עבור תרומה מדעית משמעותית לכבודו של הפיזיקאי האנגלי, נקראה היחידה למדידת עבודה, כמות החום והאנרגיה, הג'ול.
ג'ול ותומסון
לוויליאם תומסון הייתה השפעה עצומה על פעילותו של ג'ול ועל ההכרה שלו בעולם המדעי. המדענים נפגשו בשנת 1847 כאשר ג'ול הציג דו ח על מדידות של המקבילה המכנית של חום לאיגוד המדענים הבריטי.
לפני שתומסון ג'ול לא נלקח ברצינות בחוגים מדעיים. מי יודע, אולי לא היינו מכירים את חוקי הפיזיקה שהוא גילה אם וויליאם תומאס לא היה מסביר את חשיבותם ל"סנובים" של הקהילה הבריטית.
ביחד, פיזיקאים חקרו את תכונות הגזים, וגילו שגז מתקרר במהלך מצערת אדיאבטית. כלומר, הטמפרטורה של הגז (או הנוזל) יורדת במהלך המעבר דרך הפתח (שסתום מבודד). התופעה נקראת אפקט ג'ול-תומסון. כעת משתמשים בתופעה זו להשגת טמפרטורות נמוכות.
מדענים עבדו גם בסולם התרמודינמי, שנקרא על שם התואר לורד קלווין, שהיה שייך לוויליאם תומסון.
וידוי של ג'יימס ג'ול
תהילה והכרה עדיין עקפו את הפיזיקאי האנגלי. בשנות ה-50 הוא הפך לחבר בחברה המלכותית של לונדון וקיבל את המדליה המלכותית. ב-1866 קיבל את מדליית קופלי ואחר כך את מדליית אלברט.
כמה פעמים הפך ג'ול לנשיא האגודה המדעית הבריטית. הוא זכה לתארים דוקטור למשפטים מאוניברסיטת דבלין, אדינבורו ואוקספורד.
יש פסל לכבודו בבית העירייה במנצ'סטר ואנדרטה במנזר ווסטמינסטר. יש מכתש ג'יימס ג'ול בצד הרחוק של הירח.
מסקנה
המדען המפורסם, ששמו ניתן לחוקי הפיזיקה ויחידות המדידה, לא הצליח להשיג הכרה. בזכות שלוהתמדה ועבודה, הוא לא הפסיק לפני כישלונות רבים. בסופו של דבר, הוא הוכיח את הזכות למקומו מתחת לשמש, או לפחות על מכתש ירח.
