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James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell (1831-1879), physicien écossais, a unifié électricité, magnétisme et lumière dans quatre équations. Il a montré que la lumière est une onde électromagnétique.
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Maxwell est souvent placé, avec Newton et Einstein, parmi les trois plus grands physiciens. Ses équations de 1865 réunissent tous les phénomènes électriques et magnétiques connus et prédisent l’existence d’ondes électromagnétiques se propageant à la vitesse de la lumière. La radio, la télévision, le radar et le Wi-Fi en découlent. Einstein gardait son portrait dans son bureau.
Repères chronologiques
| Date | Événement |
|---|---|
| 13 juin 1831 | naissance à Édimbourg ; enfance au domaine familial de Glenlair |
| 1846 | à 14 ans, mémoire sur les ovales présenté à la Royal Society d’Édimbourg |
| 1847-1850 | études à l’université d’Édimbourg |
| 1850-1854 | études à Cambridge (Trinity College) |
| 1855-1856 | On Faraday’s Lines of Force |
| 1856 | professeur à Aberdeen |
| 1859 | démontre que les anneaux de Saturne sont formés de particules ; loi de distribution des vitesses des molécules |
| 1860 | professeur au King’s College de Londres |
| 1861 | première photographie en couleurs, d’un ruban écossais |
| 1861-1862 | On Physical Lines of Force : la lumière est électromagnétique |
| 1865 | A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field |
| 1871 | professeur à Cambridge ; fonde le laboratoire Cavendish (ouvert en 1874) |
| 1873 | A Treatise on Electricity and Magnetism |
| 5 novembre 1879 | mort d’un cancer abdominal à 48 ans |
Les équations de Maxwell
Maxwell traduit en mathématiques les « lignes de force » de Faraday. Il ajoute un terme nouveau, le courant de déplacement, sans lequel la théorie était incohérente. Les équations, écrites sous leur forme actuelle de quatre équations par Oliver Heaviside dans les années 1880, sont :
| Équation | Sens physique |
|---|---|
| loi de Gauss | les charges électriques sont les sources du champ électrique |
| loi de Gauss pour le magnétisme | il n’existe pas de « charge magnétique » isolée : les lignes de champ magnétique se referment |
| loi de Faraday | un champ magnétique variable crée un champ électrique (induction) |
| loi d’Ampère-Maxwell | un courant ou un champ électrique variable crée un champ magnétique |
La lumière est une onde électromagnétique
Des équations, Maxwell déduit que des perturbations électriques et magnétiques peuvent se propager ensemble dans le vide, à une vitesse calculable à partir de constantes mesurées en laboratoire. Il obtient environ 300 000 km/s, la vitesse de la lumière. Il en conclut que la lumière est une onde électromagnétique.
La théorie prédit des ondes de toutes les longueurs d’onde, au-delà de la lumière visible. En 1887-1888, Heinrich Hertz produit et détecte en laboratoire des ondes radio, confirmant Maxwell. Le spectre électromagnétique va des ondes radio aux rayons gamma.
Les autres apports
- Théorie cinétique des gaz : Maxwell décrit un gaz comme un ensemble de molécules en mouvement aléatoire et établit la loi statistique de répartition de leurs vitesses (distribution de Maxwell-Boltzmann). C’est l’une des premières lois physiques probabilistes, fondement de la physique statistique.
- Démon de Maxwell (1867) : expérience de pensée d’un être qui trierait les molécules rapides et lentes, semblant violer le second principe de la thermodynamique. Le paradoxe a nourri la réflexion sur l’information et l’entropie.
- Couleurs : il montre que toutes les couleurs peuvent être obtenues à partir de trois couleurs primaires (rouge, vert, bleu) et présente en 1861 la première photographie en couleurs par synthèse trichrome.
- Anneaux de Saturne : il prouve qu’un anneau solide ou fluide serait instable et que les anneaux sont constitués de nombreuses petites particules, ce qu’ont confirmé les sondes Voyager.
- Automatique : son article sur les régulateurs (On Governors, 1868) est un texte fondateur de la théorie du contrôle.
Héritage
La théorie de Maxwell est à l’origine directe de la relativité restreinte : c’est en cherchant à concilier ses équations avec la mécanique qu’Einstein formule sa théorie en 1905. L’unité CGS de flux magnétique, le maxwell, porte son nom, de même que le télescope James Clerk Maxwell, à Hawaï. Le laboratoire Cavendish qu’il a fondé a vu naître une trentaine de prix Nobel.
Questions fréquentes
Que disent les équations de Maxwell ?
Elles décrivent comment les charges et les courants créent les champs électriques et magnétiques, et comment ces champs s’engendrent mutuellement lorsqu’ils varient. Elles résument tout l’électromagnétisme classique.
Qu’a découvert Maxwell sur la lumière ?
Que la lumière est une onde électromagnétique, formée de champs électrique et magnétique oscillants qui se propagent dans le vide à environ 300 000 km/s.
Maxwell a-t-il pris la première photo en couleurs ?
Il a conçu la méthode et l’a présentée en 1861 : trois photographies d’un ruban écossais prises à travers des filtres rouge, vert et bleu, puis superposées par projection. Les clichés furent réalisés par le photographe Thomas Sutton.