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James Clerk Maxwell est un physicien écossais né
le 13 juin 1831 à Édimbourg, en Écosse et mort le 5 novembre
1879. Brillant élève au collège, James Clerk Maxwell poursuit
des études de mathématiques à l'université de Cambridge. Il
obtient une chaire de philosophie naturelle à Aberdeen à l'âge
de vingt-cinq ans. Puis, de 1860 à 1865, il occupe le poste de
professeur au King's College de Londres. A la suite de ces cinq
années d'enseignement, il décide de se retirer dans sa propriété
de Glenair, en Ecosse. En 1871, Maxwell est nommé directeur du
laboratoire Cavendish que vient de fonder le duc du Devonshire.
Il n'aura alors de cesse de le développer afin qu'il devienne le
centre de formation scientifique le plus illustre.
Dès le début de sa carrière, Maxwell s'intéresse à la dynamique
des gaz. Après avoir prouvé mathématiquement que les anneaux de
Saturne sont constitués de particules distinctes, il étudie la
répartition des vitesses des molécules gazeuses (conforme à loi
de Gauss). En 1860, il montre que l'énergie cinétique de ces
molécules ne dépend que de leur nature. Mais ce sont ses
recherches en électromagnétisme qui font de Maxwell un des
savants les plus célèbres du XIXe siècle. En se basant sur les
travaux de Faraday, il introduit dès 1862 la notion de champ.
Puis, il montre qu'un champ magnétique peut être créé par la
variation
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d'un champ électrique (Faraday avait alors
découvert l'induction, phénomène par lequel la variation d'un
champ électrique crée un champ magnétique). Son enseignement
purement mathématique va alors lui permettre d'élaborer les
célèbres équations différentielles décrivant la nature des
champs électromagnétiques dans l'espace et le temps. Il les
expose dans son Traité d'électricité et de magnétisme publié en
1873. Maxwell, en élaborant les théories de l'électromagnétisme,
a également défini la lumière en tant qu'onde électromagnétique,
ouvrant ainsi la voie aux recherches d'autres physiciens comme
Heinrich Rudolph Hertz. En effectuant ses recherches
fondamentales sur la thermodynamique, Maxwell conçoit la célèbre
expérience de pensée du
démon de Maxwell
James Clerk Maxwell imagine une boîte, contenant un gaz, à
deux compartiments (A et B) séparés par une porte P à l'échelle
moléculaire. Le démon commande la porte. Le fonctionnement de la
porte ne dépense pas d'énergie. Maxwell suppose que le gaz est constitué de molécules en mouvement. Le démon est capable de déterminer la vitesse des molécules, et commande l'ouverture
et la fermeture de la porte en fonction de l'état des molécules.
Dans sa version originale de Maxwell, la température est supérieure dans le compartiment B à ce qu'elle est dans le compartiment A. Or la température est
proportionnelle à la vitesse quadratique moyenne des molécules. Le démon laisse passer du compartiment B au compartiment A les molécules plus lentes que la moyenne du compartiment A, et laisse passer de A à B les molécules plus rapides que la vitesse moyenne dans B. Résultat : la température dans B a augmenté tandis que celle de A
a baissé. On a donc refroidi une source froide à partir d'une source chaude, ce que la seconde loi de la thermodynamique interdit.
Il serait dès lors possible en utilisant l'information que
possède le démon, de transformer de l'énergie cinétique
d'agitation thermique en travail. Il démontre que l'électricité et le magnétisme pouvaient
être unifiés en un seul phénomène : l'électromagnétisme. Il a
prouvé que les champs électriques et magnétiques voyagent dans
l'espace, sous forme d'ondes, à une vitesse d'environ 300 000
km/s, équivalent à la vitesse de la lumière. Il a ainsi émit
l'hypothèse que la lumière était une forme de rayonnement
électromagnétique. Albert Einstein dit de lui : «La théorie de
la relativité doit son origine aux équations de Maxwell sur le
champ électromagnétique».
Maxwell codifia les travaux antérieurs de |
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Michael Faraday,
d'André-Marie Ampère et d'autres concernant l'électricité et le
magnétisme, et les rassembla dans un ensemble de vingt équations différentielles. La
théorie de l'électromagnétisme de Maxwell contenait le germe de
la relativité. Plus tard, Oliver Heaviside simplifia la théorie
en réduisant à quatre le nombre d'équations nécessaires. Ce sont
ces équations que l'on connaît maintenant sous le nom
d'équations de Maxwell. Les lois de Maxwell décrivent le
comportement des champs électriques et magnétiques et le rapport
entre les deux, à savoir l'électromagnétisme.
James Maxwell :
«La vitesse des ondes électromagnétiques est presque celle de la
lumière ... ce qui donne une bonne raison de conclure que la
lumière est en quelque sorte elle même (en incluant le
rayonnement de chaleur, et les autres radiations du même type)
une perturbation électromagnétique qui se propage selon les lois de l'électromagnétisme».
La validité de cette suggestion fut démontrée plus tard par les expériences de Hertz qui aboutir à l'invention de la radio,
habituellement attribuée à Marconi.
En 1860, Maxwell
découvrit qu'il était possible de faire des photographies en
couleur en utilisant des filtres rouges, verts et bleus. Il est
lauréat de la Médaille Rumford cette même année. |
