Histoire de l'électricité

Électromagnétisme
Auteurs : Travail collectif(plus d'infos)
Résumé :
Au début du xixe siècle, l'édifice théorique de cette branche de la physique était constitué de deux piliers bien séparés : lélectrostatique d'une part, la magnétostatique d'autre part.
Publication : 1 Avril 1998

Sommaire:

Électricité et magnétisme
L'intuition de Faraday
Maxwell et les ondes électromagnétiques
L'électromagnétisme, une mine d'applications
L'électrodynamique quantique
L'unification "électrofaible"

 

Electricité et magnétisme

Lorsque, en 1820, un professeur de physique de luniversité de Copenhague, Hans Christian rsted, annonça quil venait dobserver quun fil parcouru par un courant électrique provoquait la déviation dune aiguille aimantée placée à proximité, il ne se doutait probablement pas quil ouvrait ainsi la voie à lélectromagnétisme, qui allait devenir l'un des piliers de la physique du XIXe siècle. Certes, on soupçonnait déjà qu'existait une relation de cousinage entre les phénomènes électriques et magnétiques, ne serait-ce que parce que lon savait quun orage, dont la nature électrique avait été établie par Benjamin Franklin (voir ÉLECTRICITÉ) pouvait perturber le fonctionnement des boussoles. Mais une telle influence navait jamais pu être mesurée de façon rigoureuse et reproductible.

Au début du xixe siècle, l'édifice théorique de cette branche de la physique était constitué de deux piliers bien séparés : lélectrostatique d'une part, la magnétostatique d'autre part. Lélectrostatique décrivait les interactions entre corps chargés électriquement, la magnétostatique celles entre corps aimantés. Les deux domaines présentaient bien certaines similitudes, par exemple la propriété pour les objets étudiés de se repousser ou de sattirer, mais ils semblaient recouvrir des phénomènes de natures distinctes : un aimant et un corps électrisé ne sattirent pas ; un corps électrisé est soit chargé positivement, soit chargé négativement, tandis quun aimant contient toujours deux pôles inséparables, même lorsquon le casse en deux.

Une semaine après lexposé drsted, André Marie Ampère donna l'explication de ce que celui-ci avait observé. Il prit comme objet élémentaire le fil conducteur parcouru par un courant électrique (ou, plus exactement, une portion infime de ce fil) et ramena le problème du magnétisme à celui de linteraction entre fils électriques. Si un fil est susceptible dagir sur un aimant, cest parce qu'un aimant est au fond lui-même équivalent à une multitude de boucles de courants élémentaires. Ampère trouvait ainsi la clé de lensemble des phénomènes magnétiques observés, mettant le doigt sur lorigine commune des phénomènes magnétiques et électriques : le magnétisme résulte simplement de la présence de courants électriques, cest-à-dire de déplacements de charges électriques (voir ÉLECTRICITÉ).

La compréhension de ce lien entre électricité et magnétisme fut renforcée par les travaux de Michael Faraday. Fasciné par lexpérience drsted, celui-ci neut de cesse de démontrer leffet inverse, c'est-à-dire l'induction par un aimant dun courant électrique au sein dun fil conducteur. Il y parvint en 1831, découvrant que leffet ne se produit que si laimant est animé dun mouvement par rapport au fil. Ce nouveau phénomène, l'induction électromagnétique, allait jouer un rôle considérable dans le développement de lélectricité industrielle (voir ÉLECTRICITÉ).

 

L'intuition de Faraday

Faraday réveilla ensuite un vieux débat de la physique : la question de l'action instantanée à distance. Lidée que linteraction entre deux corps ne dépend que de leur nature propre et de la distance qui les sépare, non du milieu qui les sépare, heurte le sens commun puisqu'elle ne dit rien sur la façon dont linteraction se propage dun corps à lautre. Aussi bien la gravitation de Newton que lélectrostatique de Coulomb-Poisson et la magnétostatique revisitée dAmpère relevaient de cette approche. Faraday croyait bien davantage à lidée dune propagation " de proche en proche ". Cette conception était étayée par un fait expérimental quil contribua à élucider : les quantités de charges qui saccumulent à la surface de deux conducteurs placés en regard lun de lautre et séparés par un milieu diélectrique, cest-à-dire isolant, dépendent non seulement de la distance séparant les deux conducteurs, mais aussi de la nature du milieu intermédiaire.

 

Maxwell et les ondes électromagnétiques

Mais Faraday, peu à l'aise en mathématiques, ne parvint pas à formaliser de façon rigoureuse son intuition. Cette tâche fut accomplie par William Thomson (le futur Lord Kelvin) et surtout James Clerk Maxwell. Dans le but de décrire linfluence dans l'espace environnant de la présence de charges électriques fixes ou en mouvement, ce dernier précisa les concepts de champ électrique et de champ magnétique, qui caractérisent en quelque sorte " létat électromagnétique " d'un point quelconque de lespace. Sappuyant sur le formalisme mathématique permettant de décrire la propagation deffets de proche en proche, à savoir celui des équations aux dérivées partielles (utilisées au début du siècle par le français Joseph Fourier pour décrire la propagation de la chaleur), il modernisa et compléta les lois antérieures de lélectromagnétisme. En 1864, il obtint neuf équations fondamentales (quon est depuis parvenu à réduire à quatre). Cette théorie très élégante permettait résultat capital de calculer la vitesse de propagation des phénomènes électriques et magnétiques, si grande que l'on n'avait pas pu la mesurer jusqu'alors. Maxwell put en effet déduire de ses équations que cette vitesse de propagation sidentifie avec celle dun phénomène en apparence fort différent : la lumière. Mais il ne franchit pas le dernier pas consistant à assimiler la lumière à une onde électromagnétique. Il se contenta de conclure que la propagation des phénomènes électromagnétiques et de la lumière résultaient de la vibration dun même milieu mystérieux dont Maxwell sétait abondamment servi pour établir ses équations, l'éther, tellement subtil que lon ne parvenait pas à lobserver.

Ce fut un jeune Allemand, Heinrich Hertz, élève de lun des grands physiciens de lépoque, Hermann von Helmholtz, qui paracheva le triomphe de la théorie de Maxwell. Il commença par la débarrasser de ses fondements mécaniques contestables, écartant léther hors de la théorie pour ne garder que les champs électrique et magnétique, qui passèrent du coup du rang de simples intermédiaires de calcul au statut dobjets physiques essentiels. Ensuite, il vérifia expérimentalement la prédiction fondamentale de la théorie de Maxwell, c'est-à-dire que les ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière. A laide dun dispositif électrique quil avait mis au point, il produisit en 1887 des ondes électromagnétiques de grande longueur donde, les ondes hertziennes, dont il put mesurer la vitesse de propagation et vérifier quelle sidentifiait bien avec celle de la lumière. Après quil eut démontré expérimentalement que ces ondes pouvaient être réfléchies ou réfractées, tout comme la lumière, il devint clair que celle-ci ne se distinguait plus en rien de celles-là : la nature électromagnétique de la lumière était établie, jetant un éclairage nouveau sur les équations de Maxwell. Au moyen de quatre équations relativement simples, on unifiait non seulement lélectricité et le magnétisme, mais on ramenait à la nouvelle branche ainsi formée lensemble de loptique. Jamais, dans lhistoire de la physique, un ensemble aussi restreint de lois navait suffi à rendre compte dune telle diversité de phénomènes.

La théorie fut encore améliorée en 1895 par le physicien hollandais Hendrik Antoon Lorentz, après quon eut découvert la particule porteuse de la charge électrique (négative) élémentaire : lÉLECTRON. Prenant cette particule élémentaire en compte, il put obtenir lexpression microscopique de paramètres importants de la théorie de Maxwell (constante diélectrique, perméabilité magnétique), interpréter certains phénomènes optiques et même en prévoir un nouveau, leffet Zeeman, avant que celui-ci soit mis en évidence expérimentalement.

Toutefois, la théorie ne tarda pas à rencontrer ses premières limites expérimentales. Tout dabord, leffet Zeeman savéra plus subtil quon ne lavait espéré, nobéissant que partiellement aux prévisions de Lorentz. Dautre part, la théorie se révéla insuffisante aussi bien pour comprendre la structure des spectres démission des différents éléments chimiques que pour interpréter le rayonnement émis par un corps noir, ou encore pour expliquer la production détincelles sur un métal quon illumine avec un rayonnement ultraviolet (ce phénomène, appelé effet photoélectrique, avait été découvert par Hertz en 1887). Enfin, lexpérience menée par lAméricain Albert Michelson, à partir de 1881, pour déterminer dans quel référentiel (cest-à-dire par rapport à quel objet considéré comme fixe) la vitesse de la lumière sidentifiait avec la valeur prévue par la théorie (car la vitesse dun objet dépend normalement du référentiel dans lequel on la mesure), donnait des résultats très difficiles à interpréter. Et pour cause : cette expérience allait devoir attendre lavènement, en 1905, de la théorie de la relativité restreinte dEinstein pour recevoir une interprétation. Quant aux autres énigmes, elles ne furent résolues que dans le cadre de la physique quantique.

 

L'électromagnétisme, une mine d'applications

Lélectrodynamique quantique moderne a beau avoir un domaine de validité beaucoup plus vaste que celui de la bonne vieille théorie de Maxwell, cette dernière suffit largement pour rendre compte avec précision dun très grand nombre de phénomènes électromagnétiques courants. Elle demeure notamment la théorie de base du champ dapplications le plus fécond quelle ait ouvert : celui des télécommunications hertziennes. Inauguré par la découverte des ondes du même nom, ce domaine se développa rapidement, à la fin du xixe siècle, grâce à la mise au point démetteurs et de récepteurs de plus en plus perfectionnés. En 1895, le Russe Aleksandr Popov réalisa en laboratoire la première transmission de signaux Morse par voie hertzienne. La télégraphie sans fil (T S.F) était née. Six ans plus tard, lItalien Guglielmo Marconi reliait par cette même voie le continent européen au continent américain. Grâce aux progrès technologiques de la première moitié du xxe siècle (en particulier à lapparition et au développement des tubes électroniques), il devint bientôt possible de transporter à distance le son, puis limage. La capacité des ondes hertziennes à se réfléchir lorsquelles rencontrent un obstacle fut pour sa part à lorigine de linvention dans les années 30 dun moyen de détection très efficace : le radar.

 

L'électrodynamique quantique

Quon naille pas croire que la théorie de Maxwell-Lorentz a sombré à laube du XXe siècle. Elle servit au contraire de cadre de référence à la jeune mécanique relativiste, de sorte qu'elle a pu traverser cette période sans encombres. Elle fut en revanche secouée par la révolution quantique. En effet, le mystérieux rayonnement du corps noir amena Albert Einstein à la conclusion que le champ électromagnétique nétait pas aussi continu que la théorie de Maxwell le laissait supposer, mais quil se présentait sous la forme de petits grains, ou quanta, assimilables à des particules de masse nulle et baptisés photons quelques années plus tard (voir photon). La formulation quantique du champ électromagnétique (sa "quantification") fut établie en 1927 de façon plus rigoureuse par le physicien anglais Paul Dirac. Deux ans plus tard, lAllemand Werner Heisenberg et le Suisse Wolfgang Pauli pouvaient inaugurer létude quantique de linteraction entre particules chargées et champ électromagnétique, aboutissant à ce que l'on appelle l'électrodynamique quantique.

En 1947, l'Américain Willis Lamb mesura expérimentalement une grandeur importante concernant l'atome d'hydrogène, appelée depuis le Lamb shift. Toutes les tentatives faites jusqu'alors pour calculer la valeur de cette grandeur à partir de l'électrodynamique quantique avaient conduit à des résultats infinis. Il fallut dès lors analyser en profondeur ce violent désaccord entre une mesure expérimentale et sa prédiction théorique. Deux années d'efforts intenses permirent aux théoriciens, notamment au Japonais Shinichiro Tomonaga et aux Américains Julian Schwinger et Richard Feynman, de mettre sur pied une procédure mathématique sophistiquée permettant d'éliminer les quantités infinies qui apparaissaient dans leurs calculs, et d'aboutir à des prédictions théoriques conformes aux résultats expérimentaux. Cette procédure, appelée la renormalisation, conféra à l'électrodynamique quantique une solidité et une puissance exceptionnelles.

 

L'unification électrofaible

L'électrodynamique quantique réussit en effet à rendre compte des mesures expérimentales avec une telle précision quelle est considérée comme la théorie de référence en matière de description des interactions fondamentales de la physique (interaction nucléaire forte et interaction nucléaire faible). Cest sur son modèle quen 1967, linteraction électromagnétique put être unifiée avec linteraction nucléaire faible, responsable de la radioactivité b (par laquelle un neutron se désintègre en un proton et un électron), grâce aux travaux des Américains Steven Weinberg et Sheldon Glashow et du Pakistanais Abdus Salam. La théorie ainsi unifiée, appelée théorie électrofaible, franchit avec succès lépreuve de la confrontation expérimentale, grâce à la découverte au CERN en 1983, par léquipe de lItalien Carlo Rubbia, des particules médiatrices de linteraction faible annoncées par la théorie, le W- , le W et le Z0.

"Le Trésor, dictionnaire des sciences" © Flammarion 1997.Ce texte ne peut être ni reproduit, ni vendu sans lautorisation de léditeur.