- L’électromagnétisme consiste en la propagation d’une onde et non en une action
instantanée.
- Cette propagation dépend des caractéristiques du milieu traversé.
- L’introduction d’un "éther" est indispensable.
Avec respectivement les constantes électrique et magnétique (nous n’irons pas plus loin…)
Le champ magnétique se propage perpendiculairement au champ électrique et réciproquement :
l’onde électromagnétique est une onde transversale
LA LUMIERE EST UNE ONDE ELECTROMAGNETIQUE
III.2 Maxwell précise la nature électromagnétique de la lumière
Fig.1, James Clerk Maxwell
J
ames Clerk Maxwell (figure 1) est un grand savant né d’une famille noble. Depuis son plus
jeune âge, c’est un prodige en mathématique et il décide d’effectuer ses études
dans les sciences physiques.
I
l se prend d’intérêt pour les phénomènes électromagnétiques où il compte effectuer
ses recherches. Maxwell est mis au courant des travaux de Faraday et notamment sur
son idée de milieu "tentaculaire". Maxwell décide donc d’expliquer mathématiquement
l’électromagnétisme et les faits observés.
S
elon Faraday, le champ électromagnétique se propage dans des "tubes de force"
tentaculaires dans l’espace. Mais comment calculer précisément la position d’un
tentacule dans l’espace ?
Fig.2
M
axwell tend à repenser la configuration de l’espace. Il suppose donc que l’espace est
rempli d’un fluide dont le champ électromagnétique résulte de tensions et de pressions sur
celui-ci. Il y aurait donc des remous et la création de tourbillons permettant d'interpréter l'électromagnétisme.
Donc lorsque il y a un changement au niveau de l’équilibre des forces, cela se transmettrait
de tourbillons en tourbillons. Donc, contrairement à Faraday, Maxwell met bien évidence
le fait que l’électromagnétisme est une perturbation qui se propage c'est-à-dire une onde.
A
insi, de son modèle mécanique Maxwell tire trois conséquences :
1
2
3
A
près avoir effectué son modèle "analogue", Maxwell veut concevoir son analyse mathématique.
Tout d’abord, il remarque que le diamètre des tourbillons est extrêmement petit, beaucoup plus
petit que des molécules. Cela lui facilite la tache car il peut les assimiler à des points. Ainsi,
Maxwell peut caractériser l’effet du champ électrique et du champ magnétique en un point puis
passer à son voisin puis aller à tous l’espace. Ainsi, Maxwell rend compte de l’évolution du
champ électromagnétiques c'est-à-dire : de sa propagation. Celle-ci est entièrement décrite
quantitativement à l’aide des quatre équations fondamentales de l’électromagnétisme qu’on nomme
aussi plus communément les « équations de Maxwell ». A partir de l’une d’entres elles :
M
axwell peut donc calculer la célérité d’une onde électromagnétiques et la valeur qu’il trouve
est approximativement …300 000 km/s ! La même vitesse qui avait été mesurée pour la lumière grâce
à Fizeau et Foucault. Quelle étrange coïncidence... Mais les équations de Maxwell permettent d’aller
plus loin dans cette comparaison. En effet, celles-ci permettent de donner la configuration de l’onde
dans l’espace, et ainsi, Maxwell s’aperçoit que les ondes électromagnétiques sont associées à des
vibrations transversales… comme la lumière ! Encore une coïncidence.
Fig.3
A
insi, un nouveau pas est franchi, Maxwell est conduit à admettre qu’un même milieu permet à la fois
la propagation des ondes électromagnétiques et des ondes lumineuses. Mais, tout de même, l’identité est
frappante, il y a tant d’arguments pour que l’on admette que la lumière soit une onde électromagnétique...
M
axwell estime alors qu’il peut prouver ceci, il suffirait de montrer qu’une onde électromagnétique
se propage à la même vitesse que la lumière dans les mêmes milieux (conducteurs, non-conducteurs,
opaques, transparents) et il affirme que : "si l’on trouve que la vitesse de propagation des
perturbations électromagnétiques est la même que la vitesse de la lumière, et cela non seulement
dans l’air, mais dans tous les autres milieux transparents, nous aurons de fortes raisons de croire,
que la lumière est un phénomène électromagnétique...". Ainsi, Maxwell applique ses équations de
propagation d’ondes électromagnétiques à tous les milieux. Toutes ses déductions s’accordent pour affirmer
que tous les phénomènes lumineux peuvent être expliqués avec la théorie de l’électromagnétisme. On
en arrive enfin à la conclusion tant attendue :
E
tant arrivé au but, Maxwell se débarrasse de tout son modèle mécanique comprenant ses tourbillons
puisqu’il sait qu’il avait conçu ceci seulement pour l’aider grandement à forger sa théorie. Il conserve
seulement ses équations, celles qui permettent dorénavant de décrire le comportement continu d’une
onde électromagnétique. L’idée d’éther est alors conservée mais, Maxwell ne souhaite rien dire quand
à sa nature. Le théorie de Maxwell apporte une unification considérable. Malheureusement, les
contemporains de son époque ont beaucoup de mal à admettre une théorie qui puisse lier l’optique et
l’électromagnétisme ensemble. La théorie de Maxwell tombe donc aux oubliettes, il faut attendre qu’une
expérience cruciale la ressuscite. Cette expérience, on la doit à Hertz.
Fig.5, Heinrich Rudolf HERTZ
E
n 1885 le physicien Heinrich Hertz réfléchit sur l’électromagnétisme et se plonge dans l’étude
approfondie de la théories de l’électromagnétisme de Maxwell. Il décide alors d’effectuer une expérience
consistant à étudier les propriétés de ces fameuses ondes électromagnétiques (figure 6). Ayant découvert plus tôt
une onde dont la longueur d’onde est de un mètre nommée « hertzienne » ou ce que l'on appellerait aujourd’hui
onde radio, Herz montre que cette onde est de nature transversale tout comme l'a longtemps dit la théorie
ondulatoire. Mais encore, cette onde électromagnétique révèle qu’elle possède les mêmes propriétés que la
lumière : réflexion et réfraction, interférences et diffraction. Mais surtout, elle se déplace exactement
à la vitesse de 300 000 km/s ! S'en est fait, la lumière est dorénavant une onde électromagnétique.
Fig.6, Oscillateur ou "excitateur" utilisé par Hertz pour son expérience