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mai/juin 2015

 

Histoire de l'électromagnétisme et son apport à l'astronomie

 

Au cours du temps, la connaissance de l'électromagnétisme a amélioré notre perception de l'Univers par l'analyse et l'observation des astres.

Le site mégalithique de Stonehenge a permis aux anciennes civilisations de repérer en visuel les levers et les couchers du Soleil et de la Lune afin de prévoir les éclipses. Six mille ans plus tard, les antennes du radiotélescope du Plateau de Bure permettent de détecter des molécules complexes à base de HCN (hydrogène, carbone, azote) dans les nuages interstellaires des galaxies.

Dans la Grèce antique, à l'époque d'Homère, on trouve des dieux du ciel et de la terre, du tonnerre, des océans et des enfers, du feu, du temps, de l'amour et de la guerre. Chaque arbre avait sa dryade et chaque prairie sa nymphe.

Le premier homme de sciences ionien fut Thalès, né à Milet une ville d'Asie Mineure. Thalès essaya de comprendre le monde sans invoquer l'intervention des Dieux. Il était astronome, mathématicien et physicien. En physique, on attribue à Thales, une première connaissance de certains phénomènes d'attraction. Une de ses observations touche à la propriété qu'a l'ambre d'attirer les matériaux légers comme le tissu et une autre sur la propriété de la magnétite d'attirer un matériau lourd comme le fer. Les connaissances de l'époque ne permettent pas de différencier les deux phénomènes d'attraction.

Médecin et physicien anglais, William Gilbert (1544-1603) effectue les premières mesures en électrostatique et en magnétisme. Une approche expérimentale rigoureuse lui permet de mettre en évidence les différences entre ces deux ensembles de phénomènes devenant l'un des créateurs de la méthode expérimentale. C'est William Gilbert qui donne le nom "Electrica" latinisant le terme grec original "Elektron" à l'ensemble de ces phénomènes d'attraction.

Physicien allemand, Otto Von Guericke (1602-1686) invente une machine électrostatique composée d'un globe de souffre que l'on électrise en le frottant avec la main. Il observe avec ce globe un ensemble de phénomènes qui furent ultérieurement attribués à l'électricité.

Isaac Newton (1642-1727) est un physicien, philosophe, astronome et mathématicien anglais, considéré comme l'un des plus grands scientifiques de tous les temps. Il a fondé l'optique moderne, étudié le comportement de la lumière et a construit le premier télescope à miroir. Isaac Newton montra en 1666 que la lumière blanche était composée de plusieurs couleurs. Pour cela, il fît passer de la lumière blanche à travers un prisme en verre.

Benjamin Franklin (1706-1790) postule que l'électricité est un fluide qui imprègne tous les corps, le frottement ne fait passer ce fluide que d'un corps vers un autre. Il invente les termes de conducteur, de charge électrique et d'électricité positive et négative.

En 1785, Charles Augustin Coulomb (1736-1806) publie trois mémoires, les deux premiers traitent des forces d'attraction ou de répulsion entre des corps électrisés et le troisième de la perte de charge de corps électrisés dans l'air plus ou moins humide.

En 1780, Alessandro Volta (1745-1827) découvre la relation quantitative entre la charge, la capacité et le potentiel en électricité. En 1800, il met au point la pile voltaïque. En 1801, Volta présente sa pile devant l'Institut de France et y énonce la loi des tensions L'unité de tension électrique, le Volt est nommée en son honneur.

C'est un physicien danois, Hans Christian Oersted (1777-1851) qui s'intéresse à l'interaction possible entre le magnétisme et l'électricité. La découverte de l'électromagnétisme a lieu lors d'une démonstration qu'il effectue devant des élèves au printemps de l'année 1820. Oersted remarque que chaque fois qu'un fluide électrique passe le long d'un fil conducteur, l'aiguille d'une boussole placée sous le fil dévie et atteint une position perpendiculaire à ce dernier.

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Autodidacte, André Marie Ampère (1775-1836) contribua au développement des mathématiques en les introduisant en physique. Il fit d'importantes découvertes dans le domaine de l'électromagnétisme. Il en édifia les fondements théoriques et découvrit les bases de l'électronique de la matière. Il est également l'inventeur de nombreux dispositifs et appareils tels que le solénoïde, le télégraphe électrique et l'électroaimant avec François Arago. Créateur du vocabulaire de l'électricité, il inventa les termes de courant et de tension, son nom a été donné à l'unité internationale de l'intensité du courant électrique : l'ampère.

Expérimentateur de talent, Michael Faraday (1791-1867) fera toujours passer l'observation méticuleuse des faits avant les concepts mathématiques. Durant l'été 1821, il étudie à son tour l'effet magnétique des courants électriques. C'est la découverte de l'induction magnétique. Dispersée autour d'un aimant, la limaille de fer s'aligne le long de courbes qui en relient les deux pôles. En affirmant que ces lignes existent même en l'absence de limaille, Faraday pose les bases d'une physique nouvelle fondée sur la notion de champs.

En 1814, Joseph Van Fraunhofer (1787-1826) utilise un spectroscope à réseau de diffraction. Il observe et dessine le spectre du Soleil. Il découvre 500 raies sombres qui porteront son nom. Néanmoins Fraunhofer ne se borne pas à l'observation du Soleil et va aussi effectuer ses expériences sur le spectre de Vénus et Sirius.

La spécialité de Gustav Kirchhoff (1824-1887) est la spectroscopie. On lui doit la notion de Corps Noir et notamment les lois fondamentales qui établissent les règles concernant les spectres continus, les spectres d'émission et les spectres d'absorption.

L'effet Doppler Fizeau : en 1842, Christian Doppler montre que la fréquence d'une oscillation change quand la source ou l'observateur sont en mouvement. En 1848, Hippolyte Fizeau développe le même principe, de manière indépendante, mais montre que dans le cas de la lumière la couleur ne change pas. Ce sont les positions des raies spectrales qui changent.

C'est donc James Clerk Maxwell (1831-1879) qui établit mathématiquement en 1864 toutes les lois de l'électromagnétisme à partir principalement des travaux d'Ampère et de Faraday. Ces lois se résument en quatre équations, deux concernent les inductions électriques et magnétiques séparément et deux autres montrent la relation entre les deux champs électriques et magnétiques.

En 1905, Albert Einstein (1879-1955) résout le paradoxe découvert par Maxwell en montrant que les lois de la mécanique classique doivent être remplacées par celles de la relativité restreinte.

En 1887, le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) invente un oscillateur et un résonateur, deux dispositifs qui respectivement génèrent et détectent les rayonnements électromagnétiques. Grâce à son oscillateur, il produit des ondes électromagnétiques et montre qu'elles possèdent toutes les propriétés de la lumière (réflexion, réfraction et polarisation). Il ouvre la voie à la télégraphie sans fil par ondes hertziennes. C'est la naissance des radiocommunications.

Le spectre électromagnétique représente la répartition des ondes électromagnétiques en fonction de leur longueur d'onde, de leur fréquence et de leur énergie.

La radioastronomie : si le spectre de la lumière est compris entre 400 nm et 700 nm de longueur d'onde, correspondant à l'astronomie optique, le spectre radioélectrique perçu par le radioastronome s'étend de quelques millimètres à quelques dizaines de mètres de longueur d'onde. Comme pour le domaine du visible, le spectre radio utilisé en astronomie est limité par les propriétés de l'atmosphère sur chaque extrémité.

 

Francis DELAHAYE

Membre et lauréat de la Société astronomique de France

Membre de la Société astronomique des Pyrénées-Occidentales Membre (1985-1997)

et ancien président (1995-1997) de la Société astronomique de Bordeaux

 

 

Bibliographie

- SAGAN (Carl), Cosmos, Mazarine, 1981

- MOURIER (Georges), Les ondes en physique de Pythagore à nos jours, Ellipses, 2002

- NAZE (Yaël), L'astronomie des anciens, Belin, coll. "Pour la Science", 2009

- Les grands découvreurs de l'espace de l'Antiquité à nos jours, Atlas, 2011

- GAVET (Guy Louis), La physique quantique, Eyrolles, 2012

- JUKEL (Pierre), Histoire de la boussole, Quae, 2013