James Clerk MAXWELL

James Clerk Maxwell 1831 - 1879

James Clerk Maxwell est un physicien et mathématicien écossais, né le 13 juin 1831 à Édimbourg, en Écosse.
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.
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 développer ce laboratoire 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 d'un champ électrique. 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. Tout en élaborant les théories de l'électromagnétisme, Maxwell définit également la lumière en tant qu'onde électromagnétique et ouvre ainsi la voie aux recherches d'autres physiciens comme Heinrich Rudolph Hertz.

Pendant ses recherches fondamentales sur la thermodynamique, Maxwell conçoit la célèbre expérience de pensée du démon de Maxwell.
Il démontre que l'électricité et le magnétisme pouvaient être unifiés en un seul et même 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 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 connait 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 explique, «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, 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 aboutirent 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.
James Clerk Maxwell est mort d'un cancer de l'estomac, le 5 novembre 1879.

Image : « 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, une perturbation électromagnétique qui se propage selon les lois de l'électromagnétisme ».
James Clerk Maxwell

Le démon de Maxwell

James Clerk Maxwell imagine une boite, 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. Ce paradoxe a été levé vers 1950 par le physicien Léon Brillouin.