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Étapes de la prévision

La théorie de Lorentz

Par ses publications de 1892 et 1895, Henrik Antoon Lorentz (1853-1928) édifia une théorie des électrons en associant à chacune des charges un champ électrique et un champ magnétique, et ce à une échelle microscopique où peuvent s'appliquer les conceptions de Maxwell. Quand Stoney avait proposé le mot «  électron », il désignait seulement une quantité d'électricité élémentaire sans y associer une masse ou une inertie. Lorentz admettait les hypothèses suivantes :

– l'éther est un espace vide dont les propriétés sont données par les équations de Maxwell ;

– l'électricité est constituée de particules matérielles de charge et de masse définies, les électrons ou les ions.

Comme M.-A. Tonnelat le fait justement remarquer : « La théorie de Lorentz, relativiste avant la lettre, devait trouver sa justification dans le développement de la relativité restreinte. Mais la théorie d'Einstein allait modifier profondément son interprétation, encore axée sur la conception non relativiste de l'éther. »

L'ensemble des travaux qui précèdent devait conduire les physiciens de notre époque à considérer que tout courant électrique consiste en un déplacement d'ensemble de corpuscules électrisés, ces corpuscules pouvant être des ions positifs ou négatifs ou de simples électrons. Dans les métaux, ce sont des électrons dits libres qui sont cause du phénomène, lequel n'entraîne aucun transport de matière.

La mesure de la masse des électrons (ou, plutôt, du rapport e/m de leur charge e à leur masse m) et de leur vitesse sous un potentiel déterminé est réalisée pour la première fois par J. J. Thomson en 1897. En 1903, Harold Albert Wilson évalue la charge élémentaire e. En 1908, Robert Andrews Millikan (1868-1953) augmente la précision des expériences et fournit pour e une valeur différant de moins de 2,5 p. 100 de celle qui est admise aujourd'hui. En appliquant la loi de l'électrolyse de Faraday, on peut alors montrer que l'électron est environ 1 836 fois plus léger que le noyau de l'atome d'hydrogène.

Joseph Thomson

Photographie : Joseph Thomson

Le Britannique Joseph Thomson (1856-1940), Prix Nobel de physique, en 1906, pour ses recherches sur la conduction de l'électricité par les gaz. 

Crédits : Keystone/ Hulton Archive/ Getty Images

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Les travaux de Pierre Curie

Les conceptions de Pierre Curie sur la symétrie des phénomènes physiques devaient introduire la notion de prévision. Ce savant établit que le champ électrique est un vecteur polaire de même symétrie qu'un tronc de cône et que le champ magnétique est un vecteur axial avec la symétrie du cylindre tournant. Il énonce deux propriétés :

– c'est la dissymétrie qui, dans un milieu donné, crée le phénomène ;

– quand plusieurs phénomènes de nature différente se superposent dans un même système, les dissymétries s'ajoutent et il ne reste plus comme éléments de symétrie que ceux qui sont communs à chaque phénomène pris séparément.

Par exemple, la superposition d'un champ électrique (tronc de cône) et d'un champ magnétique (cylindre tournant), tous deux pris dans une même direction, ne laisse subsister que l'axe d'isotropie : c'est l'expérience réalisée par Gustav Heinrich Wiedemann (1826-1899).

Champ électrique/champ magnétique

Dessin : Champ électrique/champ magnétique

champ magnétique 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les travaux expérimentaux de Pierre Curie étaient aussi très importants : découverte, avec son frère Jacques (1855-1941), de la piézo-électricité, phénomène qui consiste dans l'apparition de charges électriques de signes contraires aux extrémités de certains cristaux à la suite de pressions que l'on exerce sur des faces particulières. Les applications de ce phénomène devaient conduire plus tard Paul Langevin à utiliser les « quartz piézo-électriques » des Curie pour produire des ultrasons. Si ces ondes (dont la fréquence est d'environ 50 000 hertz) sont émises dans l'eau, elles peuvent servir, par leur réflexion sur des obstacles fixes ou mobiles, soit à sonder le fond des mers, soit à détecter des icebergs, des sous-marins, etc. Langevin fit progresser les travaux de Curie sur le magnétisme. On sait que certains corps, dits ferromagnétiques, peuvent être aimantés d'une manière intense quand ils se trouvent au voisinage d'un aimant. Les autres corps peuvent aussi subir une aimantation, mais plus faible ; on en distingue deux catégories : ceux qui s'aimantent en sens inverse du champ magnétique (de l'aimant dont on leur fait subir les effets) sont dits diamagnétiques ; ceux qui s'aimantent dans le sens du champ sont dits paramagnétiques.

Pierre Curie avait montré en étudiant les propriétés magnétiques des corps à diverses températures que, pour tous les corps faiblement magnétiques, le coefficient d'aimantation varie comme la densité d'un gaz sous pression constante et en raison inverse de la température thermodynamique (loi de Curie).

Langevin va montrer quelles sont les modifications produites à l'intérieur des atomes sur le mouvement des électrons (qui gravitent autour du noyau central) par l'établissement d'un champ magnétique extérieur. Il affirme que, au moins dans le cas où les électrons gravitent sur les orbites circulaires autour du centre d'attraction, l'établissement d'un champ magnétique change la vitesse de circulation des électrons, mais n'en déforme pas les orbites. Les courants particulaires que représentent ces orbites, écrit-il en 1908, se comportent comme s'ils étaient indéformables, mais leur intensité change pendant l'établissement du champ. Le paramagnétisme postérieur au diamagnétisme et superposé à celui-ci résulte d'un équilibre statique entre l'agitation thermique qui fait tourner les molécules sur elles-mêmes et tend à les orienter indifféremment dans tous les sens et l'action directrice du champ magnétique extérieur. En 1911, Langevin introduit la notion de moment magnétique nucléaire ou magnéton. Il avait établi également que, lorsqu'un champ magnétique oriente les petits aimants élémentaires des molécules d'une substance paramagnétique, il se produit un dégagement de chaleur. Cela devait conduire à une application de grande importance. La disparition du champ magnétique précité doit donc être suivie d'une absorption de chaleur, d'où la « démagnétisation adiabatique » (expérience réalisée avec succès) qui permet de descendre presque jusqu'au zéro absolu (Wander J. de Haas, 1878-1960).

Les nouvelles théories

C'est à partir des travaux de Niels Bohr (1885-1962) sur la structure interne de l'atome que se développe la théorie quantique du magnétisme. La quantification des orbites électroniques entraîne l'existence d'un moment magnétique élémentaire dont la valeur est déterminée par la constante h de Max Planck (1858-1947), la charge élémentaire e, la masse m de l'électron, et que l'on nomme le magnéton de Bohr.

En 1915, Arnold Sommerfeld (1868-1951) étend aux électrons dans l'espace les méthodes de quantification de Bohr ; Otto Stern (1888-1969) et Walther Gerlach (1889-1979) vérifient expérimentalement, en 1921, ces idées théoriques.

Pour expliquer l'effet photo-élect [...]

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  • : ancien directeur du laboratoire de biochimie des isomères à l'École pratique des hautes études

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Pour citer l’article

Jacques NICOLLE, « ÉLECTRICITÉ - Histoire », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/electricite-histoire/