James Clerk Maxwell - Définition

Publications

• On the Description of Oval Curves, and those having a plurality of foci. Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, Vol. ii. 1846.
• Illustrations of the Dynamical Theory of Gases. 1860.
• On Physical Lines of Force. 1861.
• A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field. 1865.
• On Governors. Proceedings of the Royal Society, Vol. 16 (1867-1868) pp. 270-283.
• Theory of Heat. 1871.
• On the Focal Lines of a Refracted Pencil. Proceedings of the London Mathematical Society s1-4(1):337-343, 1871.
• A Treatise on Electricity and Magnetism. Clarendon Press, Oxford. 1873.
• Molecules. Nature, septembre 1873.
• On Hamilton's Characteristic Function for a Narrow Beam of Light. Proceedings of the London Mathematical Society s1-6(1):182-190, 1874.
• Matter and Motion, 1876.
• On the Results of Bernoulli's Theory of Gases as Applied to their Internal Friction, their Diffusion, and their Conductivity for Heat.
• Ether, Encyclopaedia Britannica, neuvième édition (1875-89).

Travaux scientifiques

Physique

Analyse des couleurs

La première photographie en couleur par Thomas Sutton sous le contrôle direct de Maxwell en 1861.

De 1855 à 1872, il publie une série de recherches concernant la perception des couleurs, pour lesquelles il reçoit la médaille Rumford en 1860, et le daltonisme. Les instruments qu'il utilisait pour ses recherches étaient à la fois simples et pratiques comme par exemple les disques de Maxwell qui servaient à comparer les différents mélanges des trois couleurs primaires en observant une toupie colorée.

Théorie cinétique

Une des contributions les plus importantes de Maxwell est la théorie cinétique des gaz. Initiée par Daniel Bernoulli, cette théorie a ensuite été développée successivement par John Herapath, John James Waterston, James Joule et surtout Rudolf Clausius, jusqu'à être largement acceptée. Néanmoins elle reçut un développement important de la part de Maxwell.

En 1866, il formule, indépendamment de Ludwig Boltzmann, la théorie cinétique des gaz dite de Maxwell-Boltzmann. Sa formule, appelée distribution de Maxwell, donne la proportion des molécules d'un gaz se développant à une certaine vitesse à une température donnée. Cette approche généralise les lois de la thermodynamique et permet d'expliquer statistiquement un certain nombre d'observations expérimentales. Les travaux de Maxwell en thermodynamique l'amènent également à formuler l'expérience de pensée appelée le démon de Maxwell.

Électromagnétisme

Une carte postale de Maxwell à Peter Tait.

La plus grande partie de la vie scientifique de Maxwell a été consacrée à l'électricité. Sa plus grande contribution est le développement et la formulation mathématiques des travaux précédents sur l'électricité et le magnétisme réalisés par Michael Faraday et André-Marie Ampère notamment. Il en tire un ensemble de vingt équations différentielles à vingt variables, plus tard réduites à quatre. Ces équations, désormais connues sous le nom d'équations de Maxwell, sont présentées la première fois à la Royal Society en 1864 et décrivent le comportement et les relations du champ électromagnétique ainsi que son interaction avec la matière.

L'équation d'onde électromagnétique de Maxwell prévoit l'existence d'une onde associée aux oscillations des champs électrique et magnétique et se déplaçant dans le vide à une vitesse facilement accessible expérimentalement. Avec les moyens de l'époque Maxwell obtient une célérité de 310 740 000 m/s. Dans son article de 1864, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field Maxwell écrit :

« L'accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l'espace suivant les lois de l'électromagnétisme. »

Cette prévision s'est révélée correcte et la relation entre lumière et électromagnétisme est considérée comme une des plus grandes découvertes du XIXe siècle dans le domaine de la physique.

À ce moment Maxwell pense que la propagation de la lumière nécessite un milieu pour support des ondes : l'éther. Avec le temps l'existence d'un tel milieu, remplissant tout l'espace et apparemment indétectable par des moyens mécaniques, posera de plus en plus de problèmes pour être mise en accord avec les expériences telles que celle Michelson et Morley. De plus, cela semble imposer un référentiel absolu dans lesquelles les équations sont valides, mais impose également à celles-ci de prendre une expression différente pour un observateur en mouvement. C'est cette dernière difficulté qui amènera Albert Einstein à formuler sa théorie de la relativité restreinte pour laquelle l'existence de l'éther n'est plus nécessaire.

Mathématiques

Maxwell a publié un article intitulé On governors dans Proceedings of Royal Society, vol. 16 (1867-1868). Cet article est souvent considéré classiquement comme le début de la théorie de la régulation. Dans cet article le régulateur renvoie à la notion de régulateur à boules des machines à vapeur.