(James Clerk) Maxwell & l'électronique

Physicien écossais, 1831-1879

Maxwell est probablement le physicien du XIX^e siècle qui a le plus influencé la physique du XX^e siècle. Einstein jugea que son œuvre était « la plus profonde et la plus fertile que la physique ait connue depuis l'époque de Newton ».

Caractère discret ? Réserve inspirée par ses convictions religieuses ? En tout cas, l'existence de Maxwell n'a rien de frappant ni de tourmenté. L'homme s'est effacé derrière son travail. Issu d'une riche famille écossaise, Maxwell connaît une carrière universitaire idéale, d'abord à Edimbourg pour ses études, puis à Cambridge et à Londres où il occupe des chaires renommées. Il participe en particulier au développement du prestigieux laboratoire Cavendish de Cambridge.

Sur cet arrière-plan sans histoire, les découvertes de Maxwell se détachent comme des moments de grâce. Maxwell se passionne pour la perception des couleurs... et pour les problèmes qui y sont associés, comme le daltonisme. Grâce à des expériences à base de disques colorés tournant à grande vitesse, Maxwell montre que nos yeux possèdent trois types de récepteurs, sensibles au bleu, au rouge et au vert, et que nous identifions les couleurs en combinant les informations de ces trois types de récepteurs. Quand certains récepteurs ne fonctionnent pas bien, la séparation des couleurs devient difficile... et c'est le daltonisme. Ces idées permettront à Maxwell de réaliser la première photographie couleur. Pour cela, il fait photographier un tissu écossais, ou tartan, sur trois plaques de verre différentes, en plaçant devant l'objectif un filtre coloré, bleu, vert ou rouge. La superposition de trois plaques permet de restituer l'image... en couleurs !

Le grand œuvre de l'Ecossais : les « équations de Maxwell ».

A l'époque, on s'intéresse beaucoup aux phénomènes électriques et magnétiques. Ainsi, Ampère remarque qu'un courant électrique qui circule dans un fil dévie l'aiguille d'une boussole située à proximité : un champ magnétique a donc été créé. De même, Faraday découvre qu’un courant électrique circule dans un fil métallique refermé en boucle quand un aimant est approché ou éloigné de cette boucle. La variation du champ magnétique créé par l'aimant a induit un champ électrique responsable du courant circulant dans la boucle.

Les équations de Maxwell dans leur formulation moderne.

En 1864, Maxwell parvient à unifier ces diverses relations entre champs magnétique et électrique sous la forme d'un ensemble d'équations... les équations de Maxwell !

Une formulation juste, mais assez lourde (vingt équations et vingt inconnues !) qui ne sera simplifiée qu'à la fin du XIX^e siècle par les physiciens Heaviside et Gibbs. A partir de ces équations de l'électromagnétisme, Maxwell peut décrire comment les champs électrique et magnétique interagissent avec la matière. Il prédit aussi que des champs électrique et magnétique peuvent osciller selon des ondes qui se propagent dans l'espace à vitesse constante. Expérimentalement, cette vitesse s'avère étonnamment proche de celle de la lumière visible... Maxwell en conclut que la lumière est une variété d'onde électromagnétique, et obéit donc à ses équations !

Maxwell réunit ainsi dans un seul cadre l'électricité, le magnétisme, la lumière et leurs interactions avec la matière. Ce triomphe de la physique du XIX^e siècle sera aussi le point de départ de la révolution lancée par Einstein cinquante ans plus tard, car les équations de Maxwell portent en leur sein le principe de relativité...

Les travaux de Maxwell encouragèrent les physiciens à comprendre la nature de l'électricité. On sait maintenant qu'elle est provoquée par le déplacement de particules chargées, les électrons. D'ordinaire, ces électrons se trouvent dans les atomes, où ils forment des nuages qui entourent le noyau atomique. Mais dans certains matériaux appelés conducteurs, par exemple les métaux, ces électrons sont volages. Il suffit d'une pichenette d'énergie pour que certains de ces électrons, faiblement liés au noyau atomique, le quittent pour rejoindre un autre noyau. Le phénomène peut se répéter un grand nombre de fois, ce qui engendre le déplacement global d'une quantité importante d'électrons : un courant électrique traverse le conducteur.

Dans d'autres matériaux, appelés isolants, comme le verre, la composition chimique et la structure cristalline empêchent les électrons de se déplacer, à moins de fournir une énergie considérable. Impossible alors de faire circuler un courant électrique. Il existe enfin des matériaux à mi-chemin, appelés semi-conducteurs, qui se comportent a priori comme des isolants. Mais de légères modifications d'environnement suffisent pour que quelques électrons deviennent plus mobiles et transportent un courant. En raison de cette transmission modulée de l'électricité, ces semi-conducteurs sont omniprésents en électronique, pour mesurer avec précision une température (détecteurs thermiques) ou un signal lumineux (capteurs CCD des caméras vidéo), ou encore pour envoyer ou bloquer un signal électrique (transistors).

Au fil des années, les semi-conducteurs ont littéralement envahi notre quotidien…

Le comportement des semi-conducteurs provient de la manière dont leurs atomes sont empilés les uns sur les autres. Ce sont des cristaux de silicium ou de germanium, que l'on a « dopés » (enrichis) avec d'autres éléments en petite quantité (phosphore, antimoine, bore). Et les prouesses de ces matériaux sont causées par ces minuscules irrégularités de leur structure cristalline.

La surface d'un cristal semi-conducteur de séléniure de plomb, et un graphique indiquant ses caractéristiques électriques. En arrière plan, le microscope à effet tunnel qui a permis d'obtenir l'image du cristal. © CNRS Photothèque.

Actuellement, les chercheurs du CNRS cherchent à contrôler et améliorer la fabrication de semi-conducteurs déjà connus. Ils étudient également le potentiel de nouveaux matériaux pour obtenir des circuits électroniques plus compacts, plus résistants et moins gourmands en énergie. Des semi-conducteurs que nous retrouverons bientôt dans nos téléphones, nos ordinateurs... ou sur les panneaux solaires de notre toit !

Mots clés : électromagnétisme, ondes électromagnétiques, isolant, conducteur, semi-conducteur, transistors, silicium.