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Michael Faraday - Histoire


Chimiste anglais acclamé et peut-être le plus grand physicien expérimental de tous les temps, Faraday a été le premier à isoler le benzène et à synthétiser des chlorocarbures. Son travail de maître était dans le domaine de l'électricité. Au cours de quatre décennies, Faraday a publié des articles détaillant ses travaux sur l'induction électromagnétique, l'électrolyse et la capacité du magnétisme à faire tourner la lumière polarisée, entre autres découvertes. Fait intéressant, Faraday était connu pour ne pas embaucher d'étudiants, travaillant uniquement avec un assistant.

Michael Faraday

Michael Faraday n'a pas directement contribué aux mathématiques et ne devrait donc pas vraiment être qualifié pour avoir sa biographie dans ces archives. Cependant, il était une figure si importante et sa science a eu un si grand impact sur le travail de ceux qui développent des théories mathématiques qu'il est approprié qu'il soit inclus. Nous en disons plus à ce sujet ci-dessous.

Le père de Faraday, James Faraday, était un forgeron venu du Yorkshire dans le nord de l'Angleterre tandis que sa mère Margaret Hastwell, également du nord de l'Angleterre, était la fille d'un fermier. Au début de 1791, James et Margaret s'installèrent à Newington Butts, qui était alors un village en dehors de Londres, où James espérait que le travail serait plus abondant. Ils ont déjà eu deux enfants, un garçon Robert et une fille, avant de déménager à Newington Butts et Michael est né quelques mois seulement après leur déménagement.

Le travail n'était pas facile à trouver et la famille déménagea à nouveau, restant à Londres ou aux alentours. En 1795, alors que Michael avait environ cinq ans, la famille vivait à Jacob's Wells Mews à Londres. Ils avaient des chambres au-dessus d'une remise et, à ce moment-là, une deuxième fille était née. Les temps étaient durs, d'autant plus que le père de Michael était en mauvaise santé et n'était pas en mesure de subvenir aux besoins de sa famille.

La famille était étroitement liée par une forte foi religieuse, étant membres des Sandémaniens, une forme de l'Église protestante qui s'était séparée de l'Église d'Écosse. Les Sandémaniens croyaient à la vérité littérale de la Bible et essayaient de recréer le sens de l'amour et de la communauté qui avait caractérisé l'Église chrétienne primitive. L'influence religieuse était importante pour Faraday puisque les théories qu'il développa plus tard dans sa vie étaient fortement influencées par une croyance en une unité du monde.

Michael a fréquenté une école de jour où il a appris à lire, à écrire et à compter. Quand Faraday avait treize ans, il a dû trouver du travail pour aider les finances de la famille et il a été employé pour faire des courses pour George Riebau qui avait une entreprise de librairie. En 1805, après un an comme garçon de courses, Faraday est engagé par Riebau comme apprenti relieur. Il a passé sept ans à faire son apprentissage chez Riebau. Non seulement il reliait des livres, mais il les lisait aussi. Riebau a écrit une lettre en 1813 dans laquelle il décrivait comment Faraday passait ses journées en tant qu'apprenti (voir par exemple [ 4 ] ) :-

Son mode de vie tempéré, buvant rarement autre chose que de l'eau pure, et une fois sa journée de travail terminée, s'installait dans l'atelier. Si j'avais un livre curieux de mes clients à relier, avec des planches, il copierait tel qu'il le trouverait singulier ou astucieux .

Faraday lui-même a écrit à propos de cette période de sa vie :

À partir de 1810, Faraday assista à des conférences dans la maison de John Tatum. Il a suivi des conférences sur de nombreux sujets différents mais il s'est particulièrement intéressé à ceux sur l'électricité, le galvanisme et la mécanique. Chez Tatum, il s'est fait deux amis particuliers, J Huxtable, étudiant en médecine, et Benjamin Abbott, commis. En 1812, Faraday assista aux conférences de Humphry Davy à la Royal Institution et fit des copies minutieuses des notes qu'il avait prises. En fait, ces conférences deviendraient le passeport de Faraday pour une carrière scientifique.

En 1812, soucieux de perfectionner ses connaissances littéraires, il entreprit une correspondance avec Abbott. Il avait déjà essayé de sortir de la reliure et la voie qu'il s'était lancée était certainement ambitieuse. Il avait écrit à Sir Joseph Banks, président de la Royal Society, pour lui demander comment il pourrait s'impliquer dans des travaux scientifiques. Il n'est peut-être pas surprenant qu'il n'ait reçu aucune réponse. À la fin de son apprentissage en octobre 1812, Faraday obtint un emploi de relieur, mais il tenta tout de même de se lancer dans les sciences et, à nouveau, il prit une voie quelque peu ambitieuse pour un jeune homme avec peu d'éducation formelle. Il écrivit à Humphry Davy, qui avait été son héros depuis qu'il assistait à ses cours de chimie, lui envoyant des copies des notes qu'il avait prises lors des cours de Davy. Davy, contrairement à Banks, a répondu à Faraday et a organisé une réunion. Il a conseillé à Faraday de continuer à travailler comme relieur, en disant : -

Peu de temps après l'entretien, l'assistant de Davy a dû être licencié pour s'être battu et Davy a fait venir Faraday et l'a invité à occuper le poste vacant. En 1813, Faraday occupa le poste à la Royal Institution.

En octobre 1813, Davy entreprit une tournée scientifique en Europe et emmena Faraday avec lui comme assistant et secrétaire. Faraday a rencontré Ampère et d'autres scientifiques à Paris. Ils ont voyagé vers l'Italie où ils ont passé du temps à Gênes, Florence, Rome et Naples. En se dirigeant à nouveau vers le nord, ils ont visité Milan où Faraday a rencontré Volta. Le voyage était important pour Faraday [ 4 ] :-

À son retour à Londres, Faraday est réengagé à la Royal Institution en tant qu'assistant. Son travail là-bas était principalement impliqué dans des expériences chimiques en laboratoire. Il a également commencé à donner des conférences sur des sujets de chimie à la Philosophical Society. Il publie son premier article en 1816 sur la chaux caustique de Toscane.

En 1821, Faraday épousa Sarah Barnard qu'il avait rencontrée alors qu'il fréquentait l'église de Sandemanian. Faraday a été nommé surintendant de la maison et du laboratoire de la Royal Institution et a reçu des chambres supplémentaires pour rendre son mariage possible.

L'année 1821 marqua un autre moment important dans les recherches de Faraday. Il avait travaillé presque entièrement sur des sujets de chimie, mais l'un de ses centres d'intérêt depuis l'époque où il était relieur était l'électricité. En 1820, plusieurs scientifiques parisiens, dont Arago et Ampère, ont fait des progrès significatifs dans l'établissement d'une relation entre l'électricité et le magnétisme. Davy s'est intéressé et cela a donné à Faraday l'opportunité de travailler sur le sujet. Il a publié Sur quelques nouveaux mouvements électromagnétiques, et sur la théorie du magnétisme dans le Revue trimestrielle des sciences en octobre 1821. Pearce Williams écrit [ 1 ] :-

C'est le travail de Faraday sur l'électricité qui nous a poussé à l'ajouter à cette archive. Cependant il faut noter que Faraday n'était en aucun cas un mathématicien et presque tous ses biographes le décrivent comme « mathématiquement illettré ». Il n'a jamais appris les mathématiques et ses contributions à l'électricité étaient purement celles d'un expérimentateur. Pourquoi alors l'inclure dans une archive de mathématiciens ? Eh bien, ce sont les travaux de Faraday qui ont conduit à de profondes théories mathématiques de l'électricité et du magnétisme. En particulier, les théories mathématiques remarquables sur le sujet développées par Maxwell n'auraient pas été possibles sans la découverte par Faraday de diverses lois. C'est un point que Maxwell lui-même a souligné à plusieurs reprises.

Au cours des dix années de 1821 à 1831, Faraday entreprit à nouveau des recherches sur la chimie. Ses deux travaux les plus importants sur la chimie au cours de cette période consistaient à liquéfier le chlore en 1823 et à isoler le benzène en 1825 . Entre ces dates, en 1824, il est élu membre de la Royal Society. Ce fut une période difficile pour Faraday puisque Davy était à l'époque président de la Royal Society et ne pouvait pas voir l'homme qu'il considérait toujours comme son assistant comme devenant Fellow. Bien que Davy se soit opposé à son élection, il a été rejeté par les autres membres. Faraday n'a jamais tenu l'incident contre Davy, le tenant toujours en plus haute estime.

Faraday a présenté une série de six conférences de Noël pour les enfants à la Royal Institution en 1826 . En 1831, Faraday retourna à ses travaux sur l'électricité et fit ce qui est sans doute sa découverte la plus importante, à savoir celle de l'induction électromagnétique. Cette découverte était à l'opposé de celle qu'il avait faite dix ans plus tôt. Il montra qu'un aimant pouvait induire un courant électrique dans un fil. Il put ainsi convertir l'énergie mécanique en énergie électrique et découvrir la première dynamo. Encore une fois, il a fait des lignes de force le centre de sa pensée. Il publie son premier article dans ce qui deviendra une série sur Recherches expérimentales sur l'électricité en 1831. Il a lu le journal devant la Royal Society le 24 novembre de la même année.

En 1832, Faraday a commencé à recevoir des honneurs pour ses contributions majeures à la science. Cette année-là, il a reçu un diplôme honorifique de l'Université d'Oxford. En février 1833, il devint professeur fullerien de chimie à la Royal Institution. D'autres distinctions telles que la Royal Medal et la Copley Medal, toutes deux de la Royal Society, devaient suivre. En 1836, il fut nommé membre du Sénat de l'Université de Londres, ce qui était une nomination de la Couronne.

Durant cette période, commençant en 1833, Faraday fit d'importantes découvertes en électrochimie. Il a continué à travailler sur l'électrostatique et en 1838 il [ 1 ] :-

Il a suivi sa lignée d'expériences qui l'ont amené à découvrir le diamagnétisme.

Vers le milieu des années 1850, les capacités mentales de Faraday commencèrent à décliner. À peu près à la même époque, Maxwell construisait sur les fondations que Faraday avait créées pour développer une théorie mathématique qui aurait toujours été hors de portée pour Faraday. Cependant Faraday a continué à donner des conférences à la Royal Institution mais a décliné l' offre de la présidence de la Royal Society en 1857 .

Il a continué à donner les conférences de Noël des enfants. En 1859 - 60, il donna les conférences de Noël sur les différentes forces de la matière. Au Noël suivant, il donna aux enfants des conférences sur l'histoire chimique de la bougie. Ces deux dernières séries de conférences de Faraday ont été publiées et sont devenues des classiques. Les conférences de Noël à la Royal Institution, commencées par Faraday, se poursuivent aujourd'hui mais touchent désormais un public beaucoup plus large puisqu'elles sont télévisées. J'ai [ EFR ] regardé ces conférences avec beaucoup d'intérêt pendant de nombreuses années. Ils sont une joie pour quiconque s'intéresse comme je le suis à la "compréhension publique de la science". Je me souviens particulièrement des conférences de Carl Sagan sur « les planètes » et des conférences de mathématiques de Chris Zeeman et Ian Stewart.


L'histoire chimique d'une bougie

L'histoire chimique d'une bougie était le titre d'une série de six conférences sur la chimie et la physique des flammes données par Michael Faraday à la Royal Institution en 1848, dans le cadre de la série de conférences de Noël pour les jeunes fondée par Faraday en 1825 et toujours donnée là-bas chaque année.

Vidéo externe
Une image en gros plan d'une bougie montrant la mèche et les différentes parties de la flamme : Comment Michael Faraday (1791--1867) a jeté un nouvel éclairage sur l'électrochimie , Profils en chimie, Chemical Heritage Foundation

Les conférences ont décrit les différentes zones de combustion dans la flamme de la bougie et la présence de particules de carbone dans la zone luminescente. Les démonstrations comprenaient la production et l'examen des propriétés de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'azote et du dioxyde de carbone. Une cellule d'électrolyse est démontrée, d'abord dans l'électrodéposition de conducteurs de platine par du cuivre dissous, puis la production d'hydrogène et d'oxygène gazeux et leur recombinaison pour former de l'eau. Les propriétés de l'eau elle-même sont étudiées, y compris son expansion pendant la congélation (les récipients en fer sont éclatés par cette expansion) et le volume relatif de vapeur produit lorsque l'eau est vaporisée. Les techniques de pesée des gaz sur une balance sont démontrées. La pression atmosphérique est décrite et ses effets démontrés.

Faraday souligne que plusieurs des démonstrations et expériences réalisées dans les conférences peuvent être réalisées par des enfants "à la maison" et fait plusieurs commentaires concernant l'attention appropriée à la sécurité.

Les conférences ont été imprimées pour la première fois sous forme de livre en 1861.

En 2016, Bill Hammack a publié une série de vidéos des conférences complétées par des commentaires et un livre d'accompagnement. [1] Les idées de Faraday sont encore utilisées comme base pour un enseignement ouvert sur l'énergie dans les écoles primaires et secondaires modernes [2]

Conférence 1 : Une Bougie : La Flamme - Ses Sources - Structure - Mobilité - Luminosité

Conférence 2 : Éclat de la flamme - Air nécessaire à la combustion - Production d'eau

Conférence 3 : Produits : Eau de combustion - Nature de l'eau - Un composé - Hydrogène

Conférence 4: L'hydrogène dans la bougie - Brûle dans l'eau - L'autre partie de l'eau - L'oxygène

Conférence 5 : Oxygène présent dans l'air - Nature de l'atmosphère - Ses propriétés - Autres produits de la bougie - Acide carbonique - Ses propriétés

Conférence 6 : Carbone ou charbon de bois - La respiration des gaz de charbon et son analogie avec la combustion d'une bougie - Conclusion


1833 : le premier effet semi-conducteur est enregistré

Le "philosophe naturel" anglais (terme contemporain pour physicien) Michael Faraday est réputé pour sa découverte des principes de l'induction électromagnétique et de la rotation électromagnétique, l'interaction entre l'électricité et le magnétisme qui a conduit au développement du moteur électrique et du générateur. L'unité de mesure de la capacité électrique - le farad (F) - est nommée en son honneur.

Les travaux expérimentaux de Faraday en chimie, qui comprenaient la découverte du benzène, l'ont également conduit à la première observation documentée d'un matériau que nous appelons maintenant un semi-conducteur. En étudiant l'effet de la température sur la "sulfurette d'argent" (sulfure d'argent) en 1833, il a découvert que la conductivité électrique augmentait avec l'augmentation de la température. Cet effet, typique des semi-conducteurs, est à l'opposé de celui mesuré dans les métaux tels que le cuivre, où la conductivité diminue à mesure que la température augmente.

Dans un chapitre intitulé « On Conducting Power General » de son livre Experimental Researches in Electricity, Faraday écrit « J'ai récemment rencontré un cas extraordinaire. » ce qui est en contraste direct avec l'influence de la chaleur sur les corps métalliques. A l'application d'une lampe. la puissance conductrice augmentait rapidement avec la chaleur. En enlevant la lampe et en laissant la chaleur retomber, les effets étaient inversés.

Nous comprenons maintenant que l'élévation de la température de la plupart des semi-conducteurs augmente la densité des porteurs de charge à l'intérieur de ceux-ci et donc leur conductivité. Cet effet est utilisé pour fabriquer des thermistances - des résistances spéciales qui présentent une diminution de la résistance électrique (ou une augmentation de la conductivité) avec une augmentation de la température.


Les autres travaux de Faraday sur l'électromagnétisme et l'électrolyse des amplis

Faraday a ensuite découvert l'induction électromagnétique, le processus de production de forces électromotrices à travers les conducteurs en raison des champs magnétiques. Si cela vous dit quelque chose, c'est la façon dont fonctionnent les générateurs et les moteurs électriques.

Hans Christian & Oslash rsted avaient découvert, en 1820, que le passage d'un courant électrique à travers un fil produisait un champ magnétique. Ses découvertes ont été approfondies par Andrée-Marie Ampère qui a montré que la force magnétique semblait également être une force circulaire. Ampère a montré, en effet, que le champ magnétique semblait former un cylindre autour du fil. C'était la première fois que cela était proposé.

Faraday comprenait, presque intuitivement, ce que cela impliquait. Il a noté que si un pôle pouvait être isolé, il devrait former un mouvement circulaire constant autour du fil porteur de courant. Fort de cette hypothèse et de son génie de l'expérimentation, il décide de le prouver avec son propre appareil.

Son appareil transformait l'énergie électrique en énergie mécanique. Michael Faraday venait de créer le premier moteur électrique au monde.

Faraday a travaillé pour étoffer ses idées et ses connaissances sur l'électromagnétisme, créant quelque chose appelé l'anneau d'induction en 1831. Cet appareil était essentiellement un transformateur qui générait de l'électricité dans un fil en raison des forces magnétiques d'un autre fil.

C'était révolutionnaire à l'époque.


De plus, chaque conférence vidéo peut être visionnée avec une piste de commentaires par les auteurs du livre. Ces commentaires expliquent le contexte et le but de chaque aspect des conférences.

Michael Faraday a orienté ses conférences vers ceux qui découvrent la science, en particulier les jeunes. Ses conférences restent aujourd'hui une excellente introduction à la méthode scientifique et servent bien de point d'entrée aux sciences chimiques. Pour cette raison, le livre d'accompagnement comporte un guide pédagogique détaillé. Il contient une section « Les grandes idées de la chimie », qui décrit le contexte chimique essentiel nécessaire pour comprendre les phénomènes abordés par Faraday dans ses conférences. Cette section utilise des analogies simples pour donner aux élèves plus jeunes un point d'entrée pour comprendre la nature particulaire de la matière. Le guide contient six activités et une série de démonstrations que les enseignants peuvent utiliser pour aider les élèves à étudier par eux-mêmes « l'histoire chimique d'une bougie ». Chaque activité a une fiche de travail pour l'élève suivie d'un guide de l'enseignant. Les enseignants et les autodidactes peuvent obtenir les sections enseignement et étudiant soit en téléchargeant le livre entier, soit en téléchargeant les feuilles de travail des étudiants et le guide pédagogique séparément. Les activités suivantes sont incluses :

  • Observations d'une bougie Cette activité aide les élèves à développer des théories et des explications sur le « pourquoi » sous-jacent à une bougie.
  • Courants de convection et densité Les élèves ont découpé une spirale en forme d'arbre de Noël pour étudier les courants de convection.
  • Capillarité Les élèves étudient le processus par lequel la cire fondue monte la mèche d'une bougie. Ils utilisent l'action capillaire pour déplacer l'eau colorée d'un bécher à un autre, étudient comment l'eau monte dans une tige de céleri et provoque l'ouverture d'une fleur en papier.
  • Les molécules sont "collantes" Les élèves apprennent combien de gouttes d'eau peuvent contenir un sou. Ils le comparent à l'alcool pour voir quel liquide est « autocollant ».
  • Changements physiques : changements d'état Les élèves observent et mesurent les changements de température qui se produisent lorsque l'eau passe de solide à liquide à vapeur.
  • Des modifications chimiques Les élèves utilisent du bicarbonate de soude et du vinaigre pour créer un changement chimique. Ils l'opposent aux changements physiques observés dans l'activité précédente.
  • Deux démonstrations pour montrer la pression causée par l'air Ces démonstrations montrent aux élèves les pressions causées par l'air. L'une consiste à écraser une boîte en condensant de la vapeur et l'autre à sucer un œuf dans une bouteille.

Recherche

Oeuvres diverses de 1820 à 1840

En 1821, suite à la découverte de l'électromagnétisme par Hans Christian Oersted, Faraday découvre les rotations électromagnétiques, principe du moteur électrique. Au début des années 1820, il liquéfia également des gaz et en 1825, il découvrit ce qu'on appela plus tard le benzène.

À la fin des années 1820, il consacra une grande partie de son temps à travailler sur un projet d'amélioration du verre optique pour l'Amirauté. Ce n'est donc qu'en 1831 qu'il put reprendre ses recherches sur l'électricité. Sa découverte de l'induction électromagnétique en 1831 a commencé une décennie de travail remarquable. Entre autres choses, il a réécrit la théorie de l'électrochimie (inventant de nombreux mots encore en usage aujourd'hui comme électrode et ion) et a établi ses lois de l'électrolyse. En 1836, il construisit la cage de Faraday, qui montra que les mesures de charge électrique dépendaient de l'état électrique de l'observateur. Cette observation a conduit Faraday à développer sa théorie selon laquelle l'électricité était le résultat de forces magnétiques variables entre les particules plutôt que d'un fluide comme on le supposait auparavant.

Les années 1840 et la théorie des champs

Dans les années 1840, Faraday s'est opposé à deux théories majeures de la physique du XIXe siècle - que la matière était finalement divisible en atomes chimiques et que la lumière voyageait en traversant une substance appelée éther. La recherche d'explications alternatives l'a aidé dans sa découverte de l'effet magnéto-optique et du diamagnétisme en 1845 et a abouti à l'établissement de la théorie des champs de l'électromagnétisme qui, une fois mathématisée par William Thomson (plus tard Lord Kelvin) et James Clark Maxwell, est devenue (et reste) l'une des pierres angulaires de la physique.


Faraday se souvient

Il est célèbre pour le nombre immense de découvertes qu'il a faites et leur importance mais il était aussi humble, prenant sa foi chrétienne très au sérieux. Ce faisant, il a fait don d'une partie de ses revenus à l'église et a également passé du temps à visiter les malades.

C'était aussi un personnage chaleureux, mais à certaines occasions, il pouvait être fougueux. Il gardait généralement son sang-froid sous contrôle, le canalisant dans son travail où il se manifestait par un niveau de production vraiment remarquable. Il avait aussi un bon sens de l'humour. Une fois, alors qu'il expliquait une découverte à Gladstone qui était chancelier à l'époque, on lui a demandé : "Mais après tout à quoi cela sert-il ?" Faraday a rapidement répondu en disant: "Pourquoi, monsieur, il y a de fortes chances que vous puissiez le taxer."

Aujourd'hui, on se souvient à juste titre de Michael Faraday comme d'un scientifique vraiment remarquable. Travaillant sans relâche sur un peu plus qu'un banc en bois avec des instruments grossiers, il a ouvert de nombreuses lois fondamentales de la science électrique. Il avait également le don rare du vrai génie combiné à la capacité de décrire clairement ses idées et d'enthousiasmer les autres.

À juste titre, l'unité de capacité porte son nom en hommage. Le terme « farad » a été initialement utilisé par Latimer Clark et Charles Bright en 1861 comme unité de charge, puis comme unité de capacité. Ensuite, le Congrès international des électriciens a officiellement adopté le farad comme unité de capacité lors de son congrès tenu à Paris en 1881.

Aujourd'hui, on se souvient de Michael Faraday comme d'un véritable génie - l'un des grands pionniers de la science avec Newton et bien d'autres - une véritable réussite pour quelqu'un avec peu d'éducation formelle.


Contenu

En 1836, Michael Faraday a observé que l'excès de charge sur un conducteur chargé ne résidait que sur son extérieur et n'avait aucune influence sur quoi que ce soit enfermé à l'intérieur. Pour démontrer ce fait, il a construit une pièce recouverte d'une feuille de métal et a permis aux décharges à haute tension d'un générateur électrostatique de frapper l'extérieur de la pièce. Il a utilisé un électroscope pour montrer qu'il n'y avait aucune charge électrique présente à l'intérieur des murs de la pièce.

Bien que cet effet de cage ait été attribué aux célèbres expériences de seau à glace de Michael Faraday réalisées en 1843, c'est Benjamin Franklin en 1755 qui a observé l'effet en abaissant une boule de liège non chargée suspendue à un fil de soie à travers une ouverture dans une boîte métallique chargée électriquement. Dans ses mots, "le bouchon n'a pas été attiré à l'intérieur de la boîte comme il l'aurait été à l'extérieur, et bien qu'il ait touché le fond, pourtant, une fois sorti, il n'a pas été électrisé (chargé) par ce contact, comme cela aurait été en touchant l'extérieur. Le fait est singulier. Franklin avait découvert le comportement de ce que nous appelons maintenant une cage ou un bouclier de Faraday (basé sur les expériences ultérieures de Faraday qui dupliquaient le bouchon et la canette de Franklin). [2]

De plus, en 1754, l'abbé Nollet publia un premier compte rendu d'un effet attribuable à l'effet cage dans son Leçons de physique expérimentale. [3]

Modification continue

Un blindage Faraday continu est un conducteur creux. Les champs électromagnétiques appliqués à l'extérieur ou à l'intérieur produisent des forces sur les porteurs de charge (généralement des électrons) à l'intérieur du conducteur, les charges sont redistribuées en conséquence en raison de l'induction électrostatique. Les charges redistribuées réduisent considérablement la tension à l'intérieur de la surface, dans une certaine mesure en fonction de la capacité, cependant, une annulation complète ne se produit pas. [4] [ citation(s) supplémentaire(s) nécessaire(s) ]

Charges intérieures Modifier

Si une charge est placée à l'intérieur d'un bouclier Faraday non mis à la terre sans toucher les murs (notons cette quantité de charge par +Q), la face interne du bouclier se charge de -Q, conduisant à des lignes de champ partant de la charge et s'étendant aux charges à l'intérieur la surface intérieure du métal. Les chemins des lignes de champ dans cet espace intérieur (jusqu'aux charges négatives terminales) dépendent de la forme des murs de confinement intérieurs. Simultanément, +Q s'accumule sur la face externe du bouclier. La répartition des charges sur la face externe n'est pas affectée par la position de la charge interne à l'intérieur de l'enceinte, mais plutôt déterminée par la forme de la face externe. Ainsi, à toutes fins utiles, le bouclier Faraday génère le même champ électrique statique à l'extérieur qu'il générerait si le métal était simplement chargé de +Q. Voir l'expérience du seau à glace de Faraday, par exemple, pour plus de détails sur les lignes de champ électrique et le découplage de l'extérieur de l'intérieur. Notez que les ondes électromagnétiques ne sont pas des charges statiques.

Si la cage est mise à la terre, les charges en excès seront neutralisées car la connexion à la terre crée une liaison équipotentielle entre l'extérieur de la cage et l'environnement, il n'y a donc pas de tension entre eux et donc pas de champ. La face interne et la charge interne resteront les mêmes afin que le champ reste à l'intérieur.

Champs extérieurs Modifier

  • Mn–Zn – ferrite magnétiquement douce
  • Al – aluminium métallique
  • Cu – cuivre métallique
  • acier 410 – acier inoxydable magnétique
  • Fe–Si – acier électrique à grains orientés
  • Fe–Ni – permalloy à haute perméabilité (80%Ni–20%Fe)

L'efficacité du blindage d'un champ électrique statique est largement indépendante de la géométrie du matériau conducteur, cependant, les champs magnétiques statiques peuvent pénétrer complètement dans le blindage.

Dans le cas de champs électromagnétiques variables, plus les variations sont rapides (c'est-à-dire plus les fréquences sont élevées), mieux le matériau résiste à la pénétration du champ magnétique. Dans ce cas le blindage dépend également de la conductivité électrique, des propriétés magnétiques des matériaux conducteurs utilisés dans les cages, ainsi que de leurs épaisseurs.

Une bonne idée de l'efficacité d'un bouclier Faraday peut être obtenue à partir de considérations de profondeur de peau. Avec la profondeur de la peau, le courant circulant est principalement dans la surface et décroît de façon exponentielle avec la profondeur à travers le matériau. Parce qu'un blindage Faraday a une épaisseur finie, cela détermine à quel point le blindage fonctionne, un blindage plus épais peut mieux atténuer les champs électromagnétiques et à une fréquence plus basse.


    Lorsque les chercheurs cartographient le flux tridimensionnel d'une rivière autour d'un pilier de pont, ou du vent autour de l'aile d'un avion (photo ci-dessous), ils utilisent rationalise, des lignes qui tracent le flux de particules d'eau ou d'air.

Michael Faraday
Les lignes de champ magnétique ont été introduites par Michael Faraday (1791-1867) qui les a nommées « lignes de force ». Faraday était l'un des grands découvreurs de l'électricité et du magnétisme, responsable des principes de fonctionnement des générateurs électriques et des transformateurs, ainsi que des fondements de l'électrochimie.

Fils d'un forgeron, Faraday était apprenti chez un relieur et lisait souvent des livres apportés pour être reliés. Heureusement pour la science, l'un d'eux était le volume de l'Encyclopaedia Britannica avec l'article sur « l'électricité ». Son intérêt l'a conduit à des conférences populaires données par Humphry Davy, le plus grand chimiste de Grande-Bretagne (« il a vécu dans l'odium/d'avoir découvert le sodium »), et lorsque Davy a eu besoin d'un assistant, Faraday a décroché le poste grâce aux notes qu'il avait gardées de Les conférences de Davy. Il s'en est suivi une carrière de toute une vie en physique et en chimie, avec de nombreuses réalisations notables.

    De nos jours, la plupart des scientifiques considèrent les lignes de champ comme des abstractions intangibles, utiles uniquement pour décrire les champs magnétiques. Faraday, cependant, a estimé qu'ils représentaient plus, que l'espace contenant des "lignes de force" magnétiques n'était plus vide mais acquit certaines propriétés physiques. En 1846, il spécula que la lumière n'était qu'une onde se propageant le long de telles lignes - comme l'onde sur une corde attachée à une extrémité et secouée à l'autre

A la suite de Maxwell, on appelle aujourd'hui un espace modifié par la présence de lignes de champ magnétique un "champ magnétique" : si un barreau magnétique y est placé, il subira des forces magnétiques, mais le champ existe même lorsqu'aucun aimant n'est présent. De même, un "champ électrique" est l'espace dans lequel les forces électriques peuvent être détectées, par exemple entre des objets métalliques chargés (+) et (-) par une batterie, comme dans le dessin accompagnant la discussion de l'électron.

Maxwell a également montré (peut-être sa plus grande réussite) qu'une "onde électromagnétique" était possible, une interaction rapide de champs électriques et magnétiques se propageant avec la vitesse de la lumière. Maxwell a correctement deviné que la lumière était en fait une telle onde, qu'il s'agissait essentiellement d'un phénomène électromagnétique, et avec cela ses équations ont ouvert la voie à une compréhension beaucoup plus profonde de l'optique, la science de la lumière.

Le jeune collègue de Maxwell, l'Allemand Heinrich Hertz, calcula en 1886 que des ondes de ce type seraient diffusées par un courant alternatif rapide dans une courte antenne. Il a ensuite obtenu un tel courant à partir d'une étincelle électrique (qui produit une oscillation rapide de la charge électrique) et a démontré expérimentalement ses "ondes hertziennes". Son travail a été poursuivi par des scientifiques du monde entier - par ex. par le Russe Alexander Stepanovich Popov qui vers 1895 a détecté les ondes radio de la foudre (une étincelle naturelle !), et par l'Italien Gugliemo Marconi qui, à peu près à la même époque, a développé les premières applications de radio commerciale.

Les ondes qui transportent la radio et la télévision, les micro-ondes, les infrarouges, la lumière visible, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma sont toutes des variations du même processus de base envisagé par Maxwell, à savoir, elles appartiennent toutes à la famille des ondes électromagnétiques. .

Il peut sembler étrange que l'espace vide puisse être modifié par des influences électriques et magnétiques, comme le propose le concept de champ. Elle permet pourtant de comprendre les ondes lumineuses et radio, et aussi de retenir les conservation d'énergie. Lorsqu'un émetteur sur un vaisseau spatial diffuse un signal radio, la majeure partie de ce signal se propage dans l'espace et n'atteint jamais la Terre. Son énergie est-elle perdue ? Non, il réside désormais dans un champ électromagnétique de plus en plus répandu, associé à l'onde radio.


Voir la vidéo: Biografía de Michael Faraday (Janvier 2022).