Les lois de Gustav Kirchhoff et Kirchhoff sur les circuits électriques

Gustav Robert Kirchhoff (12 mars 1824-17 octobre 1887) était un physicien allemand. Il est surtout connu pour avoir développé les lois de Kirchhoff, qui quantifient le courant et la tension dans les circuits électriques. En plus des lois de Kirchhoff, Kirchhoff a apporté un certain nombre d’autres contributions fondamentales à la physique, notamment des travaux sur la spectroscopie et le rayonnement des corps noirs.

Faits en bref : Gustav Kirchhoff

• Nom complet : Gustav Robert Kirchhoff
• Occupation : Physicien
• Connu pour: A développé les lois de Kirchhoff pour les circuits électriques
• Né : Le 12 mars 1824 à Königsberg, en Prusse
• Décédé : Le 17 octobre 1887 à Berlin, Allemagne
• Noms des parents : Carl Friedrich Kirchhoff, Juliane Johanna Henriette von Wittke
• Noms des conjoints : Clara Richelot (m. 1834-1869), Benovefa Karolina Sopie Luise Brömmel (m. 1872)

Petite enfance et éducation

Né à Königsberg, en Prusse (aujourd’hui Kaliningrad, Russie), Gustav Kirchhoff était le plus jeune de trois fils. Ses parents étaient Carl Friedrich Kirchhoff, un conseiller juridique dévoué à l’État prussien, et Juliane Johanna Henriette von Wittke. Les parents de Kirchhoff ont encouragé leurs enfants à servir l’État prussien du mieux qu’ils le pouvaient. Kirchoff était un étudiant solide sur le plan académique, il avait donc l’intention de devenir professeur d’université, ce qui était considéré comme un rôle de fonctionnaire en Prusse à l’époque. Kirchhoff fréquente le lycée de Kneiphofische avec ses frères et obtient son diplôme en 1842.

Après avoir terminé ses études secondaires, Kirchhoff a commencé à étudier au département de mathématiques-physique de l’université Albertus de Königsberg. Là, Kirchhoff a assisté à un séminaire de mathématiques-physique de 1843 à 1846 mis au point par les mathématiciens Franz Neumann et Carl Jacobi.

Neumann en particulier a eu un profond impact sur Kirchhoff, et l’a encouragé à poursuivre la physique mathématique – un domaine qui se concentre sur le développement de méthodes mathématiques pour les problèmes de physique. Alors qu’il étudiait avec Neumann, Kirchhoff a publié son premier article en 1845, à l’âge de 21 ans. Cet article contenait les deux lois de Kirchhoff, qui permettent de calculer le courant et la tension dans les circuits électriques.

Les lois de Kirchhoff

Les lois de Kirchhoff pour le courant et la tension sont à la base de l’analyse des circuits électriques, permettant la quantification du courant et de la tension dans le circuit. Kirchhoff a dérivé ces lois en généralisant les résultats de la loi d’Ohm, qui stipule que le courant entre deux points est directement proportionnel à la tension entre ces points et inversement proportionnel à la résistance.

La première loi de Kirchhoff dit qu’à une jonction donnée dans un circuit, le courant entrant dans la jonction doit être égal à la somme des courants sortant de la jonction. La deuxième loi de Kirchhoff dit que s’il y a une boucle fermée dans un circuit, la somme des différences de tension dans la boucle est égale à zéro.

Grâce à sa collaboration avec Bunsen, Kirchhoff a développé trois lois de Kirchhoff pour la spectroscopie :

1. Les solides, liquides ou gaz denses incandescents – qui s’éclairent après avoir été chauffés – émettent un spectre continu de lumière : ils émettent de la lumière à toutes les longueurs d’onde.
2. Un gaz chaud de faible densité produit un spectre de raies d’émission : le gaz émet de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques et discrètes, qui peuvent être considérées comme des raies claires dans un spectre autrement sombre.
3. Un spectre continu traversant un gaz plus froid et de faible densité produit un spectre de raies d’absorption : le gaz absorbe la lumière à des longueurs d’onde spécifiques et discrètes, qui peuvent être considérées comme des raies sombres dans un spectre par ailleurs continu.

Comme les atomes et les molécules produisent leurs propres spectres uniques, ces lois permettent d’identifier les atomes et les molécules présents dans l’objet étudié.

Kirchhoff a également réalisé d’importants travaux sur le rayonnement thermique, et a proposé la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique en 1859. Cette loi stipule que l’émissivité (capacité à émettre de l’énergie sous forme de rayonnement) et l’absorbance (capacité à absorber le rayonnement) d’un objet ou d’une surface sont égales à toute longueur d’onde et à toute température, si l’objet ou la surface est à l’équilibre thermique statique.

En étudiant le rayonnement thermique, Kirchhoff a également inventé le terme « corps noir » pour décrire un objet hypothétique qui absorbe toute la lumière entrante et donc émet toute cette lumière lorsqu’il est maintenu à une température constante pour établir un équilibre thermique. En 1900, le physicien Max Planck a émis l’hypothèse que ces corps noirs absorbaient et émettaient de l’énergie dans certaines valeurs appelées « quanta ». Cette découverte sera l’une des clés de voûte de la mécanique quantique.

Carrière universitaire

En 1847, Kirchhoff est diplômé de l’université de Königsberg, et devient en 1848 maître de conférences non rémunéré à l’université de Berlin en Allemagne. En 1850, il devient professeur associé à l’université de Breslau et, en 1854, professeur de physique à l’université de Heidelberg. À Breslau, Kirchhoff a rencontré le chimiste allemand Robert Bunsen, qui a donné son nom au brûleur Bunsen, et c’est Bunsen qui a organisé la venue de Kirchhoff à l’université de Heidelberg.

Dans les années 1860, Kirchhoff et Bunsen ont montré que chaque élément pouvait être identifié par un motif spectral unique, établissant que la spectroscopie pouvait être utilisée pour analyser expérimentalement les éléments. Le couple découvrit les éléments césium et rubidium en étudiant les éléments du soleil par spectroscopie.

En plus de ses travaux en spectroscopie, Kirchhoff étudiera également le rayonnement des corps noirs, ce qui donnera naissance au terme en 1862. Ses travaux sont considérés comme fondamentaux pour le développement de la mécanique quantique. En 1875, Kirchhoff devient titulaire de la chaire de physique mathématique à Berlin. Il prend ensuite sa retraite en 1886.

Vie ultérieure et héritage

Kirchhoff meurt le 17 octobre 1887 à Berlin, en Allemagne, à l’âge de 63 ans. On se souvient de lui pour ses contributions dans le domaine de la physique ainsi que pour son influente carrière d’enseignant. Ses lois de Kirchhoff pour les circuits électriques sont maintenant enseignées dans le cadre de cours d’introduction à la physique sur l’électromagnétisme.

Sources

• Hockey, Thomas A., éditeur. L’Encyclopédie biographique des astronomes. Springer, 2014.
• Inan, Aziz S. « Sur quoi Gustav Robert Kirchhoff est-il tombé il y a 150 ans ? Actes du symposium international de l’IEEE sur les circuits et systèmes 2010, pp. 73-76.
• « Les lois de Kirchhoff ». Université de Cornell, http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/kirchhoff.htm.
• Kurrer, Karl-Eugen. L’histoire de la théorie des structures : de l’analyse de l’arche à la mécanique computationnelle. Ernst & Sohn, 2008.
• « Gustav Robert Kirchhoff ». Expressions moléculaires : Science, Optics, and You, 2015, https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/kirchhoff.html.
• O’Connor, J. J., et Robertson, E. F. « Gustav Robert Kirchhoff. » Université de St. Andrews, Écosse, 2002.
• Palma, Christopher. « Les lois de Kirchoff et la spectroscopie. » Université d’État de Pennsylvanie, https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l3_p6.html.