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La découverte des ondes électromagnétiques par Heinrich Hertz (1887-1888)

Un expérimentateur aux seuls intérêts théoriques qui ouvre la voie à des inventions déterminantes : la T.S.F., la cellule photo-électrique, la radio et la télévision

 

L'apport de Heinrich Hertz  au développement des communications électriques est fondamental, même si le savant s'en est tenu à des études de physique théorique et qu'il n'imaginait pas que ses travaux allaient déboucher sur d'importantes applications pratiques; en particulier la T.S.F., la radiodiffusion et la télévision "par voie hertzienne".

 

Grâce à ses expériences sur les ondes électromagnétiques, il a confirmé  la théorie de l'électrodynamique de Maxwell en 1887 et ouvert la voie aux travaux d'E.F.W. Alexanderson, Edouard Branly, Ferdinand Braun, Reginal Fessenden, Ambroise Fleming, Lee de Forest, Oliver Lodge, Guglielmo Marconi, Henri Poincaré, Alexandre Popov, dans le domaine la T.S.F. Les travaux de Hertz ont aussi, très rapidement, comme nous l'illustrons dans ce dossier, inspiré des hypothèses de transmission sans fil des images, qui ne se concrétiseront que dans les années 1920.

Les ondes électromagnétiques ont été dénommées "hertziennes" en son honneur et sont mesurées en hertz (hz).

Nous ne mentionnons ici, et de manière très simplifiée, que sa démonstration concernant les ondes électromagnétiques (réalisée en 1887 et publiée en 1888). Ses travaux ultérieurs sur l'effet photo électrique ont eu un impact important sur la les travaux d'Elster et Geitel, qui débouchèrent sur la mise au point de la cellule photo-électrique. Celle-ci allait permettre aux recherches sur la téléphotographie et la télévision de se dégager du recours au sélénium.

Dans le domaine de la physique théorique, les expériences sur l'effet photoélectrique ont révélé, sans le savoir, les limites de la théorie de Maxwell et ouvert la voie à la découverte du photon et de la photonique.

Les contributions théoriques de Hertz font l'objet d'un important débat épistémologique sur les rapports entre théorie scientifique et expérience, administration de la preuve, rapport entre théorie et invention que nous ne pouvons traiter ici (voir notamment, en français les contributions de Jean Cazenobe dans les années 1970-1980 et plus récemment celles de Dominique Prestre et Michel Atten).

Biographie

Adaptation de  Knott, Robert, "Hertz, Heinrich" iin Allgemeine Deutsche Biographie, 50 1905, S. 256-259

 

Heinrich Rudolf Hertz est né le 22 février 1857 à Hambourg, fils aîné de l'avocat, futur sénateur et chef de l'administration judiciaire Gustav Hertz.

 

Dès son plus jeune âge, il fit preuve d'une mémoire prodigieuse et de talents divers, notamment en sciences naturelles et en technologie. L'un de ses passe-temps favoris était de travailler à l'établi ou au tour qu'il possédait chez ses parents, où il fabriquait divers instruments pour son usage personnel, comme un spectroscope complet. Il aimait aussi dessiner et peindre et s'intéressait à la botanique. Mais il se passionnait non seulement pour les matières pratiques, mais aussi pour la philologie. Il pouvait réciter des pages d'Homère et des tragédiens grecs et étudia même le sanskrit et l'arabe en privé.

 

En 1875, il quitte le Gymnasium (lycée) avec son Abitur (baccalauréat). À cette époque, doutant de ses aptitudes pour les sciences pures, il se tourna d'abord vers l'ingénierie. Pendant un an, il travailla à Francfort comme volontaire pour les services techniques municipaux sur le chantier du nouveau pont sur le Main. Durant le semestre d'été 1876, il étudia à l'École polytechnique de Dresde. Il effectua ensuite un an de service militaire volontaire dans un régiment de cheminots à Berlin. En octobre 1877, il s'inscrivit à l'Université de Munich et décida de se consacrer aux sciences naturelles. Il resta à Munich pendant un an et consacra le semestre d'hiver 1877-1878, dans une solitude complète, à l'étude des mathématiques et de la mécanique, s'appuyant principalement sur des ouvrages originaux tels que ceux de Laplace et Lagrange. Au semestre d'été suivant, il se concentra surtout sur les travaux pratiques au laboratoire de physique, tant à l'université qu'à l'école technique, dans les instituts dirigés par von Jolly et von Bezold.

 

En octobre 1878, Hertz s'installa à Berlin pour devenir l'élève de von Helmholtz et de Kirchhoff. En consultant les annonces sur le tableau d'affichage de l'université, son regard fut attiré par l'annonce d'un sujet de dissertation de la Faculté de Philosophie portant sur «l'inertie de l'électricité en mouvement». Il décida d'essayer de le résoudre. De nombreuses lettres à ses parents nous renseignent sur l'avancement de ses travaux. Il disposait de son propre laboratoire et bénéficiait du soutien de Helmholtz. En mars 1880, grâce à une thèse théorique sur l'induction dans des sphères conductrices en rotation ou des sphères creuses entre des aimants, il obtint son doctorat avec la mention «magna cum laude» après avoir réussi brillamment son examen.

 

En octobre 1880, il devint l'assistant de von Helmholtz. S'ensuivit une série de travaux, commençant par une étude théorique intitulée «Sur le contact des corps élastiques solides», puis un traité intitulé «Sur la dureté», suivi de «Sur l'évaporation des liquides, notamment du mercure, dans le vide» et de «Sur la pression de la vapeur de mercure saturée». Par son traité «Expériences sur la décharge luminescente»,  il renouait avec le domaine où il allait plus tard remporter ses plus grands succès. Cet ouvrage lui valut également une lettre de félicitations d'Helmholtz. Comme le remarqua Planck, l'autocritique mesurée de l'auteur est particulièrement louable dans l'ensemble de ces travaux. Il est à noter que nombre de ses propositions sont formulées par la négative : «Il n'existe pas de force vitale à l'origine de l'électricité en mouvement», «La décharge luminescente n'est pas toujours discontinue», «Les rayons cathodiques n'indiquent pas le sens du courant», etc. Ceci montre que son objectif initial n'était nullement de rechercher la gloire en découvrant des faits nouveaux et surprenants, mais plutôt d'acquérir, par des méthodes objectives, la clarté nécessaire sur la nature des processus en question.

En 1883, Hertz obtint son diplôme de maître de conférences à l'Université de Kiel, où il fut nommé professeur de physique théorique. Son nouveau lieu de résidence l'amena probablement à s'intéresser à la météorologie, ainsi qu'à l'étude de l'équilibre d'une plaque élastique flottante, telle qu'un morceau de glace, sur l'eau.

 

Il reprit rapidement ses travaux en électrodynamique, un domaine qu'il ne quitta jamais. En 1884, il publia un article dans les Annalen der Physik und Chemie de Wiedemann : «Sur les relations entre les équations électrodynamiques de Maxwell et les équations fondamentales de l'électrodynamique opposée [c'est-à-dire de Weber et de Neumann]».

 

Cependant, son travail à Kiel ne le satisfaisait pas pleinement ; il était trop attaché à l'expérimentation. Utilisant ses propres ressources, il aménagea un petit laboratoire dans son appartement et s'apprêtait à entreprendre des expériences thermoélectriques avec l'autorisation et le soutien de Gustav Karsten, directeur de l'Institut de physique de Kiel, lorsqu'une nomination prestigieuse le plaça à la tête de l'École polytechnique de Karlsruhe, où il s'installa au printemps 1885. C'est là qu'il rencontra sa future épouse, Elisabeth Doll, fille du célèbre géodésien Doll.

 

Il entreprit alors une série de travaux sur les oscillations électriques qui ont immortalisé sa renommée. Ces travaux sont résumés dans le deuxième volume de ses œuvres complètes sous le titre «Recherches sur la propagation de la force électrique». Ceux-ci revêtent une importance pratique capitale, mais aussi un grand intérêt théorique, car ils prouvent l'identité, longtemps soupçonnée, entre la lumière et l'électricité.

 

En 1889, Hertz fut nommé à la chaire Clausius à Bonn. Ses fonctions comprenaient alors des tâches d'organisation. L'institut de physique dut être agrandi, les salles rééquipées et l'emploi du temps des stagiaires revu. La prudence dont il fit preuve dans cette tâche est attestée par les nombreux travaux remarquables qui émergèrent de l'institut durant cette période, sous sa direction et à son initiative. À Bonn, cependant, il se concentra principalement sur le développement théorique de la théorie de Maxwell, pour lequel une conférence qu'il donna sur le même sujet lui apporta une inspiration précieuse. Ces recherches le menèrent ensuite aux questions finales et les plus complexes concernant la matière pondérable, l'éther et leurs interactions. Il devint évident que la théorie était insuffisante pour apporter une réponse pleinement satisfaisante à toutes les questions, notamment en ce qui concerne la classe des phénomènes électrochimiques.

 

Ces efforts de recherche, conjugués à la nécessité d'acquérir une perspective encore plus large sur sa compréhension de la nature, le poussèrent alors à étudier les principes généraux de la mécanique ; il acheva ce travail peu avant sa mort. Hertz conclut que les phénomènes électriques et magnétiques devaient reposer sur des mouvements dans l'éther, des mouvements cachés, comparables en un certain sens à l'agitation thermique des atomes. Helmholtz avait démontré comment il était possible de formuler certaines affirmations concernant de tels mouvements inconnus, en se fondant sur le principe de moindre action. Les travaux de Hertz visaient désormais à remodeler l'approche de toute la mécanique théorique afin qu'une généralisation de ce principe y occupe une place prépondérante. Mais il ne s'arrêta pas là. Il planifia de nouvelles expériences, cette fois avec des courants d'une tension extrêmement élevée, si bien que ses collègues s'inquiétaient déjà des risques encourus. Il ne réalisa cependant jamais ces expériences.

 

A partir de  l'été 1892, son état de santé se détériore et il meurt le 1er janvier 1894 à l'âge de trente-sept ans.  

La vérification expérimentale des équations de Maxwell.

 

À l'époque d'Heinrich Hertz, deux théories s'affrontaient: l'électricité et l'électrodynamique. Sur le continent, l'électrodynamique «ancienne», élaborée par Wilhelm Weber et Franz Neumann, avec ses lois des effets à distance, prévalait. Dans le monde anglo-saxon, on défendait la conception de Faraday et Maxwell. L'électrodynamique «ancienne» supposait l'existence de particules électriques positives et négatives, dotées d'une masse. De ce fait, un courant électrique dans un fil conducteur devait être expliqué comme un contre-courant de particules. La théorie des champs de Faraday et Maxwell rejetait l'existence des atomes et, en particulier, niait l'existence de particules électriques matérielles. Son principe fondamental était la polarisation électrique des éléments de l'espace, et le courant électrique résultait donc de la «communication» d'électricité d'un élément de l'espace d'un conducteur à un autre. Maxwell adopta les opinions de Faraday, mais dans son traité de 1873, il prit également en compte des points de vue opposés. Lorsqu'Heinrich Hertz se rendit à Berlin en 1878, il subit l'influence de Helmholtz, un opposant farouche à Weber. Helmholtz souhaitait clarifier
les enseignements de l'électrodynamique. Il était favorable à la théorie des champs de Faraday-Maxwell et fonda sa propre théorie de l'électrodynamique sur celle-ci. Lors d'un concours portant sur la question de savoir si le courant électrique est lié à un transport de masse, Hertz démontra que la masse supposée devait être extrêmement petite. Contrairement aux attentes de Helmholtz, Hertz ne saisit pas cette occasion pour lancer une attaque contre les partisans de l'électrodynamique «ancienne». Helmholtz lança un autre concours à l'Académie des sciences : il s'agissait de démontrer les effets électrodynamiques à l'intérieur des isolateurs, déclarés par Faraday et Maxwell. Cependant, Hertz ne put résoudre ce problème qu'en 1887 grâce à ses oscillations électriques rapides. (Wiederkehr, 2008)

L'expérience de 1887 et son impact

Hertz découvrit que des étincelles oscillantes pouvaient être produites dans un circuit secondaire ouvert si la fréquence du primaire était en résonance avec celle du secondaire. Il utilisa ce dispositif pour démontrer que les signaux électriques se propageaient le long des fils et dans l'air à une vitesse similaire, proche de celle de la lumière. Il montra également que ses rayonnements électriques, lorsqu'ils traversaient une fente dans un écran, présentaient des effets de diffraction. Des effets de polarisation, obtenus à l'aide d'un réseau de fils métalliques parallèles, furent également observés. L'expérience  a permis de confirmer empiriquement l'essentiel de la théorie de Maxwell, ainsi que de permettre la prédiction et la génération des ondes électromagnétiques. Hertz produisit, transmit et détecta des ondes électromagnétiques de longueur d'onde de 5 m et 50 cm. Il utilisait des réflecteurs aux positions d'émission et de réception pour concentrer l'onde en un faisceau. Pour une description détaillée en français de son expérience, on pourra se reporter à son article "Sur les rayons de force électrique", traduction par Joubert, Journal de physique théorique et appliquée, 9, 1890. Les vidéos reprises sur cette page illustrent de manière très pédagogique cette expérience. 

Par la suite, Hertz mène des expériences de  expériences visant à concentrer cette action et à la rendre perceptible à de plus grandes distances en plaçant le conducteur principal sur l'axe focal d'un grand miroir parabolique concave. Il considère ces expériences comme un échec : "Ces expériences ne donnèrent pas le résultat escompté, et je fus certain que cet échec était une conséquence inévitable de la disproportion entre la longueur d'onde (4 à 5 mètres) utilisée et les dimensions que je pouvais, dans les conditions les plus favorables, donner au miroir." Ses recherches s'étendirent cependant à l'étude de la réflexion, de la réfraction et de la polarisation  des ondes électromagnétiques.

 

À cette fin, l'oscillateur et le résonateur furent placés respectivement aux foyers principaux de deux miroirs paraboliques en tôle de zinc, chacun d'une hauteur de 2 mètres. Une longueur d'onde d'environ 50 centimètres fut utilisée. Le récepteur se composait de deux fils de laiton minces, chacun d'une longueur d'environ 52 centimètres, reliés à un éclateur situé à l'extérieur du miroir parabolique. Il obtint des résultats jusqu'à une distance d'environ 16 mètres.  Il constata par ailleurs que les ondes pouvaient traverser  une porte en bois, mais non un écran en zinc. Il démontra que les lois ordinaires de la réflexion s'appliquaient également aux ondes électriques.

 

Une autre expérience, menée dans une salle d'auditorium, vise à mesurer la rapidité de transmission des ondes. Hertz a mené ses expériences dans des conditions de laboratoire loin d'être idéales : la présence d'acier et de plomb dans le laboratoire faussait ses mesures. Son appareillage scientifique (qui reposait sur l'utilisation d'un éclateur) était rudimentaire. Il employait des dispositifs de laboratoire simples et construisait souvent ses propres instruments afin de confirmer la prédiction de Maxwell selon laquelle les ondes électromagnétiques existaient, tant sous forme d'ondes lumineuses que d'ondes radio. L'espace physiquement restreint dont Hertz disposait pour ses expériences l'a contraint à travailler avec des oscillations rapides et des longueurs d'onde courtes.

Divulgation et circulation de la découverte d'Heinrich Hertz

Comme l'analysent Pestre et Atten, Hertz présenta ses expériences successivement à ses proches, à ses collègues, aux membres des sociétés savantes auxquelles il appartenait, aux notables de Karlsruhe et à ses étudiants.  L'expérience fut présentée en allemand dans les publications de Hertz en 1888 et une synthèse en français des travaux sur les ondes électromagnétiques fut publiée en Suisse en avril 1889 ("Recherches sur les ondulations électriques" Archives des sciences physiques et naturelles).  Des conférences et autres manifestations publiques s’appuyant sur la mise en scène d’expériences semblables à celles de Hertz furent organisées à Londres et à Paris.  Ces démonstrations publiques, qui s'inscrivent dans les pratiques de l'époque "soulignent le rôle qu’on fait jouer aux sens des spectateurs dans l’administration de la preuve". 

La publication en 1888 des résultats de sa recherche suscita des réactions théoriques diverses. Elles furent qualifiées par certains de "curieuses" et suscitèrent l'incrédulité des conservateurs attachés à la théorie corpusculaire de la lumière. Hertz reçut cependant le soutien immédiat de physiciens réputés tels que Helmholtz, Oliver Lodge ou William Thomson (Lord Kelvin). Divers chercheurs firent des vérifications expérimentales. En France plusieurs physiciens (Joubert, Sarazin, De La Rive, Henri Poincaré) reproduisent les expériences apportant parfois, comme ce fut le cas pour Poincaré, des rectifications, mettant en évidence les biais engendrés par les conditions des expériences. Lors de l'assemblée générale annuelle de la Société internationale des électriciens, le 3 avril 1889, le Président Lemonnier suggère que des démonstrations de l'expérience soient faites durant l'Exposition universelle, alors en préparation. Il n'y a pas de témoignage qu'une telle démonstration ait eu lieu, mais Nikola Tesla entend parler des expériences de Hertz lors de sa visite de l'exposition.

 

Différents scientifiques et inventeurs d'importance ont reconnu leur dette vis-à-vis de Hertz. Dans son entretien avec un journaliste du Sun (publié le 7 octobre 1889 à son retour d'Europe) Edison raconte avoir rencontré le Professeur Hertz  (probablement durant son bref séjour en Allemagne en septembre 1889). Il indiqua que les sujets discutés étaient trop complexes pour être résumés dans un entretien de presse et déclara que le physicien allemand était le savant électricien le plus profond qu'il avait rencontré durant son voyage en Europe et que ses expériences allaient nous faire découvrir ce qu'est l'électricité. Peut-être Edison a-t-il évoqué sa propre observation, non théorisée, des ondes étectromagnétiques, sa théorie de la "force éthérique", ainsi que son brevet d'antennes permettant la transmission électrique sans fil de signaux électriques ?

 

Albert Einstein a écrit que les théories de Hertz avaient stimulé son intérêt pour l'électrodynamique. Wilhelm Conrad Roetgen a porté sa découverte des rayons X au crédit de Hertz et aux expériences de Lenard sur les rayons cathodiques. Les travaux de Max Planck pour le développement de la physique quantique sont également redevables aux travaux de Hertz.

Vrrs les applications pratiques

 

Hertz ne croyait pas aux applications pratiques de sa découverte dans le domaine de la téléphonie, il répondit qu'il n'y avait aucune perspective d'utiliser sa découverte des ondes électromagnétiques pour la téléphonie, car la longueur d'onde serait de 300 km : « Il faudrait construire un miroir aussi grand qu'un continent pour réussir l'expérience. »

Dès 1895, le jeune Guglielmo Marconi, inspiré par les travaux de Hertz, allait substituer l'expérimentation à finalité théorique par l'expérimentation pratique. L'important n'est pour lui la mesure de la vitesse de la transmission mais la vérification de la transmission des signaux à distance.

A partir de 1897, Nikola Tesla critiquera le modèle de T.S.F. basé sur les ondes hertziennes, pour lui opposer son modèle de diffusion recourant à l'énergie terrestre.

En 1898, le jeune polonais Wolke dépose (et obtient) en Pologne et en Allemagne un brevet pour un téléctroscope qui recourt aux ondes électromagnétiques : les trous d'un disque de Nipkow recueillent les courants d'une plaque de sélénium et excitent l'inducteur qui émet dans l'espace des ondes électriques qui sont transmises vers le tube de Geisler de l'appareil récepteur. Cette proposition brevetée ouvre une série substantielle de propositions de transmission hertzienne des images. Comme l'idée d'utiliser les techniques de la T.S.F. pour transmettre non seulement des signaux Morse mais les sons n'apparaîtra que dans les années 1910, on peut considérer que l'idée de la télévision hertzienne est antérieure à celle de la radio. 

Au Congrès international de l'électricité qui se tient à Paris en août 1900, Constantin Persky termine sa communication "La télévision au moyen de l'électricité" par cette conclusion : "En général, la résolution du problème de la télévision pourra être considérée comme trouvée quand on possédera le moyen de transformer par un procédé simple les ondes de grande longueur en ondes très courtes, et réciproquement." Le propos est assez sibyllin, mais il indique une réflexion sur la transmission des images qui intègre l'apport de Hertz sur l'identité de l'électricité et de la lumière. 

A.L., 17 mars 2026

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Heinrich Hertz

Hertz et les ondes électromagnétiques

Chaîne Youtube du Lycée Charles de Foucauld

Cette vidéo est intréessante, mais n'indique pas qu'elle est une doublage en français d'une émission allemande produite en 1991 par Target Film GhbH : Heinrich Hertz & die elektromagnetischen Welle Meilensteine der Naturwissenschaft & Technik ​​

Expérience de Herz sur les ondes électromagnétqiues.

(Explication très claire, mais pas de véritable démontsration)

Chaîne vidéo de Sylvie Gazeille

Expérience de Hertz sur les ondes électromagnétiques

(doublage en français un peu approximatif, mais vidéo intéressante pour visualiser k'expérience de Hertz).

Source : Chaîne Youtube Ludic Science

Principales publications de Heinrich Hertz sur les ondes électromagnétiques

  • HERTZ, H., "Recherches sur les ondulations électriques" (mars 1889), Archives des sciences physiques et naturelles, avril 1889, pp.281-308 (Cet article est une synthèse accessible et importante, souvent citée comme la présentation française directe des travaux de Hertz, et il a contribué à la diffusion rapide de ses découvertes en pays francophones dès 1889)

Quelques articles sur la réception des travaux de Hertz relatifs aux ondes électromagnétiques

  • ​BRILLOUIN M., "Sur les expériences de M. Hertz", Revue générale des sciences pures et appliquées, 15 mars 1900,  141-143.

  • GUILLAUME, C. E., "La discussion récente des expériences de M. Hertz", Revue générale des sciences pures et appliquées, 30 janvier 1890, 63.

Quelques études historiques

  • APPELYARD, R.,, "Heinrich Rudolf Herz" in  Pioneers of electrical communication,  Macmillan, 1930, pp.109-140.

  • CAZENOBE J.,  "L’Onde de Hertz considérée dans ses rapports avec celle de Marconi"  in Systèmes symboliques, Science, Philosophie, CNRS, 1978

  • CAZENOBE J.,  "Les incertitudes d’une découverte : l’onde de Hertz de 1888 à 1900", Archives Internationales d’Histoire des Sciences, t. 32, 1982

  • CAZENOBE J., "Comment Hertz a-t-il eu l’idée des ondes hertziennes ?", Revue de synthèse, Décembre 1980.

  • PESTRE D., ATTEN M., Heinrich Hertz. L'administration de la preuve, PUF, 2022

  • SUSSKIND C., Heinrich Hertz: A Short Life, San Francisco Press, 1995

  • WIEDERKEHR, K.H. "Heinrich Hertz im Spannungsfeld von älterer Elektrodynamik und der Maxwellschen Theorie", in WOLFSCHMIDT G., 2008

Voir également la bibliographie "Histoire de la T.S.F. et de la radio"

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Schéma de l'expérience de 1887 

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Dispositif avec les deux sphères et le dipôle où se produisent les étincelles
(Source : Burmester und Niehaus, 2012)

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Résonateur avec un petit éclateur

Eclateur (Spark Gap) où se produit l'étincelle émettrice

Bobine d'induction

Le dispositif de l'expérience de Hertz (1887)

Source : Radartutorial

Photographie par Hertz 1887.jpg

L'appareil de Hertz pour son expérience de 1887, photographié par lui même. (Source : Burmester und Niehaus, 2012)

Décharge d'éteincelle au niveau du dipôle.jpg

Décharge d'étincelle au niveau du dipôle
(Source : Burmester und Niehaus, 2012)

Inducteur d'étincelles Keiser & Schmidt.jpg

Bobine d'induction 
(Source : Burmester und Niehaus, 2012)

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Miroirs paraboliques utilisés par Hertz 
(Source : Burmester und Niehaus, 2012))

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Les miroirs parfaboliques conservés au Deutsche Museum de Bonn 
​(Source : Burmester und Niehaus, 2012))

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Expérience de mesure de transmission des ondes dans la salle de l'auditorium de l'Institut de Bonn
(Source : Burmester und Niehaus, 2012)) 

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Grille métallique pour la détection des ondes électromagnétiques (Source : Burmester und Niehaus, 2012))

Les appareils sur les photos sont des copies de ceux utilisés par Hertz, conservées au Deutsches Museum de Bonn. Remerciements à R. Burmester pour l'autorisation de reproduction.

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