Électromagnétisme

L’électromagnétisme est Une branche de la physique impliquant l’étude de la force électromagnétique , un type d’ Interaction physique qui se produit entre des particules chargées électriquement . La force électromagnétique est portée par des champs électromagnétiques composés de champs électriques et de champs magnétiques , et elle est responsable des rayonnements électromagnétiques tels que la lumière . C’est l’Une des quatre interactions fondamentales (communément appelées forces) dans la nature , avec l’ interaction forte , l’ interaction faible, et la Gravitation . ^[1] À haute énergie, la force faible et la force électromagnétique sont unifiées en Une seule force électrofaible .

Aurore en Alaska montrant la lumière créée par des particules chargées et le magnétisme , concepts fondamentaux de l’étude de l’électromagnétisme

Les phénomènes électromagnétiques sont définis en termes de force électromagnétique, parfois appelée force de Lorentz , qui comprend à la fois l’électricité et le magnétisme en tant que différentes manifestations du même phénomène. La force électromagnétique joue un rôle majeur dans la détermination des propriétés internes de la plupart des objets rencontrés dans la vie quotidienne. L’attraction électromagnétique entre les Noyaux atomiques et leurs électrons orbitaux maintient les atomes ensemble. Les forces électromagnétiques sont responsables des liaisons chimiques entre les atomes qui créent les molécules et les forces intermoléculaires. La force électromagnétique régit tous les processus chimiques, qui résultent des interactions entre les électrons des atomes voisins. L’électromagnétisme est très largement utilisé dans la technologie moderne, et la théorie électromagnétique est à la base de l’ingénierie de l’énergie électrique et de l’électronique , y compris la technologie numérique.

Il existe de nombreuses descriptions mathématiques du champ électromagnétique . Plus important encore, les équations de Maxwell décrivent comment les champs électriques et magnétiques sont générés et modifiés les uns par les autres et par les charges et les courants.

Les implications théoriques de l’électromagnétisme, en particulier l’établissement de la vitesse de la lumière en fonction des propriétés du “milieu” de propagation ( perméabilité et permittivité ), ont conduit au développement de la relativité restreinte par Albert Einstein en 1905.

Histoire de la théorie

Hans Christian Ørsted

À l’origine, l’électricité et le magnétisme étaient considérés comme deux forces distinctes. Ce point de vue a changé avec la publication de 1873 A Treatise on Electricity and Magnetism de James Clerk Maxwell ^[2] dans lequel les interactions des charges positives et négatives se sont révélées être médiées par Une seule force. Quatre effets principaux résultent de ces interactions, qui ont tous été clairement démontrés par des expériences :

1. Charges électriquesattirer ou se repoussent avec Une forceinversement proportionnelleau carré de la distance qui les sépare : des charges différentes s’attirent, des charges semblables se repoussent.
2. Les pôles magnétiques (ou états de polarisation en des points individuels) s’attirent ou se repoussent d’Une manière similaire aux charges positives et négatives et existent toujours par paires : chaque pôle nord est relié à un pôle sud.
3. Un courant électrique à l’intérieur d’un fil crée un champ magnétique circonférentiel correspondant à l’extérieur du fil. Son sens (sens horaire ou anti-horaire) dépend du sens du courant dans le fil.
4. Un courant est induit dans Une boucle de fil lorsqu’il est déplacé vers ou loin d’un champ magnétique, ou un aimant est déplacé vers ou loin de celui-ci; le sens du courant dépend de celui du mouvement.

André-Marie Ampère

En avril 1820, Hans Christian Ørsted a observé qu’un courant électrique dans un fil faisait bouger Une aiguille de boussole à proximité. Au moment de la découverte, Ørsted n’a suggéré aucune explication satisfaisante du phénomène, ni essayé de représenter le phénomène dans un cadre mathématique. Cependant, trois mois plus tard, il a commencé des enquêtes plus approfondies. ^{[3] [4]} Peu de temps après, il a publié ses découvertes, prouvant qu’un courant électrique produit un champ magnétique lorsqu’il circule à travers un fil. L’ unité CGS d’ induction magnétique ( oersted ) est nommée en l’honneur de ses contributions au domaine de l’électromagnétisme. ^[5]

James Greffier Maxwell

Ses découvertes ont donné lieu à des recherches intensives dans toute la communauté scientifique en Électrodynamique . Ils ont influencé les développements du physicien français André-Marie Ampère d’Une forme mathématique unique pour représenter les forces magnétiques entre les conducteurs porteurs de courant. La découverte d’Ørsted a également représenté Une étape majeure vers un concept unifié de l’énergie.

Cette unification, qui a été observée par Michael Faraday , prolongée par James Clerk Maxwell , et partiellement reformulée par Oliver Heaviside et Heinrich Hertz , est l’Une des réalisations clés de la physique mathématique du XIXe SIècle . ^[6] Cela a eu des conséquences de grande envergure, dont l’Une était la compréhension de la nature de la lumière . Contrairement à ce qui était proposé par la théorie électromagnétique de l’époque, la lumière et les autres ondes électromagnétiques sont actuellement considérées comme prenant la forme de perturbations de champ électromagnétique oscillatoire quantifiées et auto-propagées appelées photons .. Différentes fréquences d’oscillation donnent naissance aux différentes formes de rayonnement électromagnétique , des ondes radio aux fréquences les plus basses, à la lumière visible aux fréquences intermédiaires, aux rayons gamma aux fréquences les plus élevées.

Ørsted n’était pas la seule personne à examiner la relation entre l’électricité et le magnétisme. En 1802, Gian Domenico Romagnosi , un juriste italien, a dévié Une aiguille magnétique à l’aide d’Une pile voltaïque. La configuration factuelle de l’expérience n’est pas complètement claire, donc SI le courant a traversé l’aiguille ou non. Un compte rendu de la découverte a été publié en 1802 dans un journal italien, mais il a été largement ignoré par la communauté scientifique contemporaine, car Romagnosi n’appartenait apparemment pas à cette communauté. ^[7]

Un lien plus ancien (1735), et souvent négligé, entre l’électricité et le magnétisme a été rapporté par un certain Dr Cookson. ^[8] Le récit indiquait :

Un commerçant à Wakefield dans le Yorkshire, ayant placé un grand nombre de couteaux et de fourchettes dans Une grande boîte… et ayant placé la boîte dans le coin d’Une grande pièce, il se produisit un orage soudain de tonnerre, d’éclairs, etc. … Le propriétaire vidant la caisse sur un comptoir où reposaient des clous, les personnes qui prenaient les couteaux, qui reposaient sur les clous, constataient que les couteaux prenaient les clous. Sur ce, tout le nombre a été essayé et trouvé faire de même, et cela, à un degré tel qu’il pouvait prendre de gros clous, des aiguilles à emballer et d’autres objets en fer d’un poids considérable …

ET Whittaker a suggéré en 1910 que cet événement particulier était responsable de la foudre à « créditer du pouvoir de magnétiser l’acier ; et c’est sans doute ce qui a conduit Franklin en 1751 à tenter de magnétiser Une aiguille à coudre au moyen de la décharge de pots de Leyde. .” ^[9]

Forces fondamentales

Représentation du vecteur champ électrique d’Une onde de rayonnement électromagnétique polarisé circulairement.

La force électromagnétique est l’Une des quatre Forces fondamentales connues . Les autres Forces fondamentales sont :

• la force nucléaire forte , qui lie les quarks pour former des nucléons , et lie les nucléons pour former des noyaux .
• la force nucléaire faible , qui se lie à toutes les particules connues dans le modèle standard , et provoque certaines formes de désintégration radioactive . (En physique des particules cependant, l’ interaction électrofaible est la description unifiée de deux des quatre interactions fondamentales connues de la nature : l’électromagnétisme et l’interaction faible) ;
• la force gravitationnelle .

Toutes les autres forces (par exemple, le frottement , les forces de contact) sont dérivées de ces quatre Forces fondamentales et sont appelées forces non fondamentales . ^[dix]

La force électromagnétique est responsable de pratiquement tous les phénomènes que l’on rencontre dans la vie quotidienne au-dessus de l’échelle nucléaire, à l’exception de la gravité. En gros, toutes les forces impliquées dans les interactions entre atomes peuvent s’expliquer par la force électromagnétique agissant entre les Noyaux atomiques chargés électriquement et les électrons des atomes. Les forces électromagnétiques expliquent également comment ces particules transportent la quantité de mouvement par leur mouvement. Cela inclut les forces que nous subissons en “poussant” ou en “tirant” des objets matériels ordinaires, qui résultent des forces intermoléculaires qui agissent entre les molécules individuellesdans nos corps et ceux dans les objets. La force électromagnétique est également impliquée dans toutes les formes de phénomènes chimiques .

Une partie nécessaire de la compréhension des forces intra-atomiques et intermoléculaires est la force effective générée par l’élan du mouvement des électrons, de sorte que lorsque les électrons se déplacent entre les atomes en interaction, ils entraînent avec eux l’élan. À mesure qu’Une collection d’électrons devient plus confinée, leur impulsion minimale augmente nécessairement en raison du principe d’ exclusion de Pauli . Le comportement de la matière à l’échelle moléculaire, y compris sa densité, est déterminé par l’équilibre entre la force électromagnétique et la force générée par l’échange de quantité de mouvement porté par les électrons eux-mêmes. ^[11]

Électrodynamique classique

En 1600, William Gilbert proposa, dans son De Magnete , que l’électricité et le magnétisme, bien que capables tous deux de provoquer l’attraction et la répulsion des objets, étaient des effets distincts. Les marins avaient remarqué que la foudre avait la capacité de perturber Une aiguille de boussole. Le lien entre la foudre et l’électricité n’a pas été confirmé jusqu’aux expériences proposées par Benjamin Franklin en 1752. L’un des premiers à découvrir et à publier un lien entre le courant électrique artificiel et le magnétisme fut Gian Romagnosi , qui en 1802 remarqua que la connexion d’un fil à travers Une pile voltaïque a dévié Une boussole à proximitéaiguille. Cependant, l’effet n’est devenu largement connu qu’en 1820, lorsque Ørsted a réalisé Une expérience similaire. ^[12] Le travail d’Ørsted a influencé Ampère pour produire Une théorie d’électromagnétisme qui a placé le sujet sur Une fondation mathématique.

Une théorie de l’électromagnétisme, connue sous le nom d’ électromagnétisme classique , a été développée par divers physiciens entre 1820 et 1873 lorsqu’elle a abouti à la publication d’un traité de James Clerk Maxwell , qui unifie les développements précédents en Une seule théorie et découvre la nature électromagnétique. de la lumière. ^[13] Dans l’électromagnétisme classique, le comportement du champ électromagnétique est décrit par un ensemble d’équations connues sous le nom d’ équations de Maxwell , et la force électromagnétique est donnée par la loi de force de Lorentz . ^[14]

L’Une des particularités de l’électromagnétisme classique est qu’il est difficilement conciliable avec la mécanique classique , mais il est compatible avec la relativité restreinte. Selon les équations de Maxwell, la vitesse de la lumière dans le vide est Une constante universelle qui ne dépend que de la permittivité électrique et de la Perméabilité magnétique de l’Espace libre . Cela viole l’invariance galiléenne , Une pierre angulaire de longue date de la mécanique classique. Une façon de concilier les deux théories (électromagnétisme et mécanique classique) est de supposer l’existence d’un éther luminifèreà travers lequel se propage la lumière. Cependant, les efforts expérimentaux ultérieurs n’ont pas réussi à détecter la présence de l’éther. Après d’importantes contributions d’ Hendrik Lorentz et d’ Henri Poincaré , en 1905, Albert Einstein résout le problème avec l’introduction de la relativité restreinte, qui remplace la cinématique classique par Une nouvelle théorie de la cinématique compatible avec l’électromagnétisme classique. (Pour plus d’informations, voir Histoire de la relativité restreinte .)

De plus, la théorie de la relativité implique que dans des cadres de référence en mouvement, un champ magnétique se transforme en un champ avec Une composante électrique non nulle et inversement, un champ électrique en mouvement se transforme en Une composante magnétique non nulle, montrant ainsi fermement que les phénomènes sont les deux côtés de la même monnaie. D’où le terme “électromagnétisme”. (Pour plus d’informations, voir Électromagnétisme classique et relativité restreinte et Formulation covariante de l’électromagnétisme classique .)

Extension aux phénomènes non linéaires

La reconnexion magnétique dans le plasma solaire donne lieu aux éruptions solaires , un phénomène magnétohydrodynamique complexe.

Les équations de Maxwell sont linéaires, en ce sens qu’un changement dans les sources (les charges et les courants) entraîne un changement proportionnel des champs. Une dynamique non linéaire peut se produire lorsque des champs électromagnétiques se couplent à de la matière qui suit des lois dynamiques non linéaires. Ceci est étudié, par exemple, dans le sujet de la magnétohydrodynamique , qui combine la théorie de Maxwell avec les équations de Navier-Stokes .

Quantités et unités

Les unités électromagnétiques font partie d’un système d’unités électriques basé principalement sur les propriétés magnétiques des courants électriques, l’unité SI fondamentale étant l’ampère. Les unités sont :

• ampère (courant électrique)
• coulomb (charge électrique)
• farad (capacité)
• Henry (inductance)
• ohms (résistance)
• siemens (conductance)
• tesla (densité de flux magnétique)
• volt (potentiel électrique)
• watt (puissance)
• weber (flux magnétique)

Dans le système CGS électromagnétique , le courant électrique est Une grandeur fondamentale définie via la loi d’Ampère et prend la perméabilité comme Une grandeur sans dimension (perméabilité relative) dont la valeur dans le vide est l’unité . En conséquence, le carré de la vitesse de la lumière apparaît explicitement dans certaines des équations reliant les quantités de ce système.

Unités d’électromagnétisme SI v t e
Symbole [15]	Nom de la quantité	Nom de l’unité	Symbole	Unités de base
E	énergie	joule	J	kg⋅m 2 ⋅s −2 = C⋅V
Q	charge électrique	coulomb	C	A⋅s
je	courant électrique	ampère	UN	A (= W/V = C/s)
J	densité de courant électrique	ampère par mètre carré	A/m 2	A⋅m −2
Δ V ; Δφ ; _ ε	Différence de potentiel ; tension ; force électromotrice	volt	V	J/C = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
R ; Z ; X	Résistance électrique ; impédance ; réactance	ohm	Ω	V/A = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −2
ρ	résistivité	ohmmètre _	Ω⋅m	kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −2
P	pouvoir électrique	watt	O	V⋅A = kg⋅m 2 ⋅s −3
C	capacitance	farad	F	C/V = kg −1 ⋅m −2 ⋅A 2 ⋅s 4
ΦE _	un flux électrique	voltmètre _	V⋅m	kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −1
E	intensité du champ électrique	volt par mètre	V/m	N/C = kg⋅m⋅A −1 ⋅s −3
ré	champ de déplacement électrique	coulomb par mètre carré	C/m 2	A⋅s⋅m −2
ε	permittivité	farad par mètre	F/mois	kg −1 ⋅m −3 ⋅A 2 ⋅s 4
χ e	susceptibilité électrique	( sans dimension )	1	1
G ; Y ; B	conductivité ; admission ; susceptibilité	Siemens	S	Ω −1 = kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2
κ , γ , σ	conductivité	siemens par mètre	S/mois	kg −1 ⋅m −3 ⋅s 3 ⋅A 2
B	densité de flux magnétique, induction magnétique	Tesla	J	Wb/m 2 = kg⋅s −2 ⋅A −1 = N⋅A −1 ⋅m −1
Φ , Φ M , Φ B	Flux magnétique	Weber	Wb	V⋅s = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1
H	intensité du champ magnétique	ampère par mètre	Un m	A⋅m −1
L , M	inductance	Henri	H	Wb/A = V⋅s/A = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −2
μ	perméabilité	henry par mètre	H/m	kg⋅m⋅s −2 ⋅A −2
χ	susceptibilité magnétique	( sans dimension )	1	1
μ	moment dipolaire magnétique	ampère mètre carré	A⋅m 2	A⋅m 2 = J⋅T −1 = 10 3 uem
σ	aimantation de masse	ampère mètre carré par kilogramme	A⋅m 2 /kg	A⋅m 2 ⋅kg −1 = emu⋅g −1 = erg⋅G −1 ⋅g −1

Les formules des lois physiques de l’électromagnétisme (telles que les équations de Maxwell ) doivent être ajustées en fonction du système d’unités utilisé. En effet, il n’y a pas de correspondance biunivoque entre les unités électromagnétiques du SI et celles du CGS, comme c’est le cas pour les unités mécaniques. De plus, au sein de CGS, il existe plusieurs choix plausibles d’unités électromagnétiques, conduisant à différents “sous-systèmes” d’unités, notamment Gaussian , “ESU”, “EMU” et Heaviside – Lorentz . Parmi ces choix, les unités gaussiennes sont les plus courantes aujourd’hui, et en fait l’expression «unités CGS» est souvent utilisée pour désigner spécifiquement les unités CGS-gaussiennes . ^[16]

Voir également

• Force d’Abraham-Lorentz
• Levés aéromagnétiques
• Électromagnétique computationnelle
• Expérience à double fente
• Électro-aimant
• Induction électromagnétique
• Équation des ondes électromagnétiques
• Diffusion électromagnétique
• Électromécanique
• Géophysique
• Introduction à l’électromagnétisme
• Magnétostatique
• Champ magnétoquasistatique
• Optique
• Électromagnétisme relativiste
• Théorie de l’absorbeur Wheeler – Feynman

Références

1. ^ Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Principes fondamentaux de l’électromagnétisme appliqué (6e éd.). Boston : Apprenti Hall. p. 13 . ISBN 978-0-13-213931-1.
2. ^ “Un traité sur l’électricité et le magnétisme” . Nature . 7 (182): 478–480. 24 avril 1873. doi : 10.1038/007478a0 . ISSN 0028-0836 .
3. ^ “Histoire du télégraphe électrique” . Scientifique américain . 17 (425supp): 6784–6786. 1884-02-23. doi : 10.1038/scientificamerican02231884-6784supp . ISSN 0036-8733 .
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6. ^ Darrigol, Olivier (2000). L’Électrodynamique d’Ampère à Einstein . New York : presse universitaire d’Oxford. ISBN 0198505949.
7. ^ Martins, Roberto de Andrade. “Romagnosi et Volta’s Pile: premières difficultés dans l’interprétation de l’électricité voltaïque” (PDF) . Dans Fabio Bevilacqua; Lucio Fregonese (dir.). Nuova Voltiana : Études sur Volta et son époque . Vol. 3. Università degli Studi di Pavia. p. 81–102. Archivé de l’original (PDF) le 2013-05-30 . Récupéré le 02/12/2010 .
8. ^ VIII. Un compte rendu d’un effet extraordinaire de la foudre dans la communication du magnétisme. Communiqué par Pierce Dod, MDFRS du Dr Cookson de Wakefield dans le Yorkshire. Phil. Trans. 1735 39, 74-75, publié le 1er janvier 1735
9. ^ Whittaker, ET (1910). Une histoire des théories de l’éther et de l’électricité de l’âge de Descartes à la fin du XIXe SIècle . Longmans, Green et compagnie.
10. ^ Browne, “Physique pour l’ingénierie et la science”, p. 160 : « La gravité est Une des Forces fondamentales de la nature. Les autres forces telles que le frottement, la tension et la force normale sont dérivées de la force électrique, Une autre des Forces fondamentales. La gravité est Une force plutôt faible… La force électrique la force entre deux protons est beaucoup plus forte que la force gravitationnelle entre eux.”
11. ^ Purcell, “Électricité et magnétisme, 3e édition”, p. 546: Ch 11 Section 6, “Spin électronique et moment magnétique.”
12. ^ Stern, Dr David P.; Peredo, Mauricio (2001-11-25). “Champs magnétiques – Histoire” . Centre de vol spatial Goddard de la NASA . Récupéré le 27/11/2009 .
13. ^ Purcell, p. 436. Chapitre 9.3, “La description de Maxwell du champ électromagnétique était essentiellement complète.”
14. ↑ Purcell : p. 278 : Chapitre 6.1, « Définition du champ magnétique ». Force de Lorentz et équation de force.
15. ^ Union internationale de chimie pure et appliquée (1993). Quantités, unités et symboles en chimie physique , 2e édition, Oxford : Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . p. 14–15. Version électronique.
16. ^ “Conversion des formules et des quantités entre les systèmes d’unités” (PDF) . www.stanford.edu . Récupéré le 29 janvier 2022 .

Lectures complémentaires

Sources Web

• Nave, R. “Électricité et magnétisme” . Hyperphysique . Université d’État de Géorgie . Récupéré le 12/11/2013 .
• Khutoryansky, E. “Électromagnétisme – Lois de Maxwell” . Youtube . Récupéré le 28/12/2014 .

Manuels scolaires

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Références générales

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Liens externes

Wikiquote a des citations liées à l’ électromagnétisme .

• Convertisseur d’intensité de champ magnétique
• Force électromagnétique – du monde de la physique d’Eric Weisstein
• La déviation d’Une aiguille de boussole magnétique par un courant dans un fil (vidéo) sur YouTube