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Électromagnétisme

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Électromagnétisme
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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 présente généralement des champs électromagnétiques tels que des champs électriques, magnétiques et de la lumière, et constitue l’une des quatre interactions fondamentales (communément appelées forces) dans la nature. Les trois autres interactions fondamentales sont l’interaction forte, l’interaction faible et la gravitation. À haute énergie, la force faible et la force électromagnétique sont unifiées en une seule force électrofaible.

Lightning(La foudre est une décharge électrostatique qui se déplace entre deux régions chargées.)

Les phénomènes électromagnétiques sont définis en termes de force électromagnétique, parfois appelée force de Lorentz, qui inclut à la fois l’électricité et le magnétisme en tant que manifestations différentes 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. La matière ordinaire prend sa forme à la suite de forces intermoléculaires entre des atomes et des molécules individuels dans la matière et est une manifestation de la force électromagnétique. Les électrons sont liés par la force électromagnétique aux noyaux atomiques, et leurs formes orbitales et leur influence sur les atomes proches avec leurs électrons sont décrites par la mécanique quantique. La force électromagnétique régit tous les processus chimiques résultant d’interactions entre les électrons des atomes voisins.

Il existe de nombreuses descriptions mathématiques du champ électromagnétique. En électrodynamique classique, les champs électriques sont décrits comme le potentiel électrique et le courant électrique. Dans la loi de Faraday, les champs magnétiques sont associés à l’induction et au magnétisme électromagnétiques, et les équations de Maxwell décrivent comment les champs électriques et magnétiques sont générés et modifiés les uns par les autres, ainsi que par les charges et les courants.

Les implications théoriques de l’électromagnétisme, notamment l’établissement de la vitesse de la lumière sur la base des propriétés du « milieu » de propagation (perméabilité et permittivité), ont conduit au développement de la relativité restreinte par Albert Einstein en 1905.

Forces fondamentales

La force électromagnétique est l’une des quatre forces fondamentales connues. Les autres forces fondamentales sont:

  • la force nucléaire faible, qui lie 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 nucléaire forte, qui lie les quarks pour former des nucléons et les nucléons pour former des noyaux
  • la force gravitationnelle.

Toutes les autres forces (par exemple, frottement, forces de contact) sont dérivées de ces quatre forces fondamentales (y compris la quantité de mouvement entraînée par le mouvement des particules).

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 être expliquées par la force électromagnétique agissant entre les noyaux atomiques chargés électriquement et les électrons des atomes. Les forces électromagnétiques expliquent également comment ces particules transmettent leur impulsion par leur mouvement. Cela inclut les forces que nous éprouvons en « poussant » ou en « tirant » des objets matériels ordinaires, qui résultent des forces intermoléculaires qui agissent entre les molécules individuelles de notre corps et celles des objets. La force électromagnétique est également impliquée dans toutes les formes de phénomènes chimiques.

Un élément nécessaire à la compréhension des forces intra-atomiques et intermoléculaires est la force effective générée par la quantité de mouvement des électrons, de sorte que les électrons se déplacent entre des atomes qui portent la quantité de mouvement avec eux. 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.

Électrodynamique classique

En 1600, William Gilbert a proposé, dans son De Magnete, que l’électricité et le magnétisme, tout en étant capables de provoquer l’attraction et la répulsion d’objets, sont des effets distincts. Les marins avaient remarqué que la foudre avait le pouvoir de déranger une aiguille de compas. Le lien entre la foudre et l’électricité n’a pas été confirmé que par les expériences proposées par Benjamin Franklin en 1752. L’un des premiers à découvrir et à publier un lien entre le courant électrique créé par l’homme et le magnétisme a été Romagnosi. En 1802, il a remarqué que la connexion d’un fil à une pile voltaïque dévie une aiguille de boussole à proximité. Cependant, l’effet n’est devenu largement connu qu’en 1820, lorsque Ørsted a réalisé une expérience similaire. Les travaux de Ørsted ont incité Ampère à produire une théorie de l’électromagnétisme qui fonde le sujet sur des bases mathématiques.

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 a uni les développements précédents en une seule théorie et a découvert la nature électromagnétique de la lumière. En 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.

Une des particularités de l’électromagnétisme classique est qu’il est difficile de concilier 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, pierre angulaire de la mécanique classique. Une façon de réconcilier les deux théories (électromagnétisme et mécanique classique) consiste à supposer l’existence d’un éther luminifère à travers lequel se propage la lumière. Cependant, les efforts expérimentaux ultérieurs n’ont pas permis de détecter la présence de l’éther. Après d’importantes contributions de Hendrik Lorentz et Henri Poincaré, en 1905, Albert Einstein résolut le problème par l’introduction de la relativité restreinte, qui remplaça la cinématique classique par une nouvelle théorie de la cinématique compatible avec l’électromagnétisme classique.

En outre, la théorie de la relativité implique que, dans les cadres de référence mobiles, un champ magnétique se transforme en champ avec une composante électrique non nulle et que, inversement, un champ électrique mobile se transforme en une composante magnétique non nulle, montrant ainsi que les phénomènes sont deux faces d’une même pièce. D’où le terme « électromagnétisme ».

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