Les interactions électromagnétiques

Vous avez dit "Électromagnétisme" ?

L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique, produit par les sources du champ que sont les charges électriques et leurs mouvements. Ce champ produit agit à son tour sur les charges [1].

• Les équations de Maxwell déterminent le champ électromagnétique à partir des sources, des charges et des courants. Le champ exerce quant à lui sur la matière une action mécanique, la force de Lorentz, qui explique l'interaction électromagnétique.

• L'interaction électromagnétique est une des quatre interactions fondamentales. Elle explique le comportement des objets de l'échelle atomique (comportement des électrons, des atomes et des molécules).

Domaines associés à l'électromagnétisme

L’électromagnétisme englobe différents domaines dont l'électricité, regroupant les phénomènes électriques et magnétiques suivants [1] :

• L’électrostatique : Les systèmes de charges électriques à l’équilibre,

• La magnétostatique : Les phénomènes créés par un courant électrique stationnaire,

• L'induction magnétique : Les phénomènes magnétiques créés par un courant électrique variable,

• L'électrodynamique : Les interactions dynamiques entre courants électriques,

  • L’électronique : L'utilisation de tension, de courants généralement faibles et de phénomènes quantiques. L’électronique sert essentiellement pour le transfert, le contrôle et le traitement de l’information, et 

  • L’électrocinétique ou l'électrotechnique : L’utilisation de tensions, de courants moyens à élevés pour des applications domestiques et industrielles (chauffage, transformateurs, moteurs électriques, électrolyse, électroménager, distribution, automatisation, ...).

• La radioélectricité : Les transmissions par ondes électromagnétiques.

L'interaction électromagnétique

L'interaction électromagnétique est l'interaction fondamentale dont les effets sont les plus fréquents dans la vie courante. Ainsi la quasi-totalité des phénomènes de la vie quotidienne (en dehors de la pesanteur) découle de l'électromagnétisme [2].

L'effet de l'interaction électromagnétique peut être attractif ou répulsif. Ces différences sont faciles à vérifier par les effets électrostatiques ou magnétiques (feuilles de papier, aimants, etc...).

L'interaction électromagnetique s'applique à toute particule possédant une charge électrique non-nulle. Il existe des charges électriques positives et négatives. Les particules élémentaires libres possèdent des charges électriques quantifiées, c'est à dire qu'elles ont toutes une charge électrique égale à un nombre entier de fois la charge électrique élémentaire appelée e = 1,6.10^-19 C. Un électron a une charge électrique -e et un proton une charge électrique +e. Le fait que les charges électriques soient quantifiées n'est toujours pas compris à l'heure actuelle. Les charges électriques sont additives. Le système formé par un proton et un électron (un atome d'hydrogène) a donc une charge électrique nulle. Il est donc électriquement neutre (i.e. il est insensible à l'interaction électromagnétique). Les atomes, et donc la matière ordinaire, sont ainsi électriquement neutres.

La force coulombienne dérivée des équations de Maxwell (que nous allons traiter dans un prochain article) permet de calculer les effets électrostatiques sur des charges électriques au repos. Le champ électrique créé par une charge électrique Q (en Coulomb, noté C) situé à une distance d (en mètres, noté m) est donné par :

E = 8,99.10⁹ Q/d²

La force coulombienne subie par une charge électrique q (en C) est alors :

F = q.E

On voit que le signe de F dépend du signe du produit Q.q : si les deux charges Q et q sont du même signe, l'effet est répulsif, sinon il est attractif. L'intensité de cette force est très importante. Par exemple, la force de répulsion électrostatique entre deux personnes de 80 kg situées à une distance d'1 m, si chacune de ces personnes avait un excès d'un électron sur un million, serait F = 10¹⁷ N soit la même force que le poids d'un objet de dix mille milliards de tonnes à la surface de la Terre ! Heureusement, la matière est électriquement neutre, ce qui permet de ne pas subir ce genre d'effet dans la vie courante...

La particule vecteur de l'interaction électromagnétique est le photon. Ainsi, bien plus qu'un ``grain de lumière'', ou tout simplement l'aspect corpusculaire des ondes électromagnétiques, le photon est aussi la particule de rayonnement échangée par les particules de matière lorsqu'elles interagissent par électromagnétisme. Le photon a une masse nulle, ce qui permet donc des interactions électromagnétiques à une distance infinie, bien sûr avec une diminution de l'intensité. Le photon se déplace à la vitesse de la lumière c = 299792458 m/s, ce qui semble être une tautologie mais, en fait, la lumière se déplace à cette vitesse parce que le photon a une masse nulle (dans la théorie de la relativité restreinte, une particule de masse nulle ne peut pas être au repos et doit se déplacer à la vitesse c)... Il se trouve seulement que cette vitesse universelle c a été mesurée pour la première fois avec de la lumière.

De façon plus générale, une interation électromagnétiqiue peut être définit en utilisant la force de Lorentz. En effet, la force de Lorentz désigne [3] :

où

• est la Force électromagnétique ou Force de Lorentz, en newton (noté N)
• est la charge de la particule, en coulomb (noté C)
• est le champ électrique, en volt par mètre (noté V/m)
• est la vitesse de la particule, en mètre par seconde (noté m/s)
• est le champ magnétique, en tesla (noté T)

Toutes ces grandeurs sont mesurées dans le même référentiel galiléen au point où se trouve la particule.

Le cas particulier de cette force appliquée à une charge q en l'absence de champ électrique.

C'est alors la force magnétique qu'on appelle généralement force de Laplace, dont l'expression est :

où

• est la vitesse de la particule chargée

• est le champ magnétique

Nous en déduisons donc que la force de Lorentz, dans le cas la plus générale, est la somme de la force Coulombienne (force électrique ou interaction électrique appliquée sur la charge) et la force de Laplace (force/interaction purement magnétique).

Références

[1] http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectromagn%C3%A9tisme

[2] http://www.cerimes.education.fr/e_doc/forces/electromagnetique.htm

[3] http://fr.wikipedia.org/wiki/Force_de_Lorentz