Électromagnétisme

L'électromagnétisme est la branche de la physique qui étudie les interactions entre particules chargées électriquement, qu'elles soient au repos ou en mouvement, et plus généralement les effets de l' électricité, en utilisant la notion de champ électromagnétique. Il est d'ailleurs possible de définir l'électromagnétisme comme l'étude du champ électromagnétique et de son interaction avec les particules chargées.

L'électromagnétisme est, avec la mécanique, une des grandes branches de la physique dont le domaine d'application est considérable. Ainsi, outre l' électricité, l'électromagnétisme permet de comprendre l'existence des ondes électromagnétiques, c'est-à-dire aussi bien les ondes radio que la lumière, ou encore les micro-ondes et le rayonnement gamma. De ce point de vue, l' optique tout entière peut être vue comme une application de l'électromagnétisme. L' interaction électromagnétique est également une des quatre interactions fondamentales qui permet de comprendre (avec la mécanique quantique) l'existence, la cohésion et la stabilité des édifices chimiques tels que les atomes ou les molécules, des plus simples aux plus complexes.

Du point de vue de la physique fondamentale, le développement théorique de l'électromagnétisme classique est à la source de la théorie de la relativité restreinte au début du XXe siècle. La nécessité de concilier théorie électromagnétique et mécanique quantique a conduit à construire l' électrodynamique quantique, qui interprète l'interaction électromagnétique comme un échange de particules appelées photons [N 1]. En physique des particules, l'interaction électromagnétique et l' interaction faible sont unifiées dans le cadre de la théorie électrofaible.

Histoire

Pendant longtemps la « force électrique » et la « force magnétique » ont été considérées comme séparées. Elles semblaient n'avoir aucun rapport l'une avec l'autre. Ainsi les Grecs avaient remarqué que des morceaux d' ambre frottés pouvaient attirer des corps légers, tels des copeaux ou de la poussière, un exemple de manifestation de la « force électrique ». De même, l'existence d'un minéral capable d'attirer le fer et d'autres métaux ferreux, la magnétite ou « pierre d' aimant », également connue depuis l' Antiquité, était vue comme un exemple de manifestation de la « force magnétique [N 2] ».

La découverte au XIXe siècle par Ørsted, Ampère et Faraday de l'existence d'effets magnétiques de l'électricité a conduit progressivement à envisager que les forces « électrique » et « magnétique » puissent être en fait unifiées, et Maxwell propose en 1860 une théorie générale de l'électromagnétisme classique, qui pose les fondements de la théorie moderne.

William Gilbert, le premier, dans son De Magnete 1600, fait la distinction entre corps électriques (il introduit ce terme) et magnétiques. Il assimile la Terre à un aimant, note les lois de répulsion et d'attraction des aimants par leurs pôles et l'influence de la chaleur sur le magnétisme du fer. Il donne aussi les premières notions sur l'électricité, dont une liste des corps électrisables par frottement.

  • En 1803, Johann Ritter, conjecture que la Terre doit avoir « des pôles électriques comme elle a des pôles magnétiques » [1]. On connaît depuis longtemps l'aimantation des paratonnerres et l'affolement des boussoles touchées par la foudre.
  • En 1809, François Arago, lors d'un voyage forcé en Algérie, rapporte « qu'un bâtiment génois, qui faisait route pour Marseille, fut frappé par la foudre à peu de distance d'Alger ; que les aiguilles de boussole firent toutes une demi-révolution, quoique ces aiguilles ne parussent pas endommagées. » [2]
  • En 1820, le Danois Hans Christian Ørsted fait une observation extraordinaire : un fil rectiligne parcouru par un courant continu dévie l'aiguille d'une boussole placée à proximité.
  • En 1831, Michael Faraday étudie le comportement d'un courant dans un champ magnétique, et s'aperçoit que celui-ci peut produire du travail. Ørsted avait découvert qu'un courant électrique produit un champ magnétique, Faraday découvre qu'un champ magnétique engendre un courant électrique. Il découvre ainsi le principe du moteur électrique, et donc la conversion du travail mécanique en énergie électrique, inventant ainsi la génératrice de courant. Dans un article de 1852 (On the Physical Character of the Lines of Magnetic Force), Faraday dévoile l'existence du champ magnétique en décrivant les « lignes de force » le long desquelles s'oriente la limaille de fer au voisinage de l'aimant.
  • En 1864, James Maxwell unifie les théories antérieures, comme l' électrostatique, l' électrocinétique ou la magnétostatique. Cette théorie unifiée explique, entre autres, le comportement des charges et courants électriques, des aimants, ou des ondes électromagnétiques, telles la lumière ou les ondes radio. L'électromagnétisme est né.
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