L'électromagnétisme

électromagnétisme, branche de la physique qui étudie l’ensemble des phénomènes électriques et magnétiques. L’électromagnétisme repose sur quatre équations fondamentales formulées par James Maxwell en 1873.

ÉTENDUE DE L’ÉLECTROMAGNÉTISME

Lignes de champ électrique Le diagramme de gauche représente les lignes de champ correspondant au champ électrique créé par deux charges positives. Le diagramme de droite figure les lignes de champ associées au champ électrique généré par deux charges de signe contraire. Chaque ligne de champ est tangente en chaque point à la direction du champ.

L’électromagnétisme comporte plusieurs parties. L’électrostatique étudie les champs électriques constants et leurs influences sur les charges électriques. Ces champs peuvent prendre naissance dans le vide ou dans la matière, celle-ci pouvant être isolante ou conductrice du courant électrique. Lorsque l’on étudie l’action du champ électrique dans les circuits fermés de matériaux conducteurs, on entre dans le domaine de l’électrocinétique que l’on a coutume d’appeler improprement électricité. Le mariage de l’électricité et des composants actifs nés de l’application de la physique du solide a donné naissance à l’électronique. La magnétostatique comprend l’étude des champs magnétiques constants dans le vide et la matière, en particulier des aimants et de leurs actions sur les particules chargées.

Pour mettre en évidence le champ magnétique créé par un aimant, on peut placer de la limaille de fer à proximité de ce dernier. Les parcelles métalliques se regroupent alors pour former des courbes correspondant aux lignes de champ. Plus les courbes sont proches, plus l’intensité du champ magnétique est grande.

Lorsque l’on s’intéresse aux champs dépendant du temps, il faut alors utiliser les lois de l’électrodynamique. En effet, un champ électrique variable dans le temps crée systématiquement un champ magnétique et inversement. L’électrodynamique permet de décrire la lumière ainsi que tous les rayonnements connus par des ondes électromagnétiques. L’électrodynamique est donc à la base de toute l’optique physique. Les variations des champs se propageant à la vitesse de la lumière, il est nécessaire de se placer dans le cadre de la relativité restreinte. Les physiciens ont pour habitude de réserver le terme d’électromagnétisme à cette branche de la discipline.

Le dernier volet de l’électromagnétisme est né de l’introduction de la théorie quantique dans la description des phénomènes électriques et magnétiques. Il s’agit de l’électrodynamique quantique, qui a permis d’expliquer des phénomènes comme le laser ou le rayonnement thermique (voir corps noir), et qui constitue la théorie physique la plus achevée à ce jour.

Équations de Maxwell En 1873, le physicien britannique James Clerk Maxwell regroupe les caractéristiques des champs électrique et magnétique sous la forme de quatre équations, qui constituent encore aujourd’hui la base de l’électromagnétisme.

HISTORIQUE

Jusqu’au début du XIXe siècle, les phénomènes électriques et magnétiques sont étudiés séparément. Mais en 1819, lors d’une expérience demeurée célèbre, le physicien et chimiste danois Hans Christian Ørsted montre que le courant traversant un fil conducteur fait dévier une aiguille magnétique, concluant que ce fil se comporte comme un aimant. Cette expérience conduit le physicien français André-Marie Ampère à établir en 1827 la première théorie de l’électromagnétisme, reliant ainsi les phénomènes électrostatiques et magnétiques.

En 1831, le physicien britannique Michael Faraday découvre le phénomène de l’induction électromagnétique, en observant qu’un aimant en mouvement crée un courant électrique dans un conducteur proche de cet aimant. En outre, il introduit la notion de champ électromagnétique comme une fonction des coordonnées de l’espace, permettant de calculer en chaque point les forces électrostatiques et magnétiques. En 1873, le physicien britannique James Maxwell établit quatre équations mathématiques fondamentales reliant les caractéristiques du champ électrique à celles du champ magnétique. Il déduit de ces équations que la lumière est une onde électromagnétique se propageant à vitesse constante, et émet l’hypothèse de l’existence d’autres rayonnements électromagnétiques non visibles, dotés de propriétés similaires à celles de la lumière.

Ces rayonnements sont observés pour la première fois en 1887 par Heinrich Hertz, qui produit expérimentalement des ondes radio possédant toutes les propriétés de la lumière, corroborant ainsi la théorie de Maxwell. En 1895, le physicien allemand Wilhelm Röntgen découvre un nouveau rayonnement électromagnétique, les rayons X. Un an plus tard, le physicien français Henri Becquerel met en évidence le phénomène de radioactivité ; dès lors, l’ensemble des rayonnements électromagnétiques sont rapidement caractérisés.

APPLICATIONS

Les équations de Maxwell sont d’une importance fondamentale en physique. Elles permettent d’expliquer l’ensemble des lois de l’électricité, de la physique atomique ou encore de l’optique physique. Ainsi, la structure de l’atome a pu être déduite en partie grâce à ces équations. En géophysique, ces mêmes équations permettent d’étudier le magnétisme terrestre (voir Terre). En astrophysique, l’électrodynamique est indispensable pour décrire les plasmas constituant certains corps célestes, ainsi que les radiations cosmiques.

Par ailleurs, l’électromagnétisme a de nombreuses applications pratiques : utilisation des ondes hertziennes en télécommunications, des rayons X en radiologie, des rayons gamma en médecine et en astrophysique, du phénomène d’induction dans la fabrication de générateurs ou la réalisation de freins électromagnétiques, etc.

Source: Encarta