INTERACTIONS (physique) Électromagnétisme
L'électromagnétisme classique
Le concept de « champ »
Durant la première moitié du xixe siècle, la connaissance de l'électromagnétisme progressait à grands pas, mais il lui manquait une idée unificatrice afin d'asseoir des postulats généraux. Certes les succès de la mécanique de Newton et de la gravitation universelle orientaient les recherches du côté de la notion de force. Or il allait s'avérer que la théorie de l'électromagnétisme ne pouvait se fonder sur les forces, mais bien plutôt sur les « champs ». Ce concept nouveau fut introduit par Faraday (1840) et utilisé par Maxwell pour poser les véritables fondements de l'électromagnétisme (1873).
Imaginons qu'une charge électrique q0 soit placée, immobile, en un point M, et qu'elle y soit soumise, de la part d'autres charges environnantes – elles aussi immobiles – à une force F0. Celle-ci – la loi de Coulomb l'affirme clairement – est proportionnelle à q0 (elle doublerait si q0 devenait 2 q0). Faisons l'effort d'abstraction qui consiste à décomposer, en quelque sorte, cette situation simple : si l'on retire la charge d'« essai » q0, il subsiste au point M un « champ » E ; ce sont les autres charges, maintenues, qui modifient par leur présence l'espace d'alentour, créant en M le champ E. Ce dernier se manifeste – c'est pour l'instant la seule façon – si l'on dépose à nouveau une charge d'essai q (quelconque) en M : la force F qu'elle y ressent provient du champ E multiplié par q, cette fois ; F = qE.
On conçoit que le champ E' qui règne en un point M' distinct de M diffère de E. À l'ensemble – que l'on nomme encore « le champ » – est associée une fonction de point à valeurs vectorielles E (x, y, z). Malgré le caractère purement statique de l'exemple, on admettra que, dans des situations plus générales, le champ électrique pourra aussi varier au cours du temps : E (x, y, z ; t).
Lignes de champ magnétique
J. R. Eyerman/ The LIFE Picture Collection/ Getty Images
On admettra en outre qu'il existe un champ magnétique B (x, y, z ; t). Faraday, que son absence de formation mathématique ne prédisposait pas à l'abstraction, matérialisa le concept de champ (magnétique) grâce à un montage célèbre : une feuille de carton, posée à plat sur les deux extrémités d'un aimant en U tenu verticalement, reçoit de la limaille de fer – sensible au champ magnétique – ; celle-ci – sollicitée par de légers coups sur le carton – s'oriente selon les « lignes de champ » reliant les deux pôles ; cette figure spectaculaire représente concrètement l'altération de l'espace entre les branches de l'aimant.
Champs transversaux
Encyclopædia Universalis France
Les champs électrique E (x, y, z ; t) et magnétique B (x, y, z ; t) permettent de déterminer la force qui agit sur une charge électrique q dans le cas général où elle se meut. La « force de Lorentz » F obéit à la formule F = qE + qv∧B. Les champs E et B sont pris au point (x, y, z) où se trouve q et à l'instant t considéré (fig. 2) ; v désigne la vitesse de la charge à cet instant ; le symbole ∧ indique le « produit vectoriel ». Le premier terme qE est conforme aux explications données ci-avant. Le second provient de la « force de Laplace » : le champ magnétique ne voit les charges qu'en mouvement et leur applique une force dirigée perpendiculairement à la vitesse v et au champ B. Il s'ensuit que la force magnétique ne fournit aucun travail au cours du mouvement de la charge.
Les équations de Maxwell
Le système de postulats sur quoi se fonde l'ensemble de l'électromagnétisme classique et aussi l'ensemble de l'optique se compose de quatre équations énonçant les propriétés constitutives des champs électrique E et magnétique B – regroupés sous le vocable de « champ électromagnétique »[...]
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Écrit par
- Bernard DIU : professeur émérite à l'université de Paris-VII-Denis-Diderot
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Médias
James Maxwell
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Loi d'Ohm
Encyclopædia Universalis France
Lignes de champ magnétique
J. R. Eyerman/ The LIFE Picture Collection/ Getty Images
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