Par GAYLE TOWELL • Mis à jour le 24 mars 2022
L’électricité et le magnétisme sont deux forces fondamentales issues des particules chargées. Bien qu’ils se manifestent différemment, leurs principes sous-jacents sont étonnamment similaires. Ci-dessous, nous examinons les trois principaux points communs qui unissent ces forces.
Les charges électriques et les pôles magnétiques existent par paires complémentaires. Les charges électriques sont positives (+) et négatives (–), portées respectivement par les protons et les électrons. Les charges opposées s'attirent tandis que les charges similaires se repoussent, un comportement qui maintient la plupart des objets macroscopiques électriquement neutres.
De même, les aimants possèdent des pôles nord et sud. Deux pôles nord – ou deux pôles sud – se repoussent, tandis qu'un pôle nord et un pôle sud s'attirent. Contrairement à la gravité, qui ne fait qu'attirer, l'électricité et le magnétisme présentent des interactions à la fois attractives et répulsives.
Alors qu'un aimant est intrinsèquement un dipôle (ses pôles ne peuvent pas être séparés), des dipôles électriques peuvent être formés en plaçant une charge positive et négative à une petite distance l'une de l'autre. Le dipôle peut être neutralisé en réorientant l'une des charges, soulignant le contraste entre les dipôles magnétiques et électriques.
La force électromagnétique, qui englobe à la fois les effets électriques et magnétiques, est bien plus forte que la gravité mais plus faible que les forces nucléaires fortes et faibles. En termes relatifs, si la force forte est normalisée à 1, la force électromagnétique mesure environ 1/137, la force faible environ 10 -6 , et la gravité est un infinitésimal 6×10 -39 .
Malgré son ampleur relativement faible, l'électromagnétisme domine les interactions quotidiennes car les charges et les moments magnétiques ne sont généralement pas neutralisés; ils peuvent exercer des forces qui surmontent facilement l'attraction gravitationnelle de la Terre sur les petits objets.
Historiquement, l’électricité et le magnétisme ont été découverts comme des phénomènes distincts. Cependant, les travaux de scientifiques tels que Michael Faraday et James Clerk Maxwell ont révélé qu'il s'agissait de deux facettes d'un même champ électromagnétique.
Les expériences de Faraday ont montré qu’un champ magnétique changeant induit un courant électrique dans une bobine – un principe qui sous-tend tous les générateurs électriques. Les quatre équations de Maxwell ont formalisé davantage cette relation, prédisant que les ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière :
\(\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}} =299 792 485\;\text{m/s}\)
Ainsi, la lumière elle-même est une onde électromagnétique, illustrant la profonde unité de ces forces.
Tout comme la gravité est décrite par un champ, les champs électriques et magnétiques caractérisent la façon dont les forces agissent dans l’espace. Le champ électrique généré par une charge ponctuelle q à une distance r est :
\(E =\frac{kq}{r^2}\)
où k =8,99×10 9 N·m²/C². Le champ pointe vers les charges positives et vers les charges négatives.
Pour un long fil droit porteur de courant, le champ magnétique à la distance r est :
\(B =\frac{\mu_0 I}{2\pi r}\)
avec μ ₀ =4π×10 -7 N/A². La direction suit la règle de la main droite.
La force électrique sur une charge q dans un champ électrique E est :
\(\vec{F} =q\vec{E}\)
La force magnétique sur une charge en mouvement est donnée par la loi de la force de Lorentz :
\(\vec{F} =q\vec{v} \times \vec{B}\)
Pour un je actuel circulant sur une longueur L dans un champ magnétique, la force devient :
\(\vec{F} =I\vec{L} \times \vec{B}\)
Dans les matériaux ferromagnétiques comme le fer, le mouvement intrinsèque des électrons produit des moments magnétiques microscopiques qui s’alignent parallèlement les uns aux autres, créant ainsi un magnétisme macroscopique. Cela démontre que le magnétisme est fondamentalement un effet électrique.
À l'inverse, l'électricité peut être générée à partir du magnétisme, une découverte qui a ouvert la voie aux générateurs et aux systèmes électriques modernes.
La loi de Faraday explique qu'un flux magnétique changeant induit une force électromotrice s'opposant au changement, incarnant le principe de l'induction électromagnétique.
Les quatre équations de James Clerk Maxwell décrivent succinctement comment les champs électriques et magnétiques évoluent :
\(\nabla \cdot \vec{E} =\frac{\rho}{\varepsilon_0}\)
\(\nabla \cdot \vec{B} =0\)
\(\nabla \times \vec{E} =-\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\)
\(\nabla \times \vec{B} =\mu_0 \vec{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}\)
Ces équations prédisent l'existence d'ondes électromagnétiques qui se propagent à la vitesse de la lumière, unifiant la lumière avec l'électricité et le magnétisme.
Dans l'ensemble, la nature étroitement liée du magnétisme et de l'électricité reflète un cadre électromagnétique unique et élégant qui régit le comportement des particules chargées et les forces qu'elles exercent.
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