L'électricité et le magnétisme peuvent sembler être deux forces distinctes basées sur votre vie quotidienne. La plupart du temps, lorsque vous parlez d'électricité, vous parlerez de courant électrique ou de charges électriques qui alimentent les appareils électroménagers de votre ordinateur portable à quelque chose d'aussi simple qu'une ampoule.

Le magnétisme n'est pas aussi courant rencontrés, mais tous les écoliers auront déjà été en contact avec des aimants en barre, qui ont un pôle nord et un pôle sud, avec des pôles similaires repoussant et des pôles opposés attirant.
L'électricité et le magnétisme en physique

Cette la compréhension quotidienne des charges électriques et de la force magnétique vous donnera une assez bonne compréhension de base du fonctionnement de l'électricité et du magnétisme, mais il y a beaucoup plus à apprendre, depuis l'origine des pôles magnétiques jusqu'à la loi d'Ohm, l'induction électromagnétique et au-delà.

Bien que votre expérience quotidienne de l'électricité et du magnétisme puisse vous aider à traverser des situations quotidiennes, si vous étudiez la physique à des niveaux plus élevés, vous avez besoin d'une compréhension beaucoup plus profonde des phénomènes.

Merci à le travail de des physiciens pionniers comme Michael Faraday et James Clerk Maxwell, les scientifiques comprennent maintenant que l'électricité et le magnétisme ne sont pas du tout des forces distinctes, mais différents aspects de l'une des quatre forces fondamentales: l'électromagnétisme.

La réalisation clé derrière cette était que les champs magnétiques sont effectivement produits par le déplacement des charges électriques. La force électromagnétique est complètement décrite par les équations de Maxwell, et à la fin de cet article, vous comprendrez ce que chacun est et ce qu'il vous dit.
Qu'est-ce que l'électricité?

L'électricité est le nom familier de l'effet de la force électrique, qui dans la plupart des cas implique l'interaction entre les protons (les particules chargées positivement dans le noyau de chaque atome) et les électrons (les particules chargées négativement qui existent dans un nuage autour du noyau).

Lorsqu'une particule chargée est proche d'une autre particule chargée - par exemple deux électrons à proximité l'un de l'autre ou un électron et un proton à proximité l'un de l'autre - ils ont une interaction qui peut généralement être décrite en utilisant la loi de Coulomb. D'une manière générale, cependant, comme les charges se repoussent et les charges opposées s'attirent - tout comme les pôles correspondants et opposés sur un aimant.

La loi de Coulomb stipule que pour deux charges, q
_{1 et < em> q
2, séparés par une distance r
, la force électrique a la magnitude:
F \u003d \\ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}}

Ici, k
\u003d 1 /4πε _{0 \u003d 9 × 10 ^{9 N m 2 /C 2 et ε 0 est une constante appelée permittivité de l'espace libre . Si vous connaissez la loi de la gravitation universelle, vous remarquerez que la loi de Coulomb a une forme très similaire, avec les charges à la place des masses et k
à la place de G
. En particulier, les deux sont des lois carrées inverses, donc le déplacement de la charge deux fois plus loin diminue la force de la force d'un facteur quatre.}}

Cependant, vous pouvez également décrire la force électrique en utilisant le concept d'un électrique champ, qui est défini comme la force de la force sur une "charge d'essai", et est défini dans tout l'espace avec une valeur en Newtons par Coulomb.

Le champ électrique est un vecteur, cependant, il a donc les deux une force et
une direction. Alors que vous pouvez définir l'intensité du champ électrique E
simplement comme E
\u003d F
/ q
, où q
est la charge d'essai, l'équation la plus utile pour cela est la loi de Gauss, une des équations de Maxwell, qui sera traitée plus tard.
Qu'est-ce que le magnétisme?

Le magnétisme est un peu plus compliqué que l'électricité pour décrire de manière mathématique, mais les principes de base sont très similaires. Tout comme les forces électriques sont décrites comme se produisant entre des charges positives et des charges négatives, les forces magnétiques sont décrites comme se produisant entre les pôles nord et les pôles sud (ou pôles positifs et négatifs) des aimants.

De la même manière que car les forces électriques, comme les pôles se repoussent, et les pôles opposés s'attirent. Les forces magnétiques peuvent également être décrites en utilisant le concept de champs magnétiques, qui - comme les champs électriques - sont des champs invisibles qui imprègnent l'espace et représentent la capacité de la force magnétique à changer la vitesse des particules chargées à proximité.

Cependant, les pôles magnétiques n'existent que par paires, en tant que dipôles - il n'y a pas de monopôles magnétiques. S'il existait des monopôles magnétiques, il y aurait une loi simple comme la loi de Coulomb qui s'appliquerait au magnétisme plutôt qu'à l'électricité, mais le magnétisme est intrinsèquement un peu plus compliqué que cela, et les forces magnétiques ont donc tendance à être décrites en fonction des champs magnétiques générés par des sources. Par exemple, il existe une équation pour le champ magnétique d'un solénoïde, le champ produit par un fil transportant un courant électrique et ainsi de suite.

Les champs magnétiques sont généralement mesurés en unités de Teslas (T) - nommé d'après le physicien Nikola Tesla - ou gauss (G) - nommé d'après Carl Friedrich Gauss - et 1 T \u003d 10000 G.C'est techniquement une mesure de la densité de flux magnétique, mais pour éviter de s'enliser dans les détails précis, il est prudent de penser à cela signifie à peu près la même chose.

Un aimant puissant dans un laboratoire aura une valeur d'environ 1 T, tandis qu'un aimant de réfrigérateur sera plus comme 0,1 T, donc Gauss est souvent la meilleure unité à utiliser pour les champs magnétiques de tous les jours.
La loi de la force de Lorentz et le magnétisme

Si vous ne voulez pas travailler avec les équations de Maxwell, qui sont généralement beaucoup plus compliquées, la meilleure façon de calculer la force du magnétisme est d'utiliser le Loi de force de Lorentz. Il s'agit d'une loi qui englobe les champs magnétiques et électriques, combinant deux termes différents pour prédire la force transmise à une particule sous l'influence des deux et la direction de la force résultante.

Pour la force magnétique, le une partie de la loi de force de Lorentz est:
\\ bold {F} \u003d q \\ bold {v × B}

Où q
est la charge de la particule voyageant à travers le champ, v est son (vecteur) vitesse, et B est le champ magnétique. Vous devez également noter que le symbole × n'est pas une simple multiplication, mais plutôt un produit vectoriel, qui produit une force dans une direction donnée par la règle de droite. Simplement, la force de la force transmise à la particule est donnée par:
F \u003d qvB \\ sin (θ)

Où l'angle θ
est l'angle entre la direction de la vitesse de la particules et le champ magnétique. Cela vous indique immédiatement que l'interaction est la plus forte lorsque la particule se déplace à un angle de 90 degrés (c'est-à-dire perpendiculaire) au champ magnétique.
La loi de la force de Lorentz

La forme complète de la loi de la force de Lorentz vous permet de prendre en compte le champ électrique ainsi que le champ magnétique et a la forme:
\\ bold {F} \u003d q (\\ bold {E + v × B})

Où encore le q
est la charge de la particule, v est sa vitesse et B est la force du champ magnétique, mais maintenant la contribution du champ électrique E a été prise en compte. Si vous avez la valeur du champ magnétique, du champ électrique, de la charge de la particule et de sa vitesse, vous pouvez calculer la force et sa direction relativement facilement en utilisant la loi de force de Lorentz.

Le seul problème est que si vous ne connaissez pas les détails du champ magnétique, vous devrez toujours utiliser les équations de Maxwell pour les dériver.
Electromagnétisme et applications

L'électromagnétisme a une vaste gamme de applications utiles, en particulier liées à l'électricité domestique et à la production d'énergie.

Pour un exemple simple, le fait que des charges en mouvement produisent un champ électrique peut être utilisé pour créer un électro-aimant: une bobine de fil avec un courant circulant à travers elle produira un électro-aimant de base. D'énormes versions à haute puissance de cette même technologie de base sont utilisées pour déplacer les voitures et la ferraille dans les junkyards, ce qui est beaucoup plus utile qu'un aimant permanent à cet effet car il peut être désactivé pour faire tomber le métal.

L'induction électromagnétique est un autre aspect de l'électromagnétisme avec de nombreuses applications. C'est une qualité caractéristique du lien fondamental entre l'électricité et le magnétisme: tout comme une charge en mouvement génère un champ magnétique, un champ magnétique changeant peut être utilisé pour induire un courant dans un fil.

Cela peut être fait par déplacer simplement un aimant vers l'arrière et vers l'avant au milieu d'une bobine de fil, ou vous pouvez utiliser l'électricité à courant alternatif (AC) pour générer un champ magnétique variant en continu, et l'utiliser pour induire un courant dans un fil.

Ces techniques simples sous-tendent le fonctionnement d'outils cruciaux comme les groupes électrogènes et les moteurs électriques. Les groupes électrogènes fonctionnent en déplaçant un fil conducteur dans un champ magnétique, induisant ainsi un courant électrique.

Les moteurs électriques, d'autre part, utilisent une boucle de fil porteur de courant à l'intérieur d'un champ magnétique: lorsque le courant circule dans le fil, il génère un champ magnétique, interagissant avec le champ magnétique existant et provoquant le déplacement du fil au cours du processus. En bref, les générateurs transforment le mouvement en courant et les moteurs transforment le courant en mouvement.
Les équations de Maxwell

Tout le sujet de l'électromagnétisme est mieux décrit par les équations de Maxwell. Il y a quatre équations au total: la loi de Gauss, la loi sans monopole, la loi de Faraday et la loi d'Ampère. Celles-ci sont écrites dans le langage du calcul vectoriel et sont les suivantes:

Loi de Gauss:
\\ int \\ bm {E} ∙ d \\ bm {A} \u003d \\ frac {q} {ε_0 }

Où E
est le champ électrique, q
est la charge totale et ε
_{0 est la permittivité de l'espace libre. En mots, cela signifie que le flux électrique de toute surface fermée est égal à la charge fermée divisée par la permittivité de l'espace libre.}

Pas de loi monopolaire:
\\ int \\ bm {B} ∙ d \\ bm {A} \u003d 0

Qui dit que le flux magnétique de toute surface fermée est nul - en d'autres termes, les monopôles magnétiques n'existent pas!

Loi de Faraday:
\\ int \\ bm {E} ∙ d \\ bm {S} \u003d - \\ frac {∂ϕ_B} {∂t}

Où ϕ
_{B est le flux magnétique. Cela indique que le champ électrique autour d'une boucle fermée est égal à moins le taux de changement du flux magnétique à travers cette boucle - cette loi décrit le processus d'induction d'un courant dans un fil en utilisant un champ magnétique changeant.}

Loi d'Ampère:
\\ int \\ bm {B} ∙ d \\ bm {S} \u003d - \u003d μ_0I + \\ frac {1} {c ^ 2} \\ frac {∂} {∂t} \\ int \\ bm {E } ∙ d \\ bm {A}

Où μ
_{0 est la perméabilité de l'espace libre et I
est le courant traversant la boucle. Cela indique que l'intégrale de la ligne du champ magnétique autour d'une boucle fermée est proportionnelle au courant traversant la même boucle - en d'autres termes, que les courants électriques génèrent des champs magnétiques.
Utilisation des équations de Maxwell}

Alors que le le langage mathématique des équations de Maxwell est complexe (et ne pourrait pas être introduit suffisamment dans cet article), vous devez déjà comprendre les principes d'électromagnétisme qu'ils véhiculent.

Le processus d'utilisation des équations implique généralement le choix d'une équation appropriée - La loi de Gauss pour calculer un champ électrique dû à une certaine collecte de charges, la loi de Faraday pour calculer le champ électrique induit dû à un champ magnétique changeant, et la loi d'Ampère pour calculer les champs magnétiques provoqués par un courant électrique - puis effectuer une intégrale sur un surface ou zone à résoudre convenablement choisie. La surface ou la surface plane est purement théorique, mais elle est utilisée pour caractériser les champs dans un espace tridimensionnel.

Cela peut souvent être simplifié si vous supposez un champ uniforme à travers la surface ou la zone choisie. Par exemple, la loi de Gauss pour une sphère de charge fermée peut simplement s’écrire:
E 4πr ^ 2 \u003d \\ frac {q} {ε_0}

Ce que vous pouvez voir simplifie considérablement son utilisation. Il indique également clairement que vous pouvez dériver la loi de Coulomb de cette équation.