La relation entre l’électricité et le magnétisme

L’électricité et le magnétisme sont des phénomènes distincts mais interconnectés associés à la force électromagnétique. Ensemble, ils forment la base de l’électromagnétisme, une discipline clé de la physique.

Key Takeaways : Électricité et magnétisme

• L’électricité et le magnétisme sont deux phénomènes connexes produits par la force électromagnétique. Ensemble, ils forment l’électromagnétisme.
• Une charge électrique en mouvement génère un champ magnétique.
• Un champ magnétique induit un mouvement de charge électrique, produisant un courant électrique.
• Dans une onde électromagnétique, le champ électrique et le champ magnétique sont perpendiculaires l’un à l’autre.

À l’exception des comportements dus à la force de gravité, presque tous les événements de la vie quotidienne sont dus à la force électromagnétique. Elle est responsable des interactions entre les atomes et du flux entre la matière et l’énergie. Les autres forces fondamentales sont la force nucléaire, faible et forte, qui régit la désintégration radioactive et la formation des noyaux atomiques.

Comme l’électricité et le magnétisme sont incroyablement importants, il est bon de commencer par une compréhension de base de ce qu’ils sont et de leur fonctionnement.

Principes de base de l’électricité

L’électricité est le phénomène associé aux charges électriques fixes ou mobiles. La source de la charge électrique peut être une particule élémentaire, un électron (qui a une charge négative), un proton (qui a une charge positive), un ion, ou tout corps plus grand qui présente un déséquilibre de charge positive et négative. Les charges positives et négatives s’attirent mutuellement (par exemple, les protons sont attirés par les électrons), tandis que les charges similaires se repoussent (par exemple, les protons repoussent les autres protons et les électrons repoussent les autres électrons).

Les exemples les plus connus d’électricité sont la foudre, le courant électrique provenant d’une prise de courant ou d’une batterie, et l’électricité statique. Les unités SI courantes de l’électricité comprennent l’ampère (A) pour le courant, le coulomb (C) pour la charge électrique, le volt (V) pour la différence de potentiel, l’ohm (Ω) pour la résistance, et le watt (W) pour la puissance. Une charge ponctuelle stationnaire a un champ électrique, mais si la charge est mise en mouvement, elle génère également un champ magnétique.

Principes de base du magnétisme

Le magnétisme est défini comme le phénomène physique produit par le déplacement d’une charge électrique. De plus, un champ magnétique peut amener des particules chargées à se déplacer, produisant ainsi un courant électrique. Une onde électromagnétique (telle que la lumière) a une composante électrique et une composante magnétique. Les deux composantes de l’onde se déplacent dans la même direction, mais sont orientées à angle droit (90 degrés) l’une par rapport à l’autre.

Comme l’électricité, le magnétisme produit une attraction et une répulsion entre les objets. Alors que l’électricité est basée sur des charges positives et négatives, il n’existe pas de monopoles magnétiques connus. Toute particule ou objet magnétique possède un pôle « nord » et un pôle « sud », dont les directions sont basées sur l’orientation du champ magnétique terrestre. Comme les pôles d’un aimant, les pôles se repoussent (par exemple, le nord repousse le nord), tandis que les pôles opposés s’attirent (le nord et le sud s’attirent).

Parmi les exemples familiers de magnétisme, citons la réaction de l’aiguille d’une boussole au champ magnétique terrestre, l’attraction et la répulsion des barreaux magnétiques et le champ entourant les électroaimants. Pourtant, chaque charge électrique en mouvement a un champ magnétique, de sorte que les électrons en orbite des atomes produisent un champ magnétique ; il existe un champ magnétique associé aux lignes électriques ; et les disques durs et les haut-parleurs dépendent des champs magnétiques pour fonctionner. Les principales unités SI du magnétisme comprennent le tesla (T) pour la densité du flux magnétique, le weber (Wb) pour le flux magnétique, l’ampère par mètre (A/m) pour l’intensité du champ magnétique et le henry (H) pour l’inductance.

Les principes fondamentaux de l’électromagnétisme

Le mot « électromagnétisme » vient d’une combinaison du grec elektron, qui signifie « ambre » et de magnetis lithos, qui signifie « pierre de Magnésie », qui est un minerai de fer magnétique. Les Grecs anciens connaissaient bien l’électricité et le magnétisme, mais les considéraient comme deux phénomènes distincts.

La relation connue sous le nom d’électromagnétisme n’a pas été décrite avant que James Clerk Maxwell ne publie A Treatise on Electricity and Magnetism en 1873. Le travail de Maxwell comprenait vingt équations célèbres, qui ont depuis été condensées en quatre équations aux dérivées partielles. Les concepts de base représentés par ces équations sont les suivants :

1. Comme les charges électriques repoussent, et contrairement aux charges électriques attirent. La force d’attraction ou de répulsion est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.
2. Les pôles magnétiques existent toujours sous forme de paires nord-sud. Comme les pôles se repoussent et s’attirent différemment.
3. Un courant électrique dans un fil génère un champ magnétique autour du fil. La direction du champ magnétique (dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse) dépend de la direction du courant. C’est la « règle de la main droite », selon laquelle la direction du champ magnétique suit les doigts de votre main droite si votre pouce est dirigé dans la direction du courant.
4. Le fait de rapprocher ou d’éloigner une boucle de fil d’un champ magnétique induit un courant dans le fil. Le sens du courant dépend de la direction du mouvement.

La théorie de Maxwell contredisait la mécanique newtonienne, mais des expériences ont prouvé les équations de Maxwell. Le conflit a finalement été résolu par la théorie de la relativité spéciale d’Einstein.

Sources

• Hunt, Bruce J. (2005). Les Maxwelliens. Cornell : Cornell University Press. pp. 165-166. ISBN 978-0-8014-8234-2.
• Union internationale de chimie pure et appliquée (1993). Quantités, unités et symboles en chimie physique, 2e édition, Oxford : Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. pp. 14-15.
• Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Fondements de l’électromagnétisme appliqué (6e éd.). Boston : Prentice Hall. p. 13. ISBN 978-0-13-213931-1.