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.

Points clés à retenir: électricité et magnétisme

• L'électricité et le magnétisme sont deux phénomènes liés 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 du comportement dû à la force de gravité, presque chaque occurrence dans la vie quotidienne découle de la force électromagnétique. Il 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 de noyaux atomiques.

Étant donné que l'électricité et le magnétisme sont extrêmement importants, c'est une bonne idée 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 pourrait être une particule élémentaire, un électron (qui a une charge négative), un proton (qui a une charge positive), un ion ou tout autre corps plus gros qui a un déséquilibre de charge positive et négative. Les charges positives et négatives s'attirent (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). 

Des exemples connus d'électricité comprennent la foudre, le courant électrique provenant d'une prise ou d'une batterie et l'électricité statique. Les unités SI communes d'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 induire le déplacement de particules chargées, produisant un courant électrique. Une onde électromagnétique (comme la lumière) a à la fois une composante électrique et magnétique. Les deux composantes de l'onde se déplacent dans la même direction, mais 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 aucun monopôle magnétique connu. Toute particule ou objet magnétique a un pôle "nord" et "sud", les directions étant basées sur l'orientation du champ magnétique terrestre. Comme les pôles d'un aimant se repoussent (par exemple, le nord repousse le nord), tandis que les pôles opposés s'attirent (le nord et le sud s'attirent).

Des exemples familiers de magnétisme incluent la réaction d'une aiguille de boussole au champ magnétique terrestre, l'attraction et la répulsion des aimants en barre et le champ entourant les électro-aimants. Pourtant, chaque charge électrique en mouvement a un champ magnétique, de sorte que les électrons en orbite des atomes produisent un champ magnétique; il y a 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 de flux magnétique, le weber (Wb) pour le flux magnétique, l'ampère par mètre (A / m) pour la force du champ magnétique et le henry (H) pour l'inductance.

Les principes fondamentaux de l'électromagnétisme

Le mot électromagnétisme vient d'une combinaison des œuvres grecques elektron, signifiant "ambre" et magnetis lithos, ce qui signifie «pierre magnésienne», qui est un minerai de fer magnétique. Les anciens Grecs connaissaient l'électricité et le magnétisme, mais les considéraient comme deux phénomènes distincts.

La relation connue sous le nom d'électromagnétisme n'a été décrite que lorsque James Clerk Maxwell a publié Un traité sur l'électricité et le magnétisme en 1873. Les travaux de Maxwell comprenaient vingt équations célèbres, qui ont depuis été condensées en quatre équations différentielles partielles. Les concepts de base représentés par les équations sont les suivants: 

1. Comme les charges électriques repoussent, et contrairement aux charges électriques s'attirent. La force d'attraction ou de répulsion est inversement proportionnelle au carré de la distance entre eux.
2. Les pôles magnétiques existent toujours sous forme de paires nord-sud. Comme les poteaux repoussent et attirent contrairement.
3. Un courant électrique dans un fil génère un champ magnétique autour du fil. La direction du champ magnétique (dans le sens horaire ou antihoraire) dépend de la direction du courant. Il s'agit de la "règle de la main droite", où la direction du champ magnétique suit les doigts de votre main droite si votre pouce pointe dans la direction actuelle.
4. Déplacer une boucle de fil vers ou loin d'un champ magnétique induit un courant dans le fil. La direction du courant dépend de la direction du mouvement.

La théorie de Maxwell contredit la mécanique newtonienne, mais les expériences ont prouvé les équations de Maxwell. Le conflit a finalement été résolu par la théorie d'Einstein de la relativité restreinte.

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.