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Oct 23, 2023

Qu'est-ce que la force électromagnétique ?

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Jonathan Pie/Unsplash

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La force électromagnétique est l'une des forces fondamentales de la nature et est de loin la plus importante de notre monde moderne, même si la plupart d'entre nous la tiennent probablement pour acquise.

En tant que l'une des quatre forces fondamentales du modèle standard, elle est au centre de l'étude scientifique depuis des siècles, même les anciens comprenaient que des effets comme l'électricité statique faisaient partie de quelque chose de plus grand. C'est une force qui est tout autour de nous et qui est impliquée dans un large éventail de phénomènes quotidiens, du mouvement des électrons dans les fils au comportement des aimants en passant par la lumière même que nous voyons. Comprendre les propriétés de cette force est crucial pour tout comprendre, du comportement des particules subatomiques à la conception des dispositifs électroniques.

Des plus petites particules subatomiques aux plus grandes structures de l'univers, la force électromagnétique joue un rôle vital dans la formation du monde qui nous entoure. En comprenant plus profondément cette force, nous pouvons mieux comprendre le comportement de la matière et de l'énergie, ce qui peut nous aider à mieux comprendre le monde et à développer de nouvelles technologies qui peuvent profiter à tous.

La force électromagnétique est l'une des quatre forces fondamentales de la nature, avec la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la gravité. Il est responsable de l'interaction entre les particules chargées électriquement, telles que les protons, les électrons et les ions.

L'importance de la force électromagnétique en physique ne peut être sous-estimée car elle joue un rôle dans pratiquement tous les phénomènes que nous observons dans le monde qui nous entoure. Il est responsable du comportement des champs électriques et magnétiques, qui sont présents dans tout, des coups de foudre au fonctionnement des moteurs et des générateurs.

De plus, la force électromagnétique est responsable du comportement de la lumière et d'autres formes de rayonnement électromagnétique, telles que les ondes radio, les micro-ondes et les rayons X.

Au niveau subatomique, la force électromagnétique est responsable du comportement des particules chargées dans les atomes et les molécules. Cette force détermine la structure des atomes et les propriétés chimiques des éléments, permettant la formation de liaisons chimiques qui maintiennent les molécules ensemble.

Sans la force électromagnétique, il serait impossible pour les molécules de se former, et la chimie complexe nécessaire à la vie telle que nous la connaissons ne serait pas possible.

L'une des applications les plus importantes de la force électromagnétique est l'électronique et la technologie des communications. En manipulant les champs électriques et magnétiques, nous pouvons créer et contrôler le flux d'électrons, ce qui nous permet de créer des circuits et des dispositifs qui effectuent des calculs complexes et transmettent des informations sur de longues distances. Des téléphones portables aux satellites, la force électromagnétique joue un rôle vital dans notre infrastructure technologique moderne.

La force électromagnétique joue également un rôle crucial dans de nombreux autres domaines de la physique, notamment la physique des particules, l'astrophysique et la cosmologie. Il est responsable du comportement des particules chargées en présence de champs magnétiques, ce qui est important pour la compréhension de phénomènes tels que les aurores boréales, et pour l'étude des particules de haute énergie dans les accélérateurs de particules.

En bref, il est à peu près partout et impliqué, d'une manière ou d'une autre, dans à peu près tout ce que nous faisons.

Laboratoire Fermi

Les preuves de la force électromagnétique sont vastes et ont été accumulées au cours de siècles de recherches scientifiques. Certaines des premières preuves de la force électromagnétique remontent aux anciens Grecs, qui ont observé que le frottement de certains matériaux ensemble pouvait créer de l'électricité statique.

Cette observation a ensuite été étudiée et développée par des scientifiques comme Benjamin Franklin, qui a mené des expériences avec des charges électriques et a créé le concept de charges positives et négatives.

Une autre preuve clé de la force électromagnétique est le comportement des particules chargées en présence d'un champ électrique ou magnétique. Par exemple, les particules chargées électriquement peuvent être accélérées par un champ électrique, tandis que les particules chargées magnétiquement (c'est-à-dire celles qui ont un moment magnétique) peuvent être déviées par un champ magnétique. Le comportement de ces particules est conforme aux prédictions de la théorie électromagnétique.

De plus, la force électromagnétique a été directement observée et étudiée à travers des expériences impliquant l'électromagnétisme, telles que l'utilisation de champs magnétiques dans des accélérateurs de particules pour étudier le comportement des particules subatomiques. La force électromagnétique est également responsable du phénomène de rayonnement électromagnétique, y compris la lumière visible, les rayons X et les ondes radio, qui peuvent être observés et mesurés par diverses méthodes expérimentales.

Institution royale de Londres

Il est impossible de dire qui a "découvert" la force électromagnétique, car c'est une force fondamentale qui a toujours existé, bien évidemment, dans la nature.

Cependant, l'étude de l'électricité et du magnétisme, qui sont les deux phénomènes constitutifs de la force électromagnétique, remonte à l'Antiquité. Les anciens Grecs étaient conscients de l'électricité statique et l'armée chinoise utilisait des compas magnétiques dès le 3ème siècle après JC.

L'élucidation la plus "moderne" de la force électromagnétique est attribuée à plusieurs scientifiques à travers l'histoire, mais l'un des premiers scientifiques modernes à s'y être vraiment associé est William Gilbert. Médecin anglais et philosophe de la nature au XVIe siècle, Gilbert a mené des recherches approfondies sur le magnétisme et l'électricité et a été le premier à utiliser les termes « force électrique », « attraction électrique » et « pôle magnétique » pour décrire le phénomène d'attraction entre corps.

Au XVIIIe siècle, Charles-Augustin de Coulomb, un physicien français, a formulé la loi de Coulomb, qui décrit l'interaction électrostatique entre des particules chargées électriquement. Il a également été le premier à reconnaître que l'intensité de la force électromagnétique entre deux charges est proportionnelle au produit de leurs charges respectives et inversement proportionnelle au carré de leur distance l'une de l'autre.

Et tandis que les mythes populaires aux États-Unis désignent Benjamin Franklin comme le "découvreur" de l'électricité (ou du moins de son association avec la foudre), ce n'est pas vraiment le cas. Le lien entre la foudre et l'électricité avait été discuté bien avant l'expérience du cerf-volant de Franklin, mais ce qui intéressait davantage Franklin, c'était comment protéger les maisons en bois contre l'incendie provoqué par la foudre. Son expérience de cerf-volant utilisant une clé métallique comme conducteur visait davantage à développer une première forme de paratonnerre pour canaliser l'électricité de la foudre loin des structures en bois de l'époque.

Un autre contributeur majeur à notre compréhension de la force électromagnétique a été le physicien britannique Michael Faraday, qui a découvert l'induction électromagnétique, l'innovation clé qui aide à alimenter les moteurs et les générateurs électriques.

De nombreux autres scientifiques ont contribué à la compréhension progressive de la force électromagnétique jusqu'à nos jours, Albert Einstein et Richard Feynman étant deux des plus grands contributeurs au cours du 20e siècle.

PiccoloNamek / Wikimedia Commons

L'électricité fait référence au flux de charge électrique, généralement à travers un conducteur tel qu'un fil. Le mouvement de la charge électrique crée un champ magnétique et l'interaction entre les charges électriques et les champs magnétiques donne naissance à la force électromagnétique.

La force électromagnétique est une force fondamentale de la nature qui décrit les interactions entre les particules chargées électriquement comme les électrons et les protons, ainsi que le comportement des champs électriques et magnétiques.

Essentiellement, l'électricité est un phénomène qui résulte du mouvement de la charge électrique, tandis que la force électromagnétique est une force fondamentale qui décrit les interactions entre les particules chargées électriquement. Bien que les deux soient intimement liés, l'électricité et la force électromagnétique sont deux choses différentes et ne doivent pas être considérées comme synonymes.

D-Crow / Wikimedia Commons

Tout comme l'électricité et la force électromagnétique sont des concepts distincts mais liés, le rayonnement électromagnétique est profondément lié à la force électromagnétique mais n'est pas la même chose.

La force électromagnétique résulte de l'interaction entre des particules chargées électriquement. Il peut être attractif ou répulsif et il est responsable d'un large éventail de phénomènes, du comportement des atomes et des molécules aux propriétés des matériaux et au fonctionnement des appareils électroniques.

D'autre part, le rayonnement électromagnétique fait référence aux ondes ou particules d'énergie produites par le mouvement de particules chargées électriquement. Des exemples de rayonnement électromagnétique comprennent les ondes radio, les micro-ondes, le rayonnement infrarouge, la lumière visible, le rayonnement ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma. Le rayonnement électromagnétique est caractérisé par sa longueur d'onde ou sa fréquence et son amplitude, et il peut avoir un large éventail d'effets sur la matière, notamment l'échauffement, l'ionisation et les réactions chimiques.

Ainsi, le rayonnement électromagnétique est mieux considéré comme une conséquence de la force électromagnétique en action, en particulier les ondes ou particules d'énergie produites par le mouvement des particules chargées sous l'influence de la force électromagnétique.

La force électromagnétique est transmise par des particules appelées photons.

Les photons sont des particules élémentaires qui n'ont ni charge électrique, ni masse au repos, et se déplacent à la vitesse de la lumière dans le vide.

Les photons sont produits lorsqu'une particule chargée électriquement, comme un électron, subit une transition d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau d'énergie inférieur. Ce processus est appelé émission de photons. Inversement, les photons peuvent être absorbés par des particules chargées, leur faisant subir une transition vers un niveau d'énergie supérieur.

Ils sont souvent appelés « particules de lumière » car ils sont responsables du transport des rayonnements électromagnétiques, y compris la lumière visible, les ondes radio et les rayons X. Plus que tout, c'est le seul vecteur de force fondamental que nous pouvons clairement « voir » puisque les photons sont la raison pour laquelle nous pouvons même voir en premier lieu.

Les photons jouent également un rôle crucial dans un large éventail de phénomènes, notamment la photosynthèse et la génération d'énergie électrique dans les cellules solaires. Leurs propriétés uniques ont également permis aux scientifiques de développer une compréhension plus approfondie de la nature de la lumière et du comportement de la matière au niveau quantique.

La force de la force électromagnétique lui donne un impact démesuré dans le monde quotidien, car elle domine absolument la gravité et les forces nucléaires faibles et fortes.

Cela a également beaucoup à voir avec une caractéristique clé de la force électromagnétique, à savoir que son influence peut parcourir de très longues distances, contrairement aux forces nucléaires fortes et faibles, qui ne peuvent exercer une influence qu'à des échelles subatomiques.

Cela ne signifie pas pour autant que la force électromagnétique n'est pas forte à l'échelle quantique.

La force de la force électromagnétique est déterminée par la constante de couplage, qui est une mesure de la force de l'interaction entre les particules chargées. La valeur de la constante de couplage est d'environ 1/137, ce qui rend la force électromagnétique beaucoup plus forte que les forces nucléaires faibles et fortes aux énergies quotidiennes.

Cependant, les choses deviennent beaucoup plus floues à des énergies très élevées, comme celles que l'on trouve dans les accélérateurs de particules et dans l'univers primitif. Dans ces circonstances, la force de la force électromagnétique peut être comparable aux forces nucléaires faibles et fortes, et à des énergies particulièrement élevées, la force électromagnétique et les forces nucléaires faibles deviennent si étroitement liées qu'elles deviennent une seule force électrofaible.

Et à ces énergies, la force électromagnétique peut interagir avec les particules d'une manière qui n'est pas observée à des énergies plus basses, ce qui rend les expériences à haute énergie particulièrement utiles pour sonder les limites et les capacités de la force électromagnétique.

Équipe scientifique NASA / WMAP

On pense que la force électromagnétique est née au tout début de l'univers, juste après le Big Bang. À cette époque, l'univers était extrêmement chaud et dense, et ses particules étaient dans un état de haute énergie et d'activité intense.

Les cosmologistes pensent que la force électromagnétique a émergé d'une force unifiée connue sous le nom de force électrofaible. Cette force était une combinaison de la force électromagnétique et de la force nucléaire faible, responsable de certains types de désintégration radioactive.

Au fur et à mesure que l'univers se refroidissait et s'étendait, la force électrofaible a subi un processus connu sous le nom de rupture de symétrie, ce qui l'a amenée à se scinder en deux forces distinctes : la force électromagnétique et la force nucléaire faible.

Ce processus s'est produit environ 10 à 10 secondes après le Big Bang, lorsque la température de l'univers est tombée en dessous d'un seuil critique connu sous le nom d'échelle électrofaible, qui est estimée à environ 100 milliards d'électronvolts (GeV). En termes de température, ce serait autour de 1015 Kelvin.

thèse / iStock

La force électromagnétique n'imprègne pas absolument nos vies sur le plan technologique, mais elle s'en rapproche sacrément.

Dès le départ, si vous vivez dans une région électrifiée du monde, la force électromagnétique jouera un rôle clé dans à peu près tout dans votre vie, des feux de circulation au téléphone dans votre poche et au signal radio par lequel vous communiquez, et la télévision que vous regardez.

Tout se résume à la production d'électricité, et cela est fondamentalement motivé par notre exploitation de la force électromagnétique pour faire avancer l'industrie. La production d'électricité est le processus par lequel un champ magnétique changeant induit un courant électrique dans un conducteur, tel qu'une bobine de fil, qui peut ensuite être transmis via un fil ou même sans fil là où il est nécessaire.

Le comportement des électrons, qui sont des particules chargées négativement, est régi par la force électromagnétique. C'est la base de l'électronique, y compris les ordinateurs, les téléviseurs et les smartphones. La force électromagnétique est également responsable des interactions entre les électrons dans les circuits et de la transmission des signaux à travers les fils et les réseaux sans fil.

Les moteurs électriques et les générateurs dépendent également de la force électromagnétique. Lorsqu'un courant électrique traverse un fil, il crée un champ magnétique qui interagit avec d'autres champs magnétiques de manière à produire un mouvement dans les moteurs électriques, qui peuvent être utilisés pour transporter des charges lourdes ou des personnes ou être attelés à un autre outil pour produire du travail. .

En médecine, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) utilise la force électromagnétique pour créer des images détaillées du corps humain. Il fonctionne en utilisant un champ magnétique très puissant et des ondes radio pour manipuler le spin des protons dans les tissus du corps, qui sont ensuite détectés par des capteurs pour créer une image.

Enfin, la force électromagnétique est essentielle pour l'ensemble de notre infrastructure de communication moderne, y compris la radio, les téléphones portables et Internet. Ces technologies reposent sur la transmission d'ondes électromagnétiques dans l'air pour envoyer et recevoir des informations.

Toute la matière de l'univers, y compris les atomes qui composent tout ce que nous voyons et expérimentons, dépend de la force électromagnétique pour conserver sa structure et ses propriétés. Sans la force électromagnétique, la matière ne pourrait plus tenir ensemble et l'univers tel que nous le connaissons cesserait d'exister.

Les liaisons chimiques entre les atomes, comme celles de l'eau, des protéines et de l'ADN, sont créées et maintenues ensemble par la force électromagnétique. Sans cette force, ces liaisons se rompraient et les molécules se décomposeraient en leurs atomes constitutifs. La structure et la stabilité de tous les solides, liquides et gaz seraient perdues, et le monde tel que nous le connaissons deviendrait un mélange amorphe et chaotique de particules.

Outre son rôle crucial dans la structure de la matière, la force électromagnétique joue également un rôle clé dans de nombreux phénomènes naturels. Par exemple, la force électromagnétique est responsable du comportement de la lumière et d'autres formes de rayonnement électromagnétique, et elle est essentielle au fonctionnement de l'électronique et d'autres dispositifs technologiques.

Sans la force électromagnétique, l'univers serait un endroit très différent et méconnaissable, et la vie telle que nous la connaissons serait impossible.

Alors que la force électromagnétique est bien comprise et joue un rôle fondamental dans le comportement de la matière, il reste encore quelques questions ouvertes en physique liées à ses propriétés et interactions.

L'une des plus grandes questions ouvertes en physique est de savoir comment concilier la force électromagnétique avec la gravité, qui est une autre force fondamentale qui régit le comportement de la matière à plus grande échelle. Alors qu'il a été démontré que les deux autres forces fondamentales, les forces nucléaires forte et faible, fusionnent en une seule force électrofaible aux hautes énergies présentes immédiatement après le Big Bang, les tentatives d'unification de celle-ci avec la gravité ont jusqu'à présent échoué.

Un autre problème non résolu est celui de la matière noire. Les scientifiques pensent qu'il y a beaucoup plus de matière dans l'univers que ce qui peut être expliqué par la matière visible observée. On pense que cette «matière noire» interagit faiblement avec la matière normale et est souvent considérée comme un candidat de choix pour une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Il n'est pas clair si la force électromagnétique interagirait avec la matière noire de quelque manière que ce soit, car aucune interaction n'a encore été observée.

Plus concrètement, à des énergies très élevées comme celles trouvées dans les accélérateurs de particules, la force électromagnétique peut présenter des comportements inattendus qui ne sont pas bien compris. Un autre problème non résolu est la théorie de l'électrodynamique quantique (QED), qui décrit le comportement de la force électromagnétique avec une précision remarquable mais a encore des effets subtils difficiles à comprendre et à calculer.

L'un de ces effets est le décalage de Lamb, qui fait référence à une petite déviation des niveaux d'énergie des atomes d'hydrogène causée par l'interaction entre l'électron et le champ électromagnétique.

Dans l'ensemble, alors que la force électromagnétique est parmi les mieux comprises des quatre forces fondamentales, elle détient toujours la promesse de plus de secrets à découvrir et à explorer. Et compte tenu de l'importance de la force électromagnétique dans l'alimentation d'une grande partie de notre technologie moderne, il y a tout lieu d'espérer que de nouvelles découvertes nous mèneront encore plus loin que nous ne le pensions possible.