En physique, la force électromagnétique est une influence qui affecte les particules chargées électriquement. Avec la gravité, c’est la force que les humains rencontrent le plus au quotidien, et elle explique la plupart des phénomènes avec lesquels les gens sont familiers. Il est responsable de l’électricité, du magnétisme et de la lumière ; il maintient les électrons et les protons ensemble dans les atomes ; et il permet aux atomes de se lier pour former des molécules et entraîne des réactions chimiques. Cette force est également responsable de la solidité des objets solides et est la raison pour laquelle ils ne peuvent pas se traverser.
La force électromagnétique est l’une des quatre forces fondamentales de la nature. Les trois autres sont la force gravitationnelle, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. La force nucléaire forte est la plus puissante d’entre elles, mais elle n’opère que sur une portée extrêmement courte. La force électromagnétique est la deuxième force et, comme la gravité, opère sur des distances illimitées.
La loi du carré inverse
Comme la gravité, la force électromagnétique suit la loi du carré inverse. Cela signifie que la force de la force est inversement proportionnelle au carré de la distance à sa source. Ainsi, par exemple, si quelqu’un s’éloigne de 5 unités de la source de la force, l’intensité est réduite à 1/25e.
Charges positives et négatives
Contrairement à la gravité, la force électromagnétique n’est ressentie que par les objets qui ont une charge électrique, qui peut être positive ou négative. Les objets avec différents types de charges s’attirent, mais ceux avec le même type se repoussent. Cela signifie que la force peut être attractive ou répulsive, selon les charges impliquées. Comme la plupart des objets, la plupart du temps, n’ont pas de charge électrique globale, ils ne ressentent pas la force électromagnétique, ce qui explique pourquoi la gravité, bien qu’une force beaucoup plus faible, domine à grande échelle.
Lorsque deux matériaux différents se frottent, les électrons peuvent passer de l’un à l’autre, laissant l’un avec une charge positive et l’autre avec une charge négative. Les deux s’attirent alors et peuvent être attirés par des objets électriquement neutres. Ceci est connu sous le nom d’électricité statique et peut être démontré par diverses expériences simples, telles que frotter un ballon avec un morceau de fourrure et le coller à un mur – il y est maintenu par attraction électrostatique.
Un courant électrique circule lorsque les électrons se déplacent le long d’un fil ou d’un autre conducteur d’une région avec un excès d’électrons à une région où il y a un déficit. On dit que le courant passe du négatif au positif. Dans un circuit simple utilisant une batterie, les électrons circulent de la borne positive à la borne négative lorsque le circuit est terminé.
À l’échelle atomique, l’attraction entre les protons chargés positivement dans le noyau et les électrons chargés négativement à l’extérieur maintient les atomes ensemble et leur permet de se lier les uns aux autres pour former des molécules et des composés. Les protons dans le noyau sont maintenus en place par la force nucléaire forte, qui, à cette échelle extrêmement petite, surmonte la répulsion électromagnétique.
Les champs électromagnétiques
Le concept de champs électromagnétiques a été développé pour la première fois par le scientifique Michael Faraday au début du 19e siècle. Il montra que les objets chargés électriquement et magnétisés pouvaient s’influencer à distance. Par exemple, un courant électrique circulant dans une bobine de fil pourrait dévier une aiguille de boussole et induire un courant dans une autre bobine voisine. Il a également montré qu’un champ magnétique changeant pouvait produire un courant électrique dans un fil. Cela a établi un lien entre l’électricité et le magnétisme et l’existence d’un champ qui varie avec la distance entourant les objets électriquement chargés ou magnétiques.
Plus tard au XIXe siècle, le physicien James Clerk Maxwell a produit une série d’équations qui expliquaient non seulement la relation entre l’électricité et le magnétisme, mais montraient également que la lumière était une perturbation ondulatoire du champ électromagnétique. Il est arrivé à cette conclusion lorsqu’il a calculé la vitesse à laquelle les influences électromagnétiques se déplacent et a constaté qu’il s’agissait toujours de la vitesse de la lumière. L’implication était que la lumière était une forme de rayonnement électromagnétique qui se déplaçait sous forme d’ondes. Cela a conduit à la théorie de l’électrodynamique classique, dans laquelle une onde électromagnétique est générée par une charge électrique en mouvement. Le mouvement d’une bobine de fil dans un champ magnétique peut générer des ondes radio de faible énergie, tandis que le mouvement plus énergique des électrons dans un fil chaud peut générer de la lumière visible.
Électrodynamique quantique
Avec l’enquête d’Einstein sur l’effet photoélectrique, dans lequel la lumière peut déloger les électrons d’une surface métallique, est venue la découverte que le rayonnement électromagnétique (EMR) peut se comporter aussi bien comme des particules que comme des ondes. Ces particules sont appelées photons. Les électrons d’un atome peuvent gagner de l’énergie en absorbant un photon et perdre de l’énergie en en émettant un. De cette façon, l’EMR peut être expliquée comme l’émission de photons lorsque les électrons subissent une baisse des niveaux d’énergie.
Selon la théorie quantique, les quatre forces de la nature peuvent être expliquées en termes d’échange de particules, comme des photos dans le cas de la force électromagnétique. Afin d’expliquer cette force d’une manière cohérente avec la théorie quantique, la théorie de l’électrodynamique quantique a été développée. L’idée est que la force électromagnétique est médiatisée par des photons virtuels qui n’existent que de manière éphémère lors des interactions entre particules chargées. Il explique toutes les interactions électromagnétiques et des tests rigoureux ont prouvé qu’il s’agit d’une théorie très précise.