La théorie de la relativité restreinte d’Einstein décrit le magnétisme comme le sous-produit de la force électrique. Par conséquent, ces deux forces peuvent être considérées comme des facettes différentes d’une force plus fondamentale, que les physiciens appellent l’électromagnétisme. La théorie électromagnétique décrit un ensemble d’affirmations scientifiques interconnectées utilisées pour répondre aux questions sur cette force.
Les physiciens utilisent des champs comme des abstractions pour décrire comment un système affecte son environnement. Le champ électrique d’un objet chargé représente la force qu’il exercerait sur une particule chargée. Le champ est plus fort plus près de l’objet car la force électrostatique diminue à mesure que la distance entre deux charges augmente. Les champs magnétiques sont définis de la même manière, sauf qu’ils décrivent la force exercée sur une particule chargée en mouvement.
Les idées les plus fondamentales de la théorie électromagnétique sont un champ électrique changeant génère un champ magnétique et un champ magnétique changeant génère un champ électrique. Ces principes sont quantifiés par les équations de Maxwell, du nom de James Clerk Maxwell, le physicien et mathématicien écossais dont les travaux au 19ème siècle ont établi la discipline en révolutionnant la façon dont les physiciens conçoivent la lumière. Les équations de Maxwell transposent également des relations déjà connues – la loi de Coulomb et la loi de Biot-Savart – dans le langage des champs.
Une particule chargée génère un champ magnétique lorsqu’elle se déplace, mais le champ magnétique est perpendiculaire au mouvement de la particule. De plus, l’effet de ce champ magnétique sur une seconde charge en mouvement est perpendiculaire à la fois au champ et au mouvement de la seconde charge. Ces deux faits font que même des problèmes de base en électromagnétisme nécessitent un raisonnement tridimensionnel complexe. Historiquement, le développement des vecteurs en mathématiques et en sciences doit une grande partie de ses progrès aux travaux des physiciens essayant d’abstraire et de simplifier l’utilisation de la théorie électromagnétique.
Au 19ème siècle, la théorie électromagnétique a changé la façon dont les physiciens comprenaient la lumière. Newton avait décrit la lumière en termes de particules appelées corpuscules, mais Maxwell prétendait qu’il s’agissait de la manifestation de champs électriques et magnétiques qui se poussaient mutuellement à travers l’espace. Selon cette conception, la lumière visible, les rayons X, le radar et de nombreux autres phénomènes sont tous intrinsèquement similaires, chacun étant une combinaison de champs électriques et magnétiques variant à une fréquence différente. Les scientifiques appellent le continuum de toutes ces ondes le spectre électromagnétique.
Le succès de la théorie électromagnétique a conduit à l’effondrement du reste de la physique newtonienne au 20ème siècle. Einstein s’est rendu compte que la théorie de Maxwell exigeait de l’espace et du temps pour des coordonnées différentes et interdépendantes d’un espace-temps à quatre dimensions. De plus, la théorie de la relativité d’Einstein montrait que l’espace était courbé et que le passage du temps mesuré par un observateur différait de celui mesuré par un autre. Ces découvertes étaient toutes totalement incompatibles avec la théorie du mouvement de Newton. Ainsi, l’étude de l’électromagnétisme a, directement ou indirectement, modifié la façon dont les physiciens comprennent l’électricité, le magnétisme, la lumière, l’espace, le temps et la gravité.