Électromagnétisme

Électromagnétisme
L'électromagnétisme est la branche de la physique qui étudie le champ électromagnétique et son
interaction avec les particules dotées d'une charge électrique.
Le concept de champ électromagnétique a été forgé au XIXe siècle pour décrire de manière unifiée
les phénomènes électriques et magnétiques. Des phénomènes tels que l'induction montrent en effet
que les champs électrique et magnétique sont liés:

un champ magnétique variable engendre un champ électrique,

un champ électrique variable est source d'un champ magnétique.
Cet effet de couplage entre les deux champs n'existe pas en électrostatique et en magnétostatique.
Lorsque les distributions de charge et de courant sont statiques, les champs électriques et
magnétiques leur sont en effet directement reliés, de sorte que les champs ne sont pas des variables
dynamiques indépendantes1. En revanche, le couplage entre les deux champs est la source d'une
dynamique complexe (retard, propagation, ...), qui élève le concept de champ électromagnétique au
rang de véritable système physique doté d'une énergie et d'une impulsion ainsi que d'une dynamique
propre.
L'électromagnétisme se base sur une théorie de l'électrodynamique pour décrire le couplage entre le
champ électromagnétique et le système mécanique que sont les charges électriques.
L'électrodynamique classique utilise par exemple un faible nombre d'équations fondamentales :

Les équations de Maxwell déterminent le champ électromagnétique à partir des sources que
sont les charges et les courants.

Le champ exerce quant à lui sur la matière une action mécanique, la force de Lorentz, qui est
la description classique de l'interaction électromagnétique.
Historique
William Gilbert, le premier, dans son De Magnete 1600, fait la distinction entre corps électriques (il
introduit ce terme) et magnétiques. Il assimile la Terre à un aimant, note les lois de répulsion et
d'attraction des aimants par leur pôle et l'influence de la chaleur sur le magnétisme du fer. Il donne
aussi les premières notions sur l'électricité, dont une liste des corps électrisables par frottement.

en 1803, Johann Ritter, conjecture que la Terre doit avoir « des pôles électriques comme elle
a des pôles magnétiques »2.
On connaît depuis longtemps l'aimantation des paratonnerres et l'affolement des boussoles touchées
par la foudre.

En 1809, François Arago, lors d'un voyage forcé en Algérie, rapporte « qu'un bâtiment génois,
qui faisait route pour Marseille, fut frappé par la foudre à peu de distance d'Alger ; que les aiguilles
de boussole firent toutes une demi-révolution, quoique ces aiguilles ne parussent pas
endommagées. »3

En 1820, le Danois Hans Christian Oersted fait une observation extraordinaire : un fil
parcouru par un courant dévie l'aiguille d'une boussole placée à proximité.
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En 1831, Michael Faraday étudie le comportement d'un courant dans un champ magnétique
et s'aperçoit que celui-ci peut produire du travail. Oersted avait découvert qu'un courant électrique
produit un champ magnétique, Faraday découvre qu'un champ magnétique engendre un courant
électrique. Il découvre ainsi le principe du moteur électrique et donc la transmission du travail
mécanique en énergie électrique, inventant ainsi la génératrice de courant. Dans un article de
1852 (On the Physical Character of the Lines of Magnetic Force), Faraday dévoile l'existence du
champ magnétique en décrivant les « lignes de force » le long desquelles s'oriente la limaille de
fer au voisinage de l'aimant.
L'électromagnétisme est né de l'unification par James Maxwell (1864) de théories antérieures, comme
l'électrostatique, l'électrocinétique ou la magnétostatique. Cette théorie unifiée explique entre autres le
comportement des charges et courants électriques, des aimants, ou des ondes électromagnétiques,
telles la lumière ou les ondes radio.
Le concept fondamental de la théorie est la notion de champ électromagnétique, entité qui englobe
le champ électrique et le champ magnétique, qui se réduit dans certains cas particuliers :
1. Les charges sont immobiles : on est alors en électrostatique avec des champs électriques
statiques.
2. La densité de charge est nulle et les courants sont constants dans le temps : on est
en magnétostatique avec un champ magnétique statique.
3. Lorsque les courants sont relativement faibles, variables et se déplacent dans des
conducteurs isolés dits fils électriques, les champs magnétiques produits sont très localisés
dans des éléments dits bobines d'auto-inductance, self, transformateurs ou générateurs et
les densités de charges non nulles dans des condensateurs ou batteries génératrices de
courants : on est alors en électrocinétique ; on y distingue les courants faibles (électronique)
et les courants forts (électrotechnique). Il n'y a pas de champ à l'extérieur du circuit. On
étudie des circuits électriques et l'on y distingue les basses fréquences et les hautes
fréquences. L'électronique a fait des progrès énormes à partir du développement des semiconducteurs qui sont maintenant utilisés pour faire des circuits intégrés de plus en plus
miniaturisés et comportant des puces électroniques ou microprocesseurs.
4. Les hautes fréquences atteintes par les circuits résonnants électriques ont permis, à l'aide
d'antennes, de créer des ondes électromagnétiques éliminant ainsi les fils de connexions.
L'émission, la propagation et la réception de ces ondes qui sont régies par les équations de
Maxwell constituent l'électromagnétisme.
L'interaction électromagnétique présentée en termes fondamentaux de la physique
théorique ou physique fondamentale s'appelle l'électrodynamique ; si on tient compte de
l'aspect quantique, c'est l'électrodynamique quantique relativiste.
Ce formalisme est semblable à celui de la mécanique quantique : la résolution de l'équation de
Schrödinger, ou de sa version relativiste (l'équation de Dirac), donne la probabilité de présence de
l'électron et la solution de l'équation de Maxwell, longtemps interprétée comme une onde, est à la
base une équation de probabilité pour le photon, qui n'a ni charge ni masse et qui ne se déplace qu'à
la vitesse de la lumière dans le vide.
Différents domaines
L’électromagnétisme englobe l'électricité, regroupant les phénomènes électriques et
magnétiques suivants :

l’électrostatique : les systèmes de charges électriques à l’équilibre ;

la magnétostatique : les phénomènes créés par un courant électrique stationnaire ;

l'induction magnétique : les phénomènes magnétiques créés par un courant électrique
variable ;

l'électrodynamique : les interactions dynamiques entre courants électriques :

l’électronique : l'utilisation de tension, de courants généralement faibles et de
phénomènes quantiques. L’électronique sert essentiellement pour le transfert, le contrôle et le
traitement de l’information ;

l’électrocinétique ou l'électrotechnique : l’utilisation de tensions, de courants moyens
à élevés pour des applications domestiques et
industrielles (chauffage, transformateurs, moteurs
électriques, électrolyse, électroménager, distribution, automatisation…) ;

la radioélectricité : les transmissions par ondes électromagnétiques.
Formulaire

Loi de Coulomb

Loi de Biot et Savart

Équations de Maxwell
Notes et références
1.
↑ Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc & Gilbert Grynberg, Photons et atomes – Introduction à
l'électrodynamique quantique, [détail des éditions].
2.
↑ Nicolas Witkowski, Une histoire sentimentale des sciences, Seuil coll. Points, 2003, p. 178.
3.
↑ J. N. Hachette, Journal de physique, 1820).
Articles connexes

Force électromagnétique

Électricité

Magnétisme

Équations de Maxwell

Onde radio

Rayonnement électromagnétique

Chambre anéchoïque