Lélectromagnétisme, aussi appelé interaction électromagnétique, est la branche de la physique qui étudie les interactions entre particules chargées électriquement, qu'elles soient au repos ou en mouvement, et plus généralement les effets de l'électricité, en utilisant la notion de champ électromagnétique. Il est d'ailleurs possible de définir l'électromagnétisme comme l'étude du champ électromagnétique et de son interaction avec les particules chargées.
L'électromagnétisme est, avec la mécanique, une des grandes branches de la physique dont le domaine d'application est considérable. L'électromagnétisme permet de comprendre l'existence des ondes électromagnétiques, c'est-à-dire aussi bien les ondes radio que la lumière, ou encore les micro-ondes et le rayonnement gamma. Ainsi, dans son article de 1864, « A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field », Maxwell écrit : « L'accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l'espace suivant les lois de l'électromagnétisme ».
De ce point de vue, l'optique tout entière peut être vue comme une application de l'électromagnétisme. L'interaction électromagnétique, force forte, est également une des quatre interactions fondamentales ; elle permet de comprendre (avec la mécanique quantique) l'existence, la cohésion et la stabilité des édifices chimiques tels que les atomes ou les molécules, des plus simples aux plus complexes.
Du point de vue de la physique fondamentale, le développement théorique de l'électromagnétisme classique est à la source de la théorie de la relativité restreinte au début du . La nécessité de concilier théorie électromagnétique et mécanique quantique a conduit à construire l'électrodynamique quantique, qui interprète l'interaction électromagnétique comme un échange de particules appelées photonsAu demeurant, une des premières théories à caractère quantique est celle de l'effet photoélectrique, qui conduit Einstein à introduire la notion même de photon en 1905.. En physique des particules, l'interaction électromagnétique et l'« interaction faible » sont unifiées dans le cadre de la théorie électrofaible.
Histoire Pendant longtemps les phénomènes électriques et les phénomènes magnétiques ont été considérés comme indépendants. En 1600, William Gilbert explicite, dans son ouvrage De Magnete, la distinction entre corps électriques (il introduit ce terme) et magnétiques. Il assimile la Terre à un aimant, note les répulsions et attractions des aimants par leurs pôles 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.
Les Grecs avaient seulement remarqué que des morceaux d'ambre frottés pouvaient attirer des corps légers, tels des copeaux ou de la poussière, et par ailleurs qu'il existait un minéral, la « pierre d'aimant » ou magnétiteDu Grec μαγνησὶα, nom d'une ville de Lydie connue pour receler ce type de minéral., capable d'attirer le fer et les métaux ferreux.
La découverte au par Ørsted, Ampère et Faraday de l'existence d'effets magnétiques de l'électricité a conduit progressivement à envisager que les forces « électrique » et puissent être en fait unifiées, et Maxwell propose en 1860 une théorie générale de l'électromagnétisme classique, qui pose les fondements de la théorie moderne.
La perturbation des boussoles sous l'action de la décharge de la foudre était un phénomène bien connu au . Cela créait un lien entre électricité et magnétisme, mais difficile à interpréter et impossible à reproduire. Par ailleurs les lois de l'électricité et du magnétisme énoncées par Charles Coulomb distinguaient bien l'électricité d'un côté et le magnétisme de l'autre, même si ces lois se présentaient sous la même forme mathématique. En 1820, le Danois Hans Christian Ørsted fait une observation extraordinaire : un fil rectiligne parcouru par un courant continu dévie l'aiguille d'une boussole placée à proximité. En 1820, André-Marie Ampère met en évidence les interactions entre courants électriques et assimile tout aimant, y compris le globe terrestre, à un ensemble de courants. En 1831, Michael Faraday étudie le comportement d'un courant dans un champ magnétique, et s'aperçoit que celui-ci peut produire du travail. Ørsted 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 conversion 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. En 1864, James Maxwell unifie les 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 encore des ondes électromagnétiques telles la lumière ou les ondes radio qui apparaissent en fait comme la propagation de perturbations électromagnétiques. L'électromagnétisme est né.
Concepts L'électromagnétisme dit classique correspond à la théorie « usuelle » de l'électromagnétisme, élaborée à partir du travail de Maxwell et Faraday. Il s'agit d'une théorie classique, car elle se fonde sur des champs continus, par opposition à la théorie quantique. En revanche, il ne s'agit pas d'une théorie non relativiste : en effet, bien que proposées antérieurement à la théorie de la relativité restreinte, les équations de Maxwell, qui sont à l'origine de la théorie classique, sont invariantes par transformations de LorentzToutefois, ceci n'est pas facile à mettre en évidence dans le formalisme tridimensionnel usuel, mais devient évident lorsque ces équations sont écrites en utilisant le formalisme quadridimensionnel..
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 : Les charges sont immobiles : on est alors en électrostatique, avec des champs électriques statiques. La densité de charge est nulle et les courants sont constants dans le temps : on est en magnétostatique, avec un champ magnétique statique. Lorsque les courants sont relativement faibles, sont variables et se déplacent dans des conducteurs isolés, , les champs magnétiques produits sont très localisés, dans des éléments dits bobines d'auto-inductance, self, transformateurs ou générateurs, avec les densités de charge électrique non nulles dans des condensateurs ou batteries génératrices de courants : on est alors en électrocinétique ; on y distingue les courants faibles et les courants forts. Il n'y a pas de champ à l'extérieur du circuit (ou de façon résiduelle « un peu » selon la conception). 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 semi-conducteurs, qui sont maintenant utilisés pour faire des circuits intégrés de plus en plus miniaturisés, et comportant des puces électroniques ou microprocesseurs. 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 connexion. 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, 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 l'origine 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.
Interactions fondamentales
L'interaction électromagnétique est l'une des quatre interactions fondamentales connues. Les autres interactions fondamentales sont : L'interaction nucléaire faible, qui se lie à toutes les particules connues dans le modèle standard, et provoque certaines formes de désintégration radioactive. Toutefois, en physique des particules, l'interaction électrofaible est la description unifiée de deux des quatre interactions fondamentales connues de la nature : l'électromagnétisme et l'interaction faible ; L'interaction nucléaire forte, qui lie les quarks pour former des nucléons, et lie les nucléons pour former des noyaux ; L'interaction gravitationnelle.
Si la force électromagnétique est impliquée dans toutes les formes de phénomènes chimiques, l'interaction électromagnétique est la chose responsable de pratiquement tous les phénomènes que l'on rencontre dans la vie quotidienne au-dessus de l'échelle nucléaire, à l'exception de la gravité. En résumé, toutes les forces impliquées dans les interactions entre atomes peuvent être expliquées par des forces électromagnétiques agissant entre les noyaux atomiques électriquement chargés et les électrons des atomes. La force électromagnétique explique également à partir de leur mouvement comment ces particules ont un mouvement. Cela inclut les forces ordinaires pour « pousser » ou « tirer » des objets matériels ordinaires; Elles résultent des forces intermoléculaires qui agissent entre les molécules individuelles de notre corps et celles des objets.
Une partie nécessaire pour la compréhension des forces intra-atomiques et intermoléculaires est la force effective générée des électrons, par l'élan du mouvement de ceux-ci, de telle sorte que lorsque les électrons se déplacent entre des atomes interagissant, ils exercent un mouvement avec eux. À mesure que la collection d'électrons devient plus confinée, leur impulsion minimum augmente nécessairement en raison du principe d'exclusion de Pauli. Le comportement de la matière à l'échelle moléculaire, y compris sa densité, est déterminé par l'équilibre entre la force électromagnétique et la force générée par l'échange d'impulsion porté par les électrons eux-mêmes.
Champ électromagnétique et sources thumb|Visualisation du champ magnétique (statique) engendré par un aimant droit. thumb|Illustration de l'effet d'un champ électrique (statique) : attraction de petits morceaux de papiers par la surface d'un CD électrisé par frottement. La théorie relie deux catégories de champs et des champs couplés entre eux, dont les expressions relèvent du référentiel (galiléen) d'étude, chaque champ dépendant en général du temps : Le champ électromagnétique, constitué lui-même par la donnée de deux champs vectoriels, le champ électrique , qui s'exprime en volts par mètre (V.m−1), et le champ magnétique , qui s'exprime en teslas (T)En toute rigueur, correspond en réalité à l'induction magnétique, le champ magnétique étant noté , qui s'exprime en A.m−1, et est lié (dans le vide) à l'induction magnétique par , où est la perméabilité magnétique du vide. Toutefois, en physique fondamentale est le plus souvent appelé "champ magnétique" et cette convention est suivie dans cet article.. Le concept de champ électromagnétique a été forgé au 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 entre eux, même en l'absence de sources :