L électromagnétisme (Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs)

« pour définir les lignes de champ d'un aimant, de disposer de la limaille de fer orientation.

En fait, les atomes de fer se comportent comme de petits aimants temporaires et ils sont sensibles au champ magnétique environnant.

On dit alors que le fer est un matériau ferromagnétique, qu'il est possible d'aimanter .

CHAMP MA'NtrlQUE CRU PAR UN COURANT La magnétostatique constitue l'étude des phénomènes créés par un champ magnétique statique , c'est-à-dire qui n'évolue pas dans le temps .

Ce type de champ peut être créé par un aimant mais pas uniquement.

Ainsi, en 1820 , le physicien danois Œrsted découvre qu'une aiguille aimantée placée à proximité d'un fil est déviée lorsqu 'un courant passe dans celui-ci .

C'est donc qu'un courant crée un champ magnétique .

La même année , les physiciens français Jean-Baptiste Biot et Félix Savart mesurent ce champ et étab lissent une loi portant leur nom.

Elle permet de calculer le champ magnétique en tout point de l'espace autour du fil en fonction du courant qui y circule.

La loi stipule que le champ est proportionnel au courant et inversement proportionnel au carré de la distance (comme la loi de Coulomb) .

Ainsi .

plus un courant est inten se (plus le nombre d 'électrons est important), plus le champ magnétique est fort Les électroaimants sont une application directe de ce phénomène .

On fait circuler un courant électrique dans un matériau conducteur (de l'aluminium par exemple), cela crée un champ magnétique beaucoup plus important que ce que peut produire n'importe quel aimant.

Les électroaimants sont notamment utilisés dans les moteurs électriques.

Une expérience simple permet de montrer que les électrons sont sensibles au champ magnétique .

Si l'on place un aimant juste devant l'écran d 'une télévision , on peut remarquer la déformation des images et la modification des couleurs.

L'image de la télévision est créée par le balayage systématique de la surface de l'écran par le faisceau .

La présence du champ magnétique modifie la trajectoire des électrons et donc la structure de l'image .

L'électron est en fait soumis à la force magnétique .

li s'agit de la force de Lorentz , du nom du physicien qui réalisa de nombreux travaux sur les propriétés magnétiques des matériaux à la fin du XIX' siècle .

Cette force est proportionnelle à la charge de l'électron, à la vitesse de celui-ci ainsi qu'au champ magnétique.

Elle est dirigée selon un axe à la fois perpendiculaire à la trajectoire de l'électron et au champ magnétique environnant.

Les travaux de Lorentz ont notamment montré que cette force ne s'appliquait pas uniquement aux électrons mais à toute particule chargée .

L'INDUCTION ÉLECTROMAGNETIQUE LE PHÉNOMÈNE D'INDUCTION Si la loi de Biot et Savart constitue une première approche des effets magnétiques provoqués par un courant électrique , elle reste limit ée à des phénomènes indépendants du temps.

Michael Faraday , en s'inspirant de l'expérience d'Œrsted, parvient à montrer que le mouvement d'un aimant à proximité d'un fil crée un courant au sein de celui­ ci : on dit que c'est un courant induit.

Faraday découvre ainsi qu'un champ magnétique variable peut créer un courant électrique :c'est l'induction électromagnétique.

Les phénomènes électriques et magnétiques sont donc liés et interdépendants.

Mais comment ce courant induit naît-il ? Un matériau conducteur possède des électrons libres de se déplacer.

S'il n 'y a pas de courant , ceux-ci sont immobiles .

La présence d'un champ magnétique variable va les mettre en mouvement à l'intérieur du fil conducteur, via la force de Lorentz : il y a donc création d 'un courant induit.

Le principe inverse qui consiste à créer un courant en faisant bouger un fil électrique au voisinage d'un aimant est identique, car du point de vue du fil, le champ magnétique est alors variable .

C'est ce principe qui est utilisé pour produire de l'électricité.

On fait tourner d'énormes bobines de fil placées dans des aimants et on récupère le courant induit.

L'énergie utilisée pour mettre en mouvement ces bobines peut être hydraulique, éolienne ou bien nucléaire .

LE MICROPHONE Une application directement issue du phénomène d'induction est le microphone .

Celui-ci possède une membrane .

Lorsqu'un son est émis, la membrane est a lors mise en mouvement par les vibrations de l'air à son voisinage .

Une bobine de fil solidaire de la membrane est enroulée autour d 'un aimant.

Donc lorsque la membrane vibre, le fil conducteur est mis en mouvement au sein du champ magnétique créé par l'aimant : il y a création d'un courant induit.

Ce courant est proportionnel au déplacement du fil, donc de la membrane .

Par conséquent.

le courant induit au sein du fil, retranscrit le son généré devant le microphone .

LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTQUES LES ÉQUATIONS DE MAXWELL En 1873, le physicien écossais James Clerk Maxwell , dans son Traité d'électricité et de Magnétisme, élabore de manière rigoureuse une théorie de l'électro­magnétisme et montre claire- ment que les phénomènes élect riques et magnétiques sont couplés.

Grâce au formalisme mathématique, il établit neuf équations fondamentales qui décrivent tous les phénomènes déjà évoqués, que ce soient les effets provoqués par des charges fixes ou en mouvement ou bien le phénomène d'induction.

Les fameuses équations de Maxwell permettent également de constater que les phénomènes électromagnétiques ne sont pas instantanés mais se propagent à une vitesse finie.

Cette vitesse devient désormais calculab le alors qu'elle n'était auparavant pas mesurable car trop élevée .

Maxwell montre que cette propagation a lieu sous forme d'ondes .

On peut assimiler cette propagation d'onde à des vagues créées par le jet d'une pierre dans un étang.

La pierre est alors comparable à la source qui crée l'onde, c'est-à-dire une charge électrique en mouvement.

Pour caractériser une onde électromagnétique, on définit alors quelques grandeurs fondamentales.

Notamment la longueur d'onde qui, si l'on continue la comparaison précédente , est la distance entre les sommets de deux vagues successives, 1-------------...l.-------------l-------------~ et par convention on l'appelle lambda .

Principe de fonctionnement du microphone vibrations de l'air Mouvements de la membrane Déplacement de la bobine Création d 'un courant induit Autre valeur fondamentale, la vitesse de l'onde qui correspond à la vitesse d'une vague .

LA LUMIÈRE L'implication la plus importante des équations de Maxwell est sans aucun doute l'assimilation de la lumière dont Auguste Fresnel avait montré le caractère ondulatoire en 1819.

C'est le physicien allemand Heinrich Hertz qui en 1887 , produit des ondes électro­ magnétiques de grandes longueurs d'ondes (ce sont les ondes dites hertziennes), mesure leur vitesse et montre que toutes leurs propriétés sont identiques à celles de la lumière .

Ainsi, la théorie élaborée par Maxwell englobe à la fois l'électricité, le magnéti sme ainsi que l 'optique.

Les trav aux de Hertz montrent que le domaine des ondes électromagnétiques, en terme de longueu r d'onde, est infini : c'est le spectre électromagnétiq ue.

On définit différentes gammes d'ondes en fonction de leur longueur d 'onde .

Dans l'ordre croissant des longueurs d'onde, o n trouve d'abord les rayons gamma, les rayons X, les ultraviolets puis la lumière visible qui représente seulement une infime partie du spectre , les infrarouges et enfin les ondes radio notamment utilisées pour les télécommunications hertziennes.

L'ÉLECTROMAGNÉTISME ET LA PHYSIQUE MODERNE Capable d'expliquer de nombeux phénomènes expérimentaux, la théorie de l'électromagnétisme bâtie par Maxwell s'accomode au X IX' siècle d 'une conception qui est remise en question par l'expérience des Américains Albert Michelson et Edward Morley.

À cette époque, les physiciens pensent en effet que la lumière se propage, comme le son, en faisant vibrer un milieu particulier, l'éther .

L'expérience de Morley et Michelson doit donc mesurer la vitesse de la lumière dans le sens ou bien à contre-sens du mouvement de l'éther (c'est-à-dire dans le sens du déplacement de la Terre ou dans le sens opposé), comme un nageur qui ralentit lorsqu 'il nage contre le courant ou accélère lorsqu'il nage avec le courant.

Or Morley et Michelson montren t que la vitesse de la lumière est identique dans les deux sens.

Cette découverte révolutionne la physique puisqu'elle signifie que la vitesse de la lumière est indépendante du référentiel (système de référence dans lequel on effectue la mesure), contrairement à tout autre objet connu auparavant.

Le fait que la vitesse de la lumière soit une valeur fixe, quelque soit la vitesse de l'observateur, remet en cause les notions d'espace et de temps et c'est ce qui inspire la Relativité Restre inte à Albert Einstein en 1905 .

Par ailleurs , la théorie se révèle incapable d'expliquer la nature corpuscu laire de la lumière .

C'est la physique quantique, avec tout d'abord le physicien allemand Max Planck, puis de nouveau Albert Einstein en 1905, qui explique que la lumière est à la fois une onde comme le prévoyait la théorie de Maxwell, mais qu'elle est également constituée de particules de masse nulle appelés photons; c'est ce qu'on appelle la dualité onde-corpuscule.

Et enfin, en 1929, l'allemand Werner Heisenberg et le suisse Wolfgang Pauli effectuent l'étude quantique de particules chargées dans un champ électromagnétique.

Cette fusion entre les deux grands pans de la physique que sont la physique quantique et l'électromagnétisme , appelée l'électrodynamique quantique, prendra sa forme définitive grâce à Richard Feynman en 1949 .. »