L'interaction électromagnétique

L'interaction électromagnétique est l'interaction fondamentale dont les effets sont les plus fréquents dans la vie courante. Ainsi la quasi-totalité des phénomènes de la vie quotidienne (en dehors de la pesanteur) découle de l'électromagnétisme.

Historique

Du fait de la multitude des effets produits par cette interaction, il était très difficile de faire le lien entre des phénomènes très différents, comme par exemple entre les effets électrostatiques et magnétiques. Ainsi, la notion d'électromagnétisme date des années 1860, lorsque James-Clerck Maxwell unifia l'électrodynamique et le magnétisme en une seule et même théorie. Ces fameuses quatre équations de Maxwell sont toujours utilisées pour décrire les effets de l'électromagnétisme à notre échelle, c'est à dire non-quantiques. Maxwell prédit aussi à partir de ses équations l'existence des ondes électromagnétiques et comprit que la lumière visible n'était qu'un cas particulier d'onde électromagnétique. En 1888, Heinrich-Rudolf Hertz parvint à mettre en évidence l'existence de ces ondes électromagnétiques autres que la lumière (d'où le nom d'ondes hertziennes donné aux ondes électromagnétiques utilisées dans les télécommunications).

Les équations de Maxwell ont contribué à la révolution de la physique au début du XX^ème siècle car elles contiennent la notion d'interaction à distance non-instantanée (à la vitesse de la lumière). Elles ont donc contribué à l'élaboration de la relativité restreinte par Albert Einstein en 1905. De plus, Hertz découvrit aussi l'effet photo-électrique (expulsion des électrons d'un métal par la lumière) qui permit à Einstein, toujours en 1905, de montrer que la lumière est aussi constituée de particules, les photons. Cette dualité de la nature de la lumière (à la fois onde et particule) permit aux physiciens de l'époque d'élaborer la physique quantique.

Finalement, après la résolution de nombreux problèmes techniques, une théorie complète de l'interaction électromagnétique, à la fois relativiste et quantique, fut terminée dans les années 1948-1949 par Richard Feynman, Julian Schwinger et Sin-Itiro Tomonaga sur la base de la théorie élaborée par Paul Dirac. Cette théorie est l'électrodynamique quantique (ou QED) et a servi de modèle à l'élaboration des théories des autres interactions (sauf en ce qui concerne la gravitation).

Caractéristiques

L'effet de l'interaction électromagnétique peut être attractif ou répulsif. Ces différences sont faciles à vérifier par les effets électrostatiques ou magnétiques (feuilles de papier, aimants, etc...).

L'interaction électromagnetique s'applique à toute particule possédant une charge électrique non-nulle. Il existe des charges électriques positives et négatives. Les particules élémentaires libres possèdent des charges électriques quantifiées, c'est à dire qu'elles ont toutes une charge électrique égale à un nombre entier de fois la charge électrique élémentaire appelée e=1,6.10^-19 C. Un électron a une charge électrique -e, un proton une charge électrique +e. Le fait que les charges électriques soient quantifiées n'est toujours pas compris à l'heure actuelle. Les charges électriques sont additives, le système formé par un proton et un électron (un atome d'hydrogène) a donc une charge électrique nulle, il est électriquement neutre (il est insensible à l'interaction électromagnétique). Les atomes, et donc la matière ordinaire, sont ainsi électriquement neutres.

La force coulombienne dérivée des équations de Maxwell permet de calculer les effets électrostatiques sur des charges électriques au repos. Le champ électrique créé par une charge électrique Q (en C) situé à une distance d (en m) est donné par :

La force coulombienne subie par une charge électrique q (en C) est alors :

On voit que le signe de F dépend du signe du produit Qq: si les deux charges Q et q sont du même signe, l'effet est répulsif, sinon il est attractif. L'intensité de cette force est très importante. Par exemple, la force de répulsion électrostatique entre deux personnes de 80 kg situées à une distance d'1 m, si chacune de ces personnes avait un excès d'un électron sur un million, serait F=10¹⁷ N soit la même force que le poids d'un objet de dix mille milliards de tonnes à la surface de la Terre ! Heureusement, la matière est électriquement neutre, ce qui permet de ne pas subir ce genre d'effet dans la vie courante...

La particule vecteur de l'interaction électromagnétique est le photon. Ainsi, bien plus qu'un ``grain de lumière'', ou tout simplement l'aspect corpusculaire des ondes électromagnétiques, le photon est aussi la particule de rayonnement échangée par les particules de matière lorsqu'elles interagissent par électromagnétisme. Le photon a une masse nulle, ce qui permet donc des interactions électromagnétiques à une distance infinie, bien sûr avec une diminution de l'intensité. Le photon se déplace à la vitesse de la lumière c=299792458 m/s, ce qui semble être une tautologie mais, en fait, la lumière se déplace à cette vitesse parce que le photon a une masse nulle (dans la théorie de la relativité restreinte, une particule de masse nulle ne peut pas être au repos et doit se déplacer à la vitesse c)... Il se trouve seulement que cette vitesse universelle c a été mesurée pour la première fois avec de la lumière.

Manifestations courantes

Les manifestations courantes de l'interaction électromagnétique sont très nombreuses et variées. Les premières qui viennent à l'esprit (en raison du nom ``électromagnétique'') sont bien sûr les phénomènes électrostatiques, électriques et magnétiques.

En fait, toute notre civilisation est basée sur l'électronique et les télécommunications, reposant entièrement sur l'interaction électromagnétique. En dehors des applications immédiates de l'électricité, les matériels électroniques et informatiques sont maintenant devenus indispensables. De même, l'utilisation des ondes électromagnétiques est devenue très importante, que ce soit pour les radars, la radio, la télévision, la téléphonie mobile ou même les micro-ondes.

Mais l'application la plus courante est tout simplement la lumière visible, qui est simplement l'onde électromagnétique à laquelle est sensible notre rétine.

Cependant, il ne faut pas oublier que l'interaction électromagnétique est aussi la base même de la cohésion de la matière que nous connaissons. En effet, c'est elle qui permet l'existence des atomes, en liant les noyaux atomiques (de charge électrique positive) avec les électrons (de charge électrique négative). Cette liaison permet aussi de combiner les atomes entre eux pour créer des molécules et aussi assurer la cohésion des solides et les propriétés des liquides et des gaz. Ces liaisons entre molécules permettent aussi de comprendre la chimie, et la chimie de certaines classes de molécules permet de comprendre la biologie. Finalement, le comportement de la matière à notre échelle et notre existence même sont des conséquences de l'électromagnétisme.

L'interaction électromagnétique est donc responsable de quasiment tous les phénomènes de la vie courante (en dehors de la pesanteur). En particulier, nos cinq sens sont basés sur elle pour interagir avec notre monde environnant. La vue utilise bien sûr la lumière, donc une onde électromagnétique de fréquence bien précise. L'odorat et le goût utilisent des capteurs chimiques pour analyser certaines molécules, donc des liaisons électromagnétiques entre ces capteurs et les molécules analysées. Le toucher utilise l'interaction électromagnétique pour établir le contact entre les capteurs de la peau et le milieu environnant. Enfin, l'ouïe est aussi basée sur le contact avec le milieu environnant, dans ce cas precis l'air, dont les variations de pressions sont analysées en fonction de la fréquence.

En résumé, l'interaction électromagnétique est la seule interaction utilisée naturellement par le corps humain pour communiquer, analyser l'environnement (sauf pour distinguer le haut du bas), consommer de l'énergie, se développer, bref pour vivre...