Toute la complexité de l'univers qui nous entoure provient finalement de quatre forces fondamentales: la gravité, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et l'électromagnétisme. L'électromagnétisme peut être un sujet difficile à étudier, mais les bases de la force et de son fonctionnement sont assez simple, et la loi de force de Lorentz, en particulier, vous indique les points clés dont vous avez besoin pour comprendre. En un mot, la force électromagnétique fait que des charges différentes - positives et négatives - s'attirent et se repoussent.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
L'électromagnétisme est l'une des quatre forces fondamentales de l'univers. Il décrit comment les particules chargées réagissent aux champs électriques et magnétiques, ainsi que les liens fondamentaux entre elles. La force électromagnétique, comme toutes les forces, est mesurée en Newtons.
Les forces électrostatiques sont décrites par la loi de Coulomb, et les forces électriques et magnétiques sont couvertes par la loi des forces de Lorentz. Cependant, les quatre équations de Maxwell fournissent la description la plus détaillée de l'électromagnétisme.
Électromagnétisme: les bases
Le terme électromagnétisme combine les forces électriques et magnétiques en un seul mot car les deux forces sont dues au même phénomène sous-jacent. Les particules « chargées » génèrent des champs électriques, et les charges positives et négatives réagissent différemment à ce champ, ce qui explique la force que nous observons. Pour les interactions électriques, les particules chargées positivement (comme les protons) repoussent les particules chargées positivement et attirent celles chargées négativement (comme les électrons), et vice versa. Les lignes de champ électrique se propagent directement vers l'extérieur à partir de charges électriques positives, ce qui pousse les particules dans la direction ou dans la direction opposée aux lignes de champ.
Le magnétisme provient des champs magnétiques, qui sont générés par des charges en mouvement. Les particules ne réagissent pas aux champs magnétiques de la même manière qu'aux champs électriques. Les lignes de champ magnétique forment des cercles, sans début ni fin. En réponse à eux, les particules se déplacent dans une direction perpendiculaire à la fois à leur mouvement et à la ligne de champ. Comme pour les forces électriques, les particules chargées positivement et celles chargées négativement se déplacent dans des directions opposées.
La force électromagnétique est la deuxième force la plus puissante de la nature. La force nucléaire forte est la plus forte, les forces électromagnétiques sont 137 fois moins puissantes, la force la force nucléaire faible est un million de fois plus petite, et la gravité est beaucoup, beaucoup plus petite que le reste (environ 6 × 10−39 fois plus faible que la force nucléaire forte).
Forces électrostatiques et loi de Coulomb
La « force électrostatique » fait référence à la force électrique générée par des charges stationnaires. Il est décrit par une équation simple connue sous le nom de loi de Coulomb. Celui-ci indique que :
F=\frac{kq_1q_2}{r^2}
Ici,Fsignifie forcer,kest une constante,q1 etq2 sont les charges, etrest la distance entre eux. Des charges plus grosses produisent une force plus grande, et plus de séparation affaiblit la force de la force. Comme pour toutes les forces, la force électromagnétique est mesurée en Newtons (N). La constanteka une valeur spécifique, 9 × 109 Nm2 / C2. La charge est mesurée en coulombs (C), et vous entrez le signe de la charge (+ ou -) avec la force, de sorte que l'équation a une valeur positive pour la répulsion et une valeur négative pour l'attraction.
La loi de la force de Lorentz
La loi de la force de Lorentz incorpore à la fois des forces magnétiques et électriques, c'est donc l'une des meilleures représentations de la force électromagnétique. La loi stipule :
\bold{F}=q(\bold{E}+\bold{v}\times\bold{B})
OùEest le champ magnétique,vest la vitesse de la particule, etBest le champ magnétique. Ceux-ci sont en gras car ce sont des vecteurs, qui ont une direction aussi bien qu'une force, et le× Le symbole est un produit vectoriel plutôt qu'une simple multiplication. L'équation nous dit que la force totale est la somme du champ électrique et du produit vectoriel de la vitesse de la particule et du champ magnétique, le tout multiplié par la charge de la particule. Le produit vectoriel produit une force dans une direction perpendiculaire aux deux, conformément à la section précédente.
L'électromagnétisme en action: atomes, lumière, électricité et plus
L'électromagnétisme se manifeste sous de nombreuses formes dans la vie quotidienne et la physique. Les atomes sont maintenus ensemble par l'attraction électromagnétique entre les protons du noyau et les électrons en orbite. La lumière est une onde électromagnétique, où un champ électrique oscillant génère un champ magnétique changeant, qui à son tour crée un champ électrique, et ainsi de suite. Ceci est prédit par les équations de Maxwell (quatre équations qui expliquent tout sur l'électromagnétisme dans le langage du calcul vectoriel), y compris la vitesse caractéristique à laquelle il se déplace.
L'électromagnétisme est également responsable de l'électricité qui alimente votre écran et l'appareil sur lequel vous lisez, le flux d'électrons propulsé le long des lignes de champ électrique fournissant l'énergie. Ces exemples ne font qu'effleurer le large éventail de phénomènes expliqués par l'électromagnétisme.