Les forces électriques et magnétiques sont deux forces présentes dans la nature. Bien qu'à première vue ils puissent sembler différents, ils proviennent tous deux de champs associés à des particules chargées. Les deux forces ont trois similitudes principales, et vous devriez en apprendre davantage sur la façon dont ces phénomènes surviennent.
1 - Ils viennent en deux variétés opposées
Les charges sont des variétés positives (+) et négatives (-). Le porteur de charge positif fondamental est le proton et le porteur de charge négatif est l'électron. Les deux ont une charge de magnitude e = 1,602 × 10-19 Coulombs.
Les contraires s'attirent et les goûts se repoussent; deux charges positives placées l'une à côté de l'autrerepousser, ou éprouver une force qui les sépare. Il en est de même pour deux charges négatives. Une charge positive et une charge négative, cependant,attirerl'un l'autre.
L'attraction entre les charges positives et négatives est ce qui tend à rendre la plupart des objets électriquement neutres. Parce qu'il y a le même nombre de charges positives que négatives dans l'univers, et que les forces attractives et répulsives agissent comme elles le font, les charges ont tendance à
neutraliser, ou s'annuler.Les aimants, de même, ont des pôles nord et sud. Deux pôles magnétiques nord se repousseront tout comme deux pôles magnétiques sud, mais un pôle nord et un pôle sud s'attireront l'un l'autre.
Notez qu'un autre phénomène que vous connaissez probablement, la gravité, n'est pas comme ça. La gravité est une force d'attraction entre deux masses. Il n'y a qu'un seul « type » de masse. Il n'existe pas de variétés positives et négatives comme le font l'électricité et le magnétisme. Et ce type de masse est toujours attrayant et non répulsif.
Il existe cependant une différence distincte entre les aimants et les charges, en ce sens que les aimants apparaissent toujours sous la forme d'un dipôle. C'est-à-dire qu'un aimant donné aura toujours un pôle nord et un pôle sud. Les deux pôles ne peuvent pas être séparés.
Un dipôle électrique peut également être créé en plaçant une charge positive et négative à une petite distance, mais il est toujours possible de séparer à nouveau ces charges. Si vous imaginez un barreau aimanté avec ses pôles nord et sud, et que vous essayez de le couper en deux pour faire un séparer le nord et le sud, à la place le résultat serait deux aimants plus petits, tous deux avec leur propre nord et sud poteaux.
2 – Leur force relative par rapport aux autres forces
Si nous comparons l'électricité et le magnétisme à d'autres forces, nous voyons des différences distinctes. Les quatre forces fondamentales de l'univers sont les forces fortes, électromagnétiques, faibles et gravitationnelles. (Notez que les forces électriques et magnétiques sont décrites par le même mot unique - plus à ce sujet dans un instant.)
Si nous considérons que la force forte - la force qui maintient les nucléons ensemble à l'intérieur d'un atome - a une magnitude de 1, alors l'électricité et le magnétisme ont une magnitude relative de 1/137. La force faible - qui est responsable de la désintégration bêta - a une magnitude relative de 10-6, et la force gravitationnelle a une magnitude relative de 6 × 10-39.
Vous avez bien lu. Ce n'était pas une faute de frappe. La force gravitationnelle est extrêmement faible par rapport à tout le reste. Cela peut sembler contre-intuitif – après tout, la gravité est la force qui maintient les planètes en mouvement et maintient nos pieds sur terre! Mais pensez à ce qui se passe lorsque vous ramassez un trombone avec un aimant ou un mouchoir en papier avec de l'électricité statique.
La force qui tire vers le haut le petit aimant ou l'objet chargé d'électricité statique peut contrecarrer la force gravitationnelle de la Terre entière tirant sur le trombone ou le mouchoir! Nous pensons que la gravité est tellement plus puissante non pas parce qu'elle l'est, mais parce que nous avons la force gravitationnelle d'un globe entier agissant sur nous à tout moment alors que, de par leur nature binaire, les charges et les aimants s'arrangent souvent de manière à être neutralisé.
3 – L'électricité et le magnétisme sont les deux faces d'un même phénomène
Si nous regardons de plus près et comparons vraiment l'électricité et le magnétisme, nous voyons qu'à un niveau fondamental ce sont deux aspects du même phénomène appeléélectromagnétisme. Avant de décrire complètement ce phénomène, apprenons à mieux comprendre les concepts impliqués.
Champs électriques et magnétiques
Qu'est-ce qu'un champ? Parfois, il est utile de penser à quelque chose qui semble plus familier. La gravité, comme l'électricité et le magnétisme, est aussi une force qui crée un champ. Imaginez la région de l'espace autour de la Terre.
Toute masse donnée dans l'espace ressentira une force qui dépend de la magnitude de sa masse et de sa distance à la Terre. On imagine donc que l'espace autour de la Terre contient undomaine, c'est-à-dire une valeur attribuée à chaque point de l'espace qui donne une indication de l'ampleur et de la direction relativement grandes d'une force correspondante. L'amplitude du champ gravitationnel à une distancerde la masseM, par exemple, est donnée par la formule :
E= {GM\ci-dessus{1pt} r^2}
Oùgest la constante gravitationnelle universelle 6,67408 × 10-11 m3/(kgs2). La direction associée à ce champ en un point donné serait un vecteur unitaire pointant vers le centre de la Terre.
Les champs électriques fonctionnent de la même manière. L'amplitude du champ électrique à une distancerdu point de chargeqest donné par la formule :
E= {kq\au-dessus{1pt} r^2}
Oùkest la constante de Coulomb 8,99 × 109 Nm2/C2. La direction de ce champ en un point donné est vers la chargeqsiqest négatif, et loin de la chargeqsiqest positif.
Notez que ces champs obéissent à une loi du carré inverse, donc si vous vous déplacez deux fois plus loin, le champ devient un quart aussi fort. Pour trouver le champ électrique généré par plusieurs charges ponctuelles, ou une distribution continue de charge, on trouverait simplement la superposition ou effectuerait une intégration de la distribution.
Les champs magnétiques sont un peu plus délicats car les aimants se présentent toujours sous forme de dipôles. Une amplitude du champ magnétique est souvent représentée par la lettreB, et la formule exacte pour cela dépend de la situation.
Alors, d'où vient le magnétismeVraimentViens de?
La relation entre l'électricité et le magnétisme n'est apparue aux scientifiques que plusieurs siècles après les premières découvertes de chacun. Certaines expériences clés explorant l'interaction entre les deux phénomènes ont finalement conduit à la compréhension que nous avons aujourd'hui.
Les fils porteurs de courant créent un champ magnétique
Au début des années 1800, les scientifiques ont découvert pour la première fois qu'une aiguille de boussole magnétique pouvait être déviée lorsqu'elle était tenue près d'un fil transportant du courant. Il s'avère qu'un fil porteur de courant crée un champ magnétique. Ce champ magnétique à une distancerà partir d'un fil infiniment long transportant du courantjeest donné par la formule :
B= {\mu_0 I\au-dessus{1pt} 2\pi r}
Oùμ0 est la perméabilité au vide 4π × 10-7 N / A2. La direction de ce champ est donnée par lerègle de la main droite– pointez le pouce de votre main droite dans la direction du courant, puis vos doigts s'enroulent autour du fil dans un cercle indiquant la direction du champ magnétique.
Cette découverte a conduit à la création d'électro-aimants. Imaginez prendre un fil porteur de courant et l'enrouler dans une bobine. La direction du champ magnétique résultant ressemblera au champ dipolaire d'un barreau magnétique !
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Mais qu'en est-il des aimants en barre? D'où vient leur magnétisme ?
Le magnétisme dans un barreau aimanté est généré par le mouvement des électrons dans les atomes qui le composent. La charge en mouvement dans chaque atome crée un petit champ magnétique. Dans la plupart des matériaux, ces champs sont orientés dans tous les sens, ce qui n'entraîne aucun magnétisme net significatif. Mais dans certains matériaux, comme le fer, la composition matérielle permet à ces champs de s'aligner tous.
Donc le magnétisme est vraiment une manifestation de l'électricité !
Mais attendez, il y a plus!
Il s'avère que non seulement le magnétisme résulte de l'électricité, mais que l'électricité peut être générée à partir du magnétisme. Cette découverte a été faite par Michael Faraday. Peu de temps après la découverte que l'électricité et le magnétisme étaient liés, Faraday a trouvé un moyen de générer du courant dans une bobine de fil en faisant varier le champ magnétique passant par le centre de la bobine.
La loi de Faradayindique que le courant induit dans une bobine circulera dans une direction qui s'oppose au changement qui l'a provoqué. Cela signifie que le courant induit circulera dans une direction qui génère un champ magnétique qui s'oppose au champ magnétique changeant qui l'a provoqué. Essentiellement, le courant induit essaie simplement de contrer tout changement de champ.
Donc, si le champ magnétique externe pointe dans la bobine et augmente ensuite en amplitude, le courant va s'écouler dans une telle direction pour créer un champ magnétique pointant hors de la boucle afin de contrer cette monnaie. Si le champ magnétique externe pointe dans la bobine et diminue en amplitude, le courant circulera dans une telle direction pour créer un champ magnétique qui pointe également dans la bobine afin de contrer le changement.
La découverte de Faraday a conduit à la technologie derrière les générateurs d'électricité d'aujourd'hui. Afin de générer de l'électricité, il doit y avoir un moyen de faire varier le champ magnétique traversant une bobine de fil. Vous pouvez imaginer tourner une bobine de fil en présence d'un fort champ magnétique afin d'effectuer ce changement. Cela se fait souvent par des moyens mécaniques, comme une turbine déplacée par le vent ou l'écoulement de l'eau.
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Similitudes entre la force magnétique et la force électrique
Les similitudes entre la force magnétique et la force électrique sont nombreuses. Les deux forces agissent sur des charges et ont leurs origines dans le même phénomène. Les deux forces ont des forces comparables, comme décrit ci-dessus.
Force électrique en chargeqen raison du champEest donné par:
\vec{F}=q\vec{E}
La force magnétique en chargeqse déplaçant avec la vitesseven raison du champBest donnée par la loi des forces de Lorentz :
vec{F}=q\vec{v}\times\vec{B}
Une autre formulation de cette relation est :
vec{F}= \vec{I} L\times\vec{B}
Oùjeest le courant etLla longueur du fil ou du chemin conducteur sur le terrain.
En plus des nombreuses similitudes entre la force magnétique et la force électrique, il existe également des différences distinctes. Notez que la force magnétique n'affectera pas une charge stationnaire (si v = 0, alors F = 0) ou une charge se déplaçant parallèlement à la direction du champ (ce qui se traduit par un produit croisé 0), et en fait le degré auquel la force magnétique agit varie avec l'angle entre la vitesse et le domaine.
Relation entre l'électricité et le magnétisme
James Clerk Maxwell a dérivé un ensemble de quatre équations qui résument mathématiquement la relation entre l'électricité et le magnétisme. Ces équations sont les suivantes :
\triangledown \cdot\vec{E}=\dfrac{\rho}{\epsilon_0}\\ \text{ }\\ \triangledown \cdot\vec{B}=0\\ \text{ }\\ \triangledown \times\vec{E}=-\dfrac{\partial\vec{B}}{\partial t}\\ \text{ }\\ \triangledown \times\vec{B}=\mu_0\vec{J}+\mu_0\epsilon_0\dfrac{\partial\vec{E}}{\partial t}
Tous les phénomènes discutés précédemment peuvent être décrits avec ces quatre équations. Mais ce qui est encore plus intéressant, c'est qu'après leur dérivation, une solution à ces équations a été trouvée qui ne semblait pas cohérente avec ce qui était connu auparavant. Cette solution décrit une onde électromagnétique auto-propageante. Mais lorsque la vitesse de cette onde a été dérivée, il a été déterminé qu'elle était :
\dfrac{1}{\sqrt{\epsilon_0\mu_0}}=299.792.485 m/s
C'est la vitesse de la lumière !
Qu'est ce que cela signifie? Eh bien, il s'avère que la lumière, un phénomène dont les scientifiques exploraient les propriétés depuis un certain temps, était en fait un phénomène électromagnétique. C'est pourquoi, aujourd'hui, vous le voyez appeléun rayonnement électromagnétique.
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