Introduction
L'électromagnétisme est la branche de la physique qui étudie les interactions entre les champs électriques et magnétiques, ainsi que leurs effets sur la matière. Il constitue l'un des piliers de la physique classique et moderne, expliquant une gamme phénoménale de phénomènes naturels, de l'arc-en-ciel au fonctionnement du cerveau. Sa formulation mathématique complète, les équations de Maxwell, est considérée comme l'un des plus grands accomplissements scientifiques du XIXe siècle.
Description
L'électromagnétisme repose sur le concept de champ : un champ électrique est produit par des charges électriques stationnaires ou en mouvement, tandis qu'un champ magnétique est produit par des charges en mouvement (courants) ou par des moments magnétiques intrinsèques. Ces deux champs sont intrinsèquement liés : un champ magnétique variable dans le temps génère un champ électrique (induction, découverte par Faraday), et réciproquement, un champ électrique variable génère un champ magnétique (correction d'Ampère par Maxwell). Cette interdépendance permet l'existence d'ondes électromagnétiques, qui se propagent dans le vide à la vitesse de la lumière. La lumière visible, les ondes radio, les rayons X et les micro-ondes ne sont que des manifestations de ces ondes, différant uniquement par leur fréquence et longueur d'onde.
Histoire
L'histoire de l'électromagnétisme est une longue saga d'observations isolées unifiées par le génie. Dans l'Antiquité, Thalès de Milet observa l'électricité statique de l'ambre (elektron en grec) et les propriétés de la magnétite. Pendant des siècles, électricité et magnétisme furent considérés comme distincts. William Gilbert, au XVIe siècle, fit les premières études systématiques. Le tournant décisif intervint en 1820 lorsque Hans Christian Ørsted découvrit qu'un courant électrique déviait une aiguille aimantée, établissant le premier lien expérimental. André-Marie Ampère formula mathématiquement cette interaction. Michael Faraday, avec ses découvertes de l'induction électromagnétique (1831) et du concept de champ, posa les bases pratiques et conceptuelles. Le point d'orgue fut atteint par James Clerk Maxwell qui, entre 1861 et 1864, synthétisa toutes les connaissances en un ensemble de quatre équations différentielles. Ces équations prédisaient l'existence des ondes électromagnétiques, confirmée expérimentalement par Heinrich Hertz en 1887.
Caracteristiques
Les caractéristiques fondamentales de l'électromagnétisme sont encapsulées dans les équations de Maxwell. 1) La loi de Gauss pour l'électricité : le flux du champ électrique à travers une surface fermée est proportionnel à la charge électrique contenue à l'intérieur. 2) La loi de Gauss pour le magnétisme : le flux du champ magnétique à travers toute surface fermée est toujours nul, signifiant l'inexistence de monopôles magnétiques isolés. 3) La loi de l'induction de Faraday : un champ magnétique variable dans le temps crée un champ électrique rotatif. 4) La loi d'Ampère-Maxwell : un courant électrique ou un champ électrique variable crée un champ magnétique rotatif. Ces équations sont linéaires et décrivent une force à longue portée, bien plus intense que la gravité, mais qui s'annule dans les objets macroscopiquement neutres. L'électromagnétisme est également la première théorie physique à intégrer pleinement la relativité restreinte.
Importance
L'importance de l'électromagnétisme est incommensurable. Sur le plan théorique, il a unifié trois domaines auparavant distincts et a ouvert la voie à la physique moderne, notamment à la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, née de l'étude de l'invariance des équations de Maxwell. Pratiquement, il est le fondement de la seconde révolution industrielle. Toute la production, le transport et l'utilisation de l'énergie électrique en dépendent (générateurs, moteurs, transformateurs). Les télécommunications (radio, télévision, téléphonie, Wi-Fi, fibre optique) reposent sur la propagation des ondes électromagnétiques. Il est essentiel à l'électronique (ordinateurs, smartphones), à l'imagerie médicale (IRM, radiographie), et à la recherche scientifique (accélérateurs de particules, télescopes radio). Sans la compréhension de l'électromagnétisme, le monde moderne tel que nous le connaissons n'existerait tout simplement pas.
