Les phénomènes électriques et magnétiques sont connus de l'humanité depuis l'Antiquité. Après tout, des éclairs ont été observés et de nombreux anciens connaissaient les aimants qui attirent certains métaux. La batterie de Bagdad, inventée il y a 4000 ans, est l’une des preuves que bien avant nos jours, l’humanité utilisait l’électricité et savait apparemment comment elle fonctionnait. Cependant, on pense que jusqu’au début du XIXe siècle, l’électricité et le magnétisme ont toujours été considérés séparément, acceptés comme des phénomènes sans rapport et appartenaient à des branches différentes de la physique.

L'étude du champ magnétique a commencé en 1269, lorsque le scientifique français Pierre Pérégrin (Chevalier Pierre de Méricourt) a marqué le champ magnétique sur la surface d'un aimant sphérique à l'aide d'aiguilles en acier et a déterminé que les lignes de champ magnétique résultantes se coupaient en deux points, ce qui il appelait « pôles » par analogie avec les pôles de la Terre.

Oersted, dans ses expériences, n'a découvert qu'en 1819 la déviation d'une aiguille de boussole située à proximité d'un conducteur porteur de courant, puis le scientifique a conclu qu'il existait une sorte de relation entre les phénomènes électriques et magnétiques.

5 ans plus tard, en 1824, Ampère était capable de décrire mathématiquement l'interaction d'un conducteur porteur de courant avec un aimant, ainsi que l'interaction des conducteurs entre eux, ainsi il apparut : « la force agissant sur un conducteur porteur de courant placé dans un champ magnétique uniforme est proportionnel à la longueur du conducteur, à l'intensité du courant et au sinus de l'angle entre le vecteur induction magnétique et le conducteur.

Concernant l'effet d'un aimant sur le courant, Ampère a suggéré qu'il existe des courants microscopiques fermés à l'intérieur d'un aimant permanent, qui créent le champ magnétique de l'aimant, interagissant avec le champ magnétique du conducteur porteur de courant.

Par exemple, en déplaçant un aimant permanent à proximité d'un conducteur, vous pouvez y obtenir un courant pulsé, et en appliquant un courant pulsé à l'une des bobines, sur un noyau de fer commun avec lequel se trouve la deuxième bobine, un courant pulsé va apparaissent également dans la deuxième bobine.

33 ans plus tard, en 1864, Maxwell fut capable de généraliser mathématiquement des phénomènes électriques et magnétiques déjà connus - il créa théorie du champ électromagnétique, selon lequel le champ électromagnétique comprend des champs électriques et magnétiques interconnectés. Ainsi, grâce à Maxwell, l'unification mathématique scientifique des résultats d'expériences antérieures en électrodynamique est devenue possible.

Une conséquence de ces conclusions importantes de Maxwell fut sa prédiction selon laquelle, en principe, tout changement dans le champ électromagnétique devrait générer des ondes électromagnétiques qui se propagent dans l'espace et dans les milieux diélectriques avec une certaine vitesse finie, qui dépend des constantes magnétiques et diélectriques du milieu de propagation des ondes.

Pour le vide, cette vitesse s'est avérée égale à la vitesse de la lumière, et donc Maxwell a suggéré que la lumière est également une onde électromagnétique, et cette hypothèse a été confirmée plus tard (bien que bien avant les expériences d'Oersted, Jung ait souligné la nature ondulatoire de la lumière) .

Maxwell a créé la base mathématique de l'électromagnétisme et, en 1884, les célèbres équations de Maxwell sont apparues sous leur forme moderne. En 1887, Hertz confirme la théorie de Maxwell : le récepteur enregistrera les ondes électromagnétiques envoyées par l'émetteur.

L'électrodynamique classique étudie les champs électromagnétiques. Dans le cadre de l'électrodynamique quantique, le rayonnement électromagnétique est considéré comme un flux de photons, dans lequel l'interaction électromagnétique est portée par des particules porteuses - photons - bosons vectoriels sans masse, qui peuvent être représentés comme des excitations quantiques élémentaires du champ électromagnétique. Ainsi, un photon est un quantum du champ électromagnétique du point de vue de l'électrodynamique quantique.

L'interaction électromagnétique apparaît aujourd'hui comme l'une des interactions fondamentales en physique, et le champ électromagnétique est l'un des champs physiques fondamentaux avec les champs gravitationnels et de fermions.

Propriétés physiques du champ électromagnétique

La présence d'un champ électrique ou magnétique, ou les deux, dans l'espace peut être jugée par l'action de force exercée par le champ électromagnétique sur une particule chargée ou sur un courant.

Le champ électrique agit sur les charges électriques, à la fois mobiles et stationnaires, avec une certaine force, dépendant de l'intensité du champ électrique en un point donné de l'espace à un instant donné, et de la valeur de la charge d'essai q.

Connaissant la force (ampleur et direction) avec laquelle le champ électrique agit sur la charge d'essai, et connaissant l'ampleur de la charge, nous pouvons trouver l'intensité du champ électrique E en un point donné de l'espace.

Le champ électrique est créé par des charges électriques, ses lignes de force commencent par des charges positives (elles en découlent conditionnellement) et se terminent par des charges négatives (elles y circulent conditionnellement). Ainsi, les charges électriques sont des sources de champ électrique. Une autre source de champ électrique est un champ magnétique changeant, comme le montre mathématiquement Les équations de Maxwell.

La force agissant sur une charge électrique provenant du champ électrique fait partie de la force agissant sur une charge donnée provenant du champ électromagnétique.

Un champ magnétique est créé par des charges électriques en mouvement (courants) ou des champs électriques variant dans le temps (comme en témoignent les équations de Maxwell) et n'agit que sur les charges électriques en mouvement.

La force du champ magnétique sur une charge en mouvement est proportionnelle à l'induction du champ magnétique, à l'amplitude de la charge en mouvement, à la vitesse de son mouvement et au sinus de l'angle entre le vecteur d'induction du champ magnétique B et la direction de la vitesse de la charge. Cette force est souvent appelée force de Lorentz, mais n’en constitue que la partie « magnétique ».

En fait, la force de Lorentz comprend des composantes électriques et magnétiques. Un champ magnétique est créé par le déplacement de charges électriques (courants), ses lignes de force sont toujours fermées et entourent le courant.

La découverte de F. Arago intéressa son compatriote A. Ampère (1775-1836), qui mena des expériences avec des conducteurs parallèles avec des courants et découvrit leur interaction (voir figure). Ampère a montré que si des courants dans les mêmes directions circulent dans des conducteurs, alors ces conducteurs sont attirés les uns vers les autres (côté gauche de la figure). Dans le cas de courants de sens opposés, leurs conducteurs se repoussent (côté droit de la figure). Comment expliquer de tels résultats ?

Premièrement, il fallait deviner que dans l'espace qui entoure les courants continus et les aimants permanents, des champs de force appelés champs magnétiques apparaissent. Pour leur représentation graphique, des lignes de force sont représentées - ce sont des lignes en chaque point desquelles une aiguille magnétique placée dans le champ est tangente à cette ligne. Ces lignes sont décrites comme « denses » ou « clairsemées » selon la valeur de la force agissant sur le champ magnétique.

Deuxièmement, il était nécessaire de mener des expériences et de comprendre que les lignes de champ d'un conducteur droit avec courant sont des cercles concentriques (divergents d'un centre commun). Les lignes de force peuvent être « vues » si les conducteurs passent à travers du verre sur lequel de fines limaille de fer sont saupoudrées. De plus, il fallait deviner pour « attribuer » une certaine direction aux lignes électriques en fonction du sens du courant dans le conducteur. Autrement dit, introduisez dans la physique la « règle de la vrille » ou, ce qui revient au même, la « règle de la main droite », voir la figure ci-dessous.

Troisièmement, il a fallu réaliser des expériences et introduire la « règle de gauche » en physique afin de déterminer la direction de la force agissant sur un conducteur porteur de courant placé dans un champ magnétique, l'emplacement et la direction des lignes de champ dont sont connus. Et ce n’est qu’après cela, en utilisant deux fois la règle de la main droite et quatre fois la règle de la main gauche, que l’expérience d’Ampère a pu être expliquée.

Les lignes de champ des conducteurs parallèles transportant du courant sont des cercles concentriques « divergents » autour de chaque conducteur, y compris là où se trouve le deuxième conducteur. Il est donc affecté par le champ magnétique créé par le premier conducteur, et vice versa : le champ magnétique créé par le deuxième conducteur atteint le premier et agit sur lui. La direction des lignes de force est déterminée par la règle de droite et la direction de l'influence sur le conducteur est déterminée par la règle de gauche.

Le reste des expériences discutées précédemment s'explique de la même manière : il existe un champ magnétique autour d'aimants ou de conducteurs porteurs de courant, à partir de l'emplacement des lignes de champ dont on peut également juger de la direction et de l'ampleur du champ magnétique. comme comment il agit sur les conducteurs.

(C) 2011. « Fizika.ru » avec la participation de Krayuhina T.E. (Région de Nijni Novgorod, Sergach)

Prenons deux bobines identiques constituées de fils métalliques et suspendons-les de manière à ce qu'elles puissent être incluses dans le circuit, et que leurs axes soient situés sur la même ligne droite (Figure 1). Après avoir fait passer des courants de même sens à travers les bobines, nous constaterons que les bobines s'attirent (Figure 1, UN). Si des courants de sens opposé sont créés dans les bobines, ils se repousseront (Figure 1, b). Une telle interaction se produit également entre des conducteurs droits situés en parallèle.

Graphique 1. UN) Les conducteurs avec des courants de même direction s'attirent ; b) Les conducteurs avec des courants dans des directions opposées se repoussent

Ainsi, les courants de même sens s’attirent et les courants de sens opposé se repoussent.

Par conséquent, lorsque des conducteurs avec des courants sont à une certaine distance les uns des autres, il se produit entre eux une interaction qui ne peut s'expliquer par la présence d'un champ électrique entre eux, puisque les conducteurs restent pratiquement neutres lorsque le courant les traverse. Cela signifie qu'autour de tout conducteur avec des courants, il existe un autre champ que le champ électrique, puisqu'il n'agit pas sur les charges stationnaires.

Convenons d'appeler le champ à travers lequel l'interaction se produit à distance, .

L'expérience a montré qu'un champ magnétique est créé soit par des charges électriques en mouvement, soit par un champ électrique alternatif et n'agit que sur des charges en mouvement.

Ainsi, afin de détecter un champ magnétique dans n'importe quelle région de l'espace, il est nécessaire d'introduire un conducteur avec du courant ou d'autres charges en mouvement dans cette région. Le champ magnétique autour des conducteurs porteurs de courant a été découvert expérimentalement pour la première fois par le physicien danois Hans Oersted en 1820.

Les champs magnétiques de différents courants, lorsqu'ils se superposent, peuvent se renforcer ou s'affaiblir. Montrons cela expérimentalement. Si vous attachez deux bobines identiques ensemble et créez des courants dans la direction opposée (Figure 2, UNà gauche), alors leur champ commun devient si faible qu'il ne produira pas d'effet notable sur la troisième bobine avec le courant. Cela explique pourquoi il n'y a pas de champ magnétique autour d'un cordon composé de deux fils avec des courants de sens opposés. Si des courants de même sens sont créés dans les bobines connectées, leur effet sur la troisième bobine est alors sensiblement amélioré (Figure 2, b) par rapport à l'expérience décrite ci-dessus. Ainsi, un renforcement du champ magnétique peut être obtenu en superposant des champs magnétiques de courants de même sens, et un affaiblissement du champ en superposant des champs de courants de sens opposé.

Graphique 2. UN) Les champs magnétiques des courants dans des directions opposées s'affaiblissent mutuellement ; b) Les champs magnétiques de courants de même direction se renforcent mutuellement

Si les bobines sont positionnées avant le début de l'expérience de manière à ce que leurs axes ne soient pas sur la même ligne droite, alors lorsque le courant y est activé, les bobines elles-mêmes tournent de manière à ce que les courants qu'elles contiennent circulent dans la même direction, et puis s'attirent. En conséquence, le champ magnétique dans l’espace environnant augmente.

Vidéo 1. Tourner et enrouler avec du courant

Interaction des charges de déplacement. L'action des charges en mouvement (courants électriques) les unes sur les autres diffère de l'interaction coulombienne des charges stationnaires.
L’interaction des charges en mouvement est appelée magnétique.

Exemples de manifestations d'interaction magnétique :

* attraction ou répulsion de deux conducteurs parallèles avec courant ;
* le magnétisme de certaines substances, par exemple le minerai de fer magnétique, à partir duquel sont fabriqués les aimants permanents ; faire tourner une flèche lumineuse en matériau magnétique à proximité d'un conducteur porteur de courant
* rotation du bâti avec courant dans un champ magnétique.
*

L'interaction magnétique s'effectue à travers un champ magnétique.
Un champ magnétique est une forme particulière d’existence de la matière.
Propriétés du champ magnétique :

* généré par des charges en mouvement (courant électrique) ou un champ électrique alternatif ;
*détecté par son effet sur le courant électrique ou l'aiguille magnétique.

Vecteur d'induction magnétique. Les expériences montrent que le champ magnétique produit un effet d'orientation sur le circuit porteur de courant et l'aiguille magnétique, les forçant à s'aligner dans une certaine direction. Par conséquent, pour caractériser le champ magnétique, il faut utiliser une grandeur dont la direction est liée à l’orientation de la boucle conductrice de courant ou de l’aiguille magnétique dans le champ magnétique. Cette quantité est appelée vecteur d’induction magnétique B.
La direction du vecteur induction magnétique est considérée comme :

* direction du positif normal au plan du circuit porteur de courant,
* direction du pôle nord d'une aiguille magnétique placée dans un champ magnétique.

Le module du vecteur B est égal au rapport du couple maximum agissant sur le châssis avec du courant en un point donné du champ au produit de l'intensité du courant I et de la surface du circuit S.
B = Mmax/(I·S). (1)

Le couple M dépend des propriétés du champ et est déterminé par le produit I·S.

La valeur du vecteur induction magnétique, déterminée par la formule (1), dépend uniquement des propriétés du champ.
L'unité de mesure B est 1 Tesla.

Représentation graphique des champs magnétiques. Les lignes d'induction magnétique (lignes de champ magnétique) sont utilisées pour représenter graphiquement les champs magnétiques. Une ligne d'induction magnétique est une ligne en chaque point de laquelle le vecteur d'induction magnétique lui est dirigé tangentiellement.
Les lignes d'induction magnétique sont des lignes fermées.

Exemples de champs magnétiques :
1. Conducteur droit avec courant
Les lignes d'induction magnétique sont des cercles concentriques centrés sur le conducteur.

2. Courant circulaire
La direction du vecteur induction magnétique est liée à la direction du courant dans le circuit par la règle de la vis droite.

3. Solénoïde avec courant
À l’intérieur d’un long solénoïde alimenté en courant, le champ magnétique est uniforme et les lignes d’induction magnétique sont parallèles les unes aux autres. La direction B et la direction du courant dans les spires du solénoïde sont liées par la règle de la vis droite

Le principe de superposition de champs. Si dans n'importe quelle région de l'espace il y a une superposition de plusieurs champs magnétiques, alors le vecteur de l'induction magnétique du champ résultant est égal à la somme vectorielle des inductions des champs individuels :
B = SBi