La notion de champ en physique est née au 18^e siècle, pour décrire et mesurer de multiples phénomènes se déroulant dans l’espace qui nous entoure.

Un champ ?

Je peux relever la température de l’air dans tous les points que je choisis, sur un territoire par exemple, l’ensemble de ces données constituent un champ de température. Il est constitué d’une série de nombres, on l’appelle un champ scalaire.

Si je relève maintenant la force du vent et sa direction en tout point du territoire, je peux traduire ces données par des vecteurs du vent, et obtenir le champ de vent qui est ici un champ vectoriel.

On peut dessiner ainsi une multitude de champs, selon les informations qu’on veut recueillir : pression, ensoleillement, courants marins etc.

Au 19^e siècle, on a élargi mathématiquement la notion de champ pour définir, en tout point de l’espace, l’action d’un phénomène physique particulier résultant d’une source: champ magnétique créé par un aimant, champ électrique créé par une charge électrique, champ gravitationnel créé par un astre… La source crée sur un corps, situé en tout point de l’espace, même vide, une action indépendamment de tout support matériel, le champ traduit cette action en tout point.

On a défini de très nombreux champs, voyons-en quelques-uns.

Champs magnétique, électrique, électromagnétique

On connaît la façon de visualiser le champ magnétique créé par un aimant (photo de gauche) : on saupoudre de la limaille de fer sur une feuille placée au-dessus de l’aimant. On voit bien les lignes du champ qui relient les deux pôles Nord et Sud de l’aimant. Un champ magnétique créé par un aimant se traduit par une force plus ou moins importante sur tous les objets ferromagnétiques ou sur d’autres corps aimantés situés dans ce champ.

Une charge électrique agit sur d’autres charges électriques situées dans l’espace, deux charges de même signe se repoussant et deux charges de signes opposés s’attirant. Par exemple un stylo en plastique frotté dans un tissus va attirer un confetti de papier. Le frottement a arraché des électrons négatifs à la surface du stylo, qui s’est donc chargé positivement par le frottement du tissus. Il va attirer les charges opposées du confetti. On représente cette action potentielle en tout point par le champ électrique (photo de droite).

Le billet sur l’électromagnétisme (1) montre comment James Clerk Maxwell a unifié en 1865 le magnétisme et l’électricité, créant l’électromagnétisme. Le champ électrique et le champ magnétique sont deux facettes d’un même champ électromagnétique, qui représente en tout point de l’espace les forces qui s’appliquent sur une charge électrique en mouvement.

Le champ gravitationnel

On sait, avec la loi de la gravitation universelle de Newton, qu’une masse M attire une autre masse située dans l’espace. On traduit en pratique cette action en disant que cette masse M crée dans l’espace environnant un champ gravitationnel d’attraction, qui agit sur les autres masses situées dans ce champ. C’est par exemple le champ de gravitation de la terre qui nous attire et crée notre « poids », ou celui du soleil qui attirent les planètes et rythme leurs mouvements orbitaux.

Comprendre la nature des champs et des forces

Les champs décrits ici sont indispensables pour décrire pratiquement l’action à distance, sans aucun support, des forces électromagnétiques ou gravitationnelles. La question s’est longtemps posée de comprendre la nature profonde de ces forces. Bref qu’est-ce qu’il y a derrière tout ça…

Le billet sur le Modèle standard (2) répond à cette question, avec l’existence de particules médiatrices, des bosons. Pour les forces électromagnétiques, le boson est le photon. Pour le champ gravitationnel, tout reste à faire : bien qu’il n’ait pas encore été découvert, le « graviton » pourrait être la particule porteuse de la gravité. Si elle existe !

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1. Voir le billet Électromagnétisme 1 – une affaire d’unification
2. Voir le billet Le Modèle standard