L’électromagnétisme est une branche fondamentale de la physique dont les domaines d’application sont considérables, touchant presque tout ce qui nous entoure, depuis la lumière du soleil, en passant par la WiFi, le micro-onde, les moteurs électriques et j’en passe…

C’est une affaire d’unification, car au départ, on connaissait d’une part le magnétisme (certaines pierres, dont la magnétite ou pierre d’aimant, ont la propriété d’attirer le fer) et d’autre part l’électricité (pile Volta, éclairs, électricité statique …), sans que ces phénomènes physiques ne  présentent de lien évident.

En 1820, une expérience du physicien danois Christian Oersted montre qu’il existe bel et bien un lien: un fil conducteur dans lequel passe un courant électrique va dévier l’aiguille d’une boussole, montrant ainsi qu’un courant électrique génère un champ magnétique influençant la boussole. Un lien déterminant qui va conduire peu à peu à comprendre qu’électricité et magnétisme sont deux facettes d’un même phénomène, l’électromagnétisme, unification qui sera brillamment établie par James Clerk Maxwell en 1865.

Ampère explique le magnétisme

La circulation d’un courant électrique, le déplacement de charges électriques en fait, va donc engendrer un champ magnétique. Dès l’observation d’Oersted publiée, Ampère théorisa qu’un aimant peut être considéré comme équivalent à une multitude de boucles de courants élémentaires, créant chacune leur propre champ magnétique (1). Il montra également plus tard qu’un solénoïde parcouru par un courant électrique se comporte comme un barreau aimanté.

Non loin de Lyon, à Poleymieux au Mont d’Or, se trouve la propriété où vécut Ampère, maintenant Musée de l’électricité. On y trouve un grand nombre de montages avec matériels d’époque permettant de reproduire les expériences fondamentales de l’électromagnétisme. J’adore ce petit musée, et j’y ai passé des heures captivantes, seul dans les salles peu fréquentées. L’une de ces expériences montre deux fils parallèles mobiles, chacun parcouru par un courant, soit de même sens soit de sens opposé. On voit bien ces fils se repousser ou s’attirer, suivant le sens des courants. Chaque fil crée autour de lui son propre champ magnétique, les deux champs des deux fils se repoussant ou s’attirant comme le font les pôles de deux aimants qu’on rapproche.

Cette force qui fait bouger les fils est à la base des moteurs électriques. On place des enroulements astucieux de fils sur un rotor libre de tourner au sein d’un champ magnétique. Dès le courant branché, le rotor tourne, le moteur électrique fonctionne. L’énergie électrique est transformée en énergie mécanique.

On trouve sur internet une multitude d’exemple de petits moteurs électriques bricolés, qui marchent !

Faraday découvre l’induction et la dynamo

Si un courant électrique crée un champ magnétique, Faraday réussit à montrer que l’inverse est possible : dans une bobine de fil placée à proximité d’un aimant apparaît un courant électrique dès lors que la bobine ou l’aimant sont en mouvement l’un par rapport à l’autre. Ce nouveau phénomène, appelé induction électromagnétique, va jouer un rôle technologique considérable.

A l’inverse du moteur électrique, on fait tourner un enroulement de fil électrique au sein d’aimants, et on récupère aux bornes du bobinage un courant électrique. L’énergie mécanique (qui fait tourner la bobine) est transformée en énergie électrique. C’est ainsi que la dynamo d’un vélo, les pales d’une éolienne, la turbine d’un barrage hydroélectrique ou d’une centrale nucléaire par exemple produisent de l’électricité.

Maxwell unifie champs électrique et magnétique

On a vu dans le billet « Champs en physique » l’existence de ces champs créés par une charge électrique ou un aimant. Ampère a montré qu’un courant électrique crée un champ magnétique, et Faraday a mis en évidence que la variation d’un champ magnétique crée un courant électrique.

Maxwell comprendra que ces deux champs sont liés, qu’ils représentent deux facettes d’un même phénomène, deux facettes qui s’influencent l’une l’autre. Lorsqu’une charge électrique est mise en mouvement, un champ magnétique se crée. Mais celui-ci, en variant, modifie le champ électrique existant. Qui à son tour modifie le champ magnétique. De proche en proche ces modifications successives se propagent dans l’espace environnant sous la forme d’une onde électromagnétique (OEM).

Maxwell publie en 1865 son célèbre article qui unifie magnétisme et électricité en une théorie globale, basée sur une série de 20 équations depuis réduites à 4 équations fondamentales. Il modélise mathématiquement les phénomènes, et ses équations, complexes, montreront que l’OEM se propage à la vitesse de la lumière. En fait la lumière est elle-même une onde électromagnétique.

Les travaux de Maxwell sont d’une portée considérable, à la base d’une grande partie de la physique. Il fait partie, avec Isaac Newton (loi sur la gravitation), et Albert Einstein (Relativité), des 3 grands génies de la physique.

–oo–oo–

1. On sait maintenant expliquer le magnétisme des aimants. Les électrons qui gravitent autour du noyau atomique créent, comme toute charge en mouvement, un petit champ magnétique. Tous ces petits champs magnétiques, d’orientation aléatoire, se compensent globalement, sauf lorsque des atomes de l’aimant sont organisés et qu’ils  s’additionnent pour créer une aimantation permanente.