Qu'est-ce que la théorie électromagnétique?
La théorie de la relativité restreinte d'Einstein décrit le magnétisme comme le sous-produit de la force électrique. Par conséquent, ces deux forces peuvent être considérées comme des facettes différentes d'une force plus fondamentale, que les physiciens appellent électromagnétisme. La théorie électromagnétique décrit un ensemble d'allégations scientifiques interconnectées utilisées pour répondre aux questions concernant cette force.
Les physiciens utilisent des champs comme abstractions pour décrire comment un système affecte son environnement. Le champ électrique d'un objet chargé représente la force qu'il exercerait sur une particule chargée. Le champ est plus fort près de l'objet car la force électrostatique diminue à mesure que la distance entre deux charges augmente. Les champs magnétiques sont définis de la même façon, sauf qu’ils décrivent la force exercée sur une particule chargée en mouvement.
Les idées les plus fondamentales de la théorie électromagnétique sont «un champ électrique changeant génère un champ magnétique» et «un champ magnétique changeant génère un champ magnétique». Ces principes sont quantifiés par les équations de Maxwell, du nom de James Clerk Maxwell, physicien et mathématicien écossais. Au XIXe siècle, les travaux ont établi la discipline en révolutionnant la façon dont les physiciens ont conçu la lumière. Les équations de Maxwell jettent également dans le langage des champs les relations précédemment connues - loi de Coulomb et loi de Biot-Savart -.
Une particule chargée génère un champ magnétique lorsqu'elle se déplace, mais le champ magnétique est perpendiculaire au mouvement de la particule. En outre, l'effet de ce champ magnétique sur une seconde charge en mouvement est perpendiculaire au champ et au mouvement de la seconde charge. Ces deux faits font que même des problèmes fondamentaux en électromagnétisme nécessitent un raisonnement complexe en trois dimensions. Historiquement, le développement de vecteurs en mathématiques et en sciences doit en grande partie ses progrès au travail de physiciens essayant d'abstraire et de simplifier l'utilisation de la théorie électromagnétique.
Au 19ème siècle, la théorie électromagnétique a changé la façon dont les physiciens ont compris la lumière. Newton avait décrit la lumière en termes de particules appelées corpuscules, mais Maxwell affirmait que c’était la manifestation de champs électriques et magnétiques qui se poussaient à travers l’espace. Selon cette conception, la lumière visible, les rayons X, le radar et de nombreux autres phénomènes sont tous intrinsèquement similaires, chacun étant une combinaison de champs électriques et magnétiques variant à une fréquence différente. Les scientifiques appellent le continuum de toutes ces ondes le spectre électromagnétique.
Le succès de la théorie électromagnétique a conduit à l'effondrement du reste de la physique newtonienne au 20ème siècle. Einstein s'est rendu compte que la théorie de Maxwell exigeait que l'espace et le temps soient interdépendants, de différentes coordonnées d'un espace-temps à quatre dimensions. De plus, la théorie de la relativité d'Einstein a montré que l'espace était courbe et que le temps mesuré par un observateur était différent de celui mesuré par un autre. Ces découvertes étaient toutes totalement incompatibles avec la théorie du mouvement de Newton. Ainsi, l’étude de l’électromagnétisme a modifié, directement ou indirectement, la façon dont les physiciens comprennent l’électricité, le magnétisme, la lumière, l’espace, le temps et la gravité.