INTERACTIONS (physique)Électromagnétisme
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Notre vie quotidienne est certes assujettie à la pesanteur, dont tiennent obligatoirement compte tous nos gestes et nos réflexes, mais c'est l'électromagnétisme qui régit en réalité notre existence : tous les phénomènes qui nous entourent et nous construisent, depuis la lumière du soleil ou les vagues de la mer jusqu'aux processus biologiques eux-mêmes, relèvent fondamentalement de l'électromagnétisme.
L'électromagnétisme, omniprésent, s'est révélé comme une source extrêmement variée et quasi inépuisable d'applications : éclairage artificiel, moteurs, communications, appareillages médicaux, etc. Mais il aura fallu des siècles de recherches théoriques et expérimentales pour que les phénomènes observés trouvent leur utilité, parfois étonnante ou inattendue. Il est remarquable que, du point de vue de la théorie fondamentale, ces phénomènes et effets, dans leur diversité et leur totalité, tiennent dans quatre équations, écrites pour première fois par James Clerk Maxwell en 1873. Il s'agit là d'une avancée exceptionnelle sur la voie de l'unification des forces gouvernant le monde physique.
James Maxwell
Photographie
Le physicien écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) dont les travaux ont été capitaux pour la physique théorique. Ses découvertes ont ouvert la voie à Albert Einstein et à Max Planck.
Crédits : Hulton Archive/ Getty Images
Certes, depuis Maxwell, deux révolutions majeures en physique théorique ont émergé, amenant la relativité et la mécanique quantique. L'électromagnétisme « classique » – incarné dans les équations de Maxwell – n'a pas seulement survécu à ces bouleversements, il les a en grande partie inspirés. Mieux : il a depuis lors assumé le double rôle de guide et de banc d'essai pour les développements ultérieurs, suggérant la notion clé d'« invariance de jauge ».
Réalités et notions électromagnétiques
Électricité
Certains corps ou objets, dans certaines situations, acquièrent une charge électrique. Elle leur est conférée par apport ou retrait d'électrons. Depuis la découverte de l'électron par J. J. Thomson en 1897, on ne connaît toujours pas la nature physique de la charge, qui accompagne toutes les particules atomiques et subatomiqu [...]
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Écrit par :
- Bernard DIU : professeur émérite à l'université de Paris-VII-Denis-Diderot
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INTERACTIONS (physique) - Vue d'ensemble
La physique moderne considère que l'ensemble des phénomènes physiques s'expliquent par l'action de quatre interactions fondamentales : d'une part, la gravitation et l'électromagnétisme, qui ont une portée infinie et dont la description classique est souvent suffisante ; d'autre part, les interactions nucléaires fortes et faibles, qui ne s'expriment qu'à très courte distance et dont la description […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-vue-d-ensemble/
INTERACTIONS (physique) - Interaction gravitationnelle
La gravitation est responsable de phénomènes aussi différents que la pesanteur ressentie par tout un chacun, le mouvement des planètes ou l'expansion de l'Univers. Cette force de gravitation est extrêmement faible entre particules élémentaires, mais ses effets deviennent impor […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-interaction-gravitationnelle/
INTERACTIONS (physique) - Interaction électrofaible
La première manifestation de l'interaction nucléaire faible qu'on a observée est la désintégration β– de certains noyaux atomiques. Cette transmutation d'un élément vers un autre provient de la transformation d'un neutron en un proton avec émission d'un électron et d'un antineutrino. La […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-interaction-electrofaible/
INTERACTIONS (physique) - Interaction nucléaire forte
L'interaction nucléaire forte, longtemps inaccessible, est responsable de la cohésion des divers noyaux atomiques. Sa compréhension a nécessité l'usage d'accélérateurs de particules, seuls outils capables de sonder la matière jusqu'à l'échelle où elle joue un rôle dominant. Sa description actuelle se fonde sur la théorie quantique des champs de quarks et de […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-interaction-nucleaire-forte/
INTERACTIONS (physique) - Unification des forces
L'ambition des scientifiques a toujours été de décrire des phénomènes variés comme des manifestations diverses de quelques processus fondamentaux. En physique, cette démarche a été couronnée de spectaculaires succès ; la reconnaissance du fait qu'un petit nombre d'interactions fondamentales − la gravitation, l'électromagnétisme, les interactions nu […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-unification-des-forces/
BANDES D'ÉNERGIE THÉORIE DES
Dans un atome isolé, les électrons se répartissent, en obéissant au principe de Pauli, entre des niveaux d'énergie bien déterminés, pratiquement sans largeur. Quand on rapproche par la pensée N atomes (avec N ∼ 10 23 ) pour construire un solide et qu'on oublie l'interaction entre les atomes, on est en droit de dire que chaque niveau atomique d'énergie ε i donne naissance à N niveaux équivalents […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/theorie-des-bandes-d-energie/#i_14600
CHAMP, physique
Entité décrite par l'ensemble des valeurs d'une grandeur physique, en général à plusieurs composantes, en tous les points de l'espace. D'ordinaire, le champ dépend aussi du temps (évolution du champ). On appelle couramment « champ en un point et au temps t » la valeur de la grandeur prise en un point et un instant déterminés. On peut classer les champs d'après leur nature physique : champ thermiq […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/champ-physique/#i_14600
CHAMPS THÉORIE DES
Dans le chapitre « Calculs perturbatifs et diagrammes de Feynman » : […] La méthode de calcul des observables physiques qui s'est révélée la plus féconde en théorie quantique des champs est fondée sur la théorie mathématique des développements en série. L'idée est de raffiner un résultat par des approximations successives : on considère d'abord que les champs présents dans la réaction étudiée sont libres et que leurs interactions se réduisent à l'échange d'un seul qua […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/theorie-des-champs/#i_14600
CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE
Construite sur le modèle de l'électrodynamique, la théorie de la chromodynamique quantique explique l'interaction nucléaire forte responsable de la cohésion des noyaux atomiques. Fondée sur un principe abstrait de symétrie, dite de jauge, elle repose sur l'existence d'une charge dite de « couleur » portée par les quarks présents dans les protons et les neutrons. Des gluons de masse nulle, porteurs […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/chromodynamique-quantique/#i_14600
CINÉTIQUE DES FLUIDES THÉORIE
Dans le chapitre « Potentiels d'interaction » : […] Pour pouvoir analyser les phénomènes de collision élastique dans un fluide dilué, il faut donc connaître la loi d'interaction ϕ( r ), et l'on considère alors divers cas selon la nature du fluide observé : – Dans un plasma complètement ionisé, toutes les particules ont une charge électrique, et l'énergie potentielle d'interaction entre une particule de charge Z 1 e et une particule de charge Z 2 e […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/theorie-cinetique-des-fluides/#i_14600
COMPTON EFFET
Les rayonnements électromagnétiques de haute énergie (rayons X et γ) interagissent avec la matière selon trois processus : effet photoélectrique ; création de paires électrons-positrons ; enfin, diffusion élastique des photons sur des électrons libres ou peu liés, appelée effet Compton. Celui-ci est dû à l'interaction d'un rayon X ou d'un rayon γ avec un électron. Il s'interprète par la réaction […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/effet-compton/#i_14600
COSMOLOGIE
Dans le chapitre « Le rayonnement » : […] L'omniprésence du rayonnement est riche en conséquences. En effet, les photons du rayonnement interagissent avec les particules de matière. La matière ordinaire est essentiellement formée de protons et de neutrons d'une part (qui composent par exemple les noyaux des atomes) et d'électrons d'autre part. Dans les conditions ordinaires, les électrons sont liés aux noyaux pour former des atomes élect […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/cosmologie/#i_14600
EFIMOV VITALY (1938- )
Physicien russe, Vitaly N. Efimov est né en 1938 à Leningrad (aujourd’hui Saint-Pétersbourg). Après sa thèse soutenue en 1966 à l’institut physico-technique Ioffe de cette ville, Efimov a publié en décembre 1970 un court article de deux pages intitulé « Niveaux d’énergie dus aux forces résonantes à deux corps dans un système à trois corps » dans la revue européenne Physics Letters . Il y démontr […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/vitaly-efimov/#i_14600
FORMULATION DE LA THÉORIE ÉLECTROFAIBLE
En 1967, Steven Weinberg et Abdus Salam parviennent de façon indépendante à unifier en une seule théorie l'électromagnétisme et l'interaction nucléaire faible. Dans une remarquable synthèse de nombreux travaux théoriques antérieurs (en particulier ceux de Sheldon Glashow), Weinberg et Salam proposent que ces deux forces soient issues d'une même interaction électrofaible dont le vecteur est un trip […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/formulation-de-la-theorie-electrofaible/#i_14600
GELL-MANN MURRAY (1929-2019)
Physicien théoricien américain, né à New York le 15 septembre 1929. Nommé en 1952 professeur assistant à l'université de Chicago, Gell-Mann rejoint en 1955 le California Institute of Technology (Caltech) à Pasadena. Il y est nommé professeur de physique théorique en 1967. Lauréat du prix Nobel de physique en 1969, Gell-Mann est à l'origine des idées les plus fécondes de la théorie moderne des par […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/murray-gell-mann/#i_14600
GRENATS
Dans le chapitre « Structure cristalline » : […] C'est la structure cristalline qui détermine la nature des interactions magnétiques. La structure grenat se classe dans l'holoèdre du système cubique appartenant au groupe d'espace I à 3d-O h 10 . Chaque cellule unité contient huit unités de formule A 3 B 2 C 3 O 12 . Les atomes métalliques (cations) A, B et C se trouvent dans des sites cristallographiques bien définis, entourés respectivement de […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/grenats/#i_14600
HAROCHE SERGE (1944- )
Né le 11 septembre 1944 à Casablanca, Serge Haroche intègre en 1963 l'École normale supérieure (E.N.S.), où il passe l'agrégation de physique et un doctorat de troisième cycle. Entré au C.N.R.S., il soutient, en 1971, un doctorat d'État préparé sous la direction de Claude Cohen-Tannoudji. Il est nommé professeur à l'université Pierre-et-Marie-Curie en 1975. Il occupe la chaire de physique quantiq […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/serge-haroche/#i_14600
HEISENBERG WERNER KARL (1901-1976)
Dans le chapitre « Théorie quantique des champs » : […] Dès 1927, Paul Dirac avait étendu hardiment la portée de l'algèbre quantique à des systèmes d'un nombre indéfini d'éléments, tels que les quanta de rayonnements électromagnétiques qui peuvent être créés ou annihilés dans les processus d'émission ou d'absorption. En outre, il avait découvert une formulation relativiste de la mécanique quantique des particules (telles que les électrons) qui sont do […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/werner-karl-heisenberg/#i_14600
HYPERSONS
Dans le chapitre « Interactions » : […] À côté de l'interaction phonon acoustique-phonon thermique responsable de l'atténuation des hypersons, de nombreux autres effets d'interactions peuvent exister : l'effet des dislocations, la diffraction par les défauts cristallins, les effets thermo-élastique, acousto-électrique dans les milieux semi-conducteurs, magnéto-élastique dans les milieux ferromagnétiques. Sont également possibles des i […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/hypersons/#i_14600
LUMIÈRE
Dans le chapitre « Interaction lumière-matière » : […] Il est aisé de comprendre au premier degré par quel procédé un objet – rouge par exemple – nous apparaît d'une certaine couleur. Éclairée par de la lumière dite blanche (comme celle du soleil ou d'une ampoule), il ne renvoie vers notre œil qu'une partie du rayonnement incident – les composantes rouges de la lumière. Les autres composantes sont absorbées ou diffusées dans d'autres directions (un o […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/lumiere/#i_14600
MAGNÉTISME
Dans le chapitre « Interactions magnétiques » : […] L'interprétation des diverses sortes de magnétisme repose sur l'existence, entre porteurs de moment, d'interactions dont la nature, longtemps obscure, a pu être éclaircie à l'aide de la mécanique quantique. Lorsque les orbitales sur lesquelles évoluent deux électrons ont une partie – même faible – commune, le principe d'exclusion de Pauli conduit à une différence d'énergie électrostatique selon […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/magnetisme/#i_14600
MASSE, physique
Dans le chapitre « Masse et interactions » : […] Nous savons que la matière est composée d'atomes, eux-mêmes composés d'électrons et d'un noyau constitué de particules plus fondamentales : les quarks et gluons, qui forment les nucléons, regroupés dans le noyau. L'affirmation que la masse d'un corps quelconque est fournie par celle de ses constituants, même en tenant compte pour être plus précis du défaut de masse évoqué plus haut, semble complèt […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/masse-physique/#i_14600
MATIÈRE (physique) - État solide
Dans le chapitre « La cohésion des solides » : […] Il est toujours possible de transformer un solide en un gaz, en lui fournissant une énergie, appelée énergie de cohésion ou de sublimation. Cette énergie traduit l'existence de forces d'interaction – de liaisons – entre atomes. L'interaction entre deux atomes met en jeu deux types de forces antagonistes. Le premier est de nature répulsive : dès que deux atomes ou, de façon plus générale, deux ions […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etat-solide/#i_14600
MATIÈRE (physique) - État liquide
Dans le chapitre « Les potentiels intermoléculaires et les modèles de l'état liquide » : […] Pour comprendre théoriquement l'état liquide, il convient d'avoir en mémoire qu'il existe toujours entre deux molécules neutres des forces présentant un caractère attractif à courte distance, que l'on nomme forces de Van der Waals. Elles se manifestent par un minimum de la courbe de variation de l'énergie d'interaction u ( r ) avec la distance. Dans le cas le plus simple, celui de deux atomes de g […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etat-liquide/#i_14600
PARITÉ, physique
Transformation qui change toutes les coordonnées spatiales en leurs opposées. Les interactions gravitationnelles, électromagnétiques et nucléaires fortes sont invariantes par parité. Les interactions faibles violent de façon maximale cette symétrie. Cette caractéristique proposée en 1956 par les physiciens chinois Tsung Dao Lee et Chen Ning Yang fut vérifiée quelques mois plus tard par l'observat […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/parite-physique/#i_14600
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Caractères généraux
Dans le chapitre « La famille des bosons » : […] Les interactions entre particules élémentaires, sur lesquelles nous reviendrons plus en détail, correspondent à l'émission d'un champ et à la réaction à ce champ. L'archétype est le champ électrique, créé par la présence d'une particule chargée, qui influence d'autres éléments chargés. Ces champs ont une forme quantique qui associe la force due à la présence d'un champ à un échange de particules […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-caracteres-generaux/#i_14600
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Détecteurs de particules
Dans le chapitre « Détecteurs électroniques » : […] Les détecteurs servent à compter les particules émises par des noyaux ou des atomes instables, à mesurer leur flux moyen, leur énergie, leur position spatiale, ou à déterminer leur nature. Les problèmes varient suivant la nature des rayonnements dont l'interaction avec la matière conditionne le choix du type de détecteur. Mais, en règle générale, l'impulsion électrique finale est commandée par l' […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-detecteurs-de-particules/#i_14600
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Bosons
Dans le chapitre « L'interaction photon-particule » : […] En théorie quantique, l'interaction de la matière avec le champ électromagnétique est décrite en termes d'absorptions, d'émissions ou de diffusions de photons. Ainsi l'effet photoélectrique, qui correspond à l'ionisation d'un atome sous l'action d'un champ électromagnétique de fréquence ν, est-il le résultat de l'absorption d'un photon d'énergie h ν par l'atome qui est porté de son niveau fondame […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-bosons/#i_14600
PHONON
Les phonons, ou vibrations collectives d'un ensemble d'atomes en interactions, représentent un des aspects les plus importants de la physique des solides. Ils interviennent dans des propriétés aussi diverses que la propagation d'ondes sonores, la chaleur spécifique, la conductivité thermique et électrique, la supraconductivité, la ferro-électricité. On peut comprendre l'existence de telles vibrat […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/phonon/#i_14600
PHYSIQUE - Les fondements et les méthodes
Dans le chapitre « Les fondements de la physique contemporaine » : […] Le cadre dans lequel se situe la physique contemporaine est celui d'un espace et d'un temps qui sont bien définis pour un observateur déterminé. Si l'on veut s'affranchir de cette référence à l'observation, il est nécessaire de tenir compte de la manière dont les mesures de distance et de temps sont affectées par le mouvement des appareils de mesure, ce qui se fait naturellement dans le cadre plus […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-les-fondements-et-les-methodes/#i_14600
PRESSIONS PHYSIQUE & CHIMIE DES HAUTES
Dans le chapitre « Aspects fondamentaux » : […] Les nuages électroniques des particules créent des forces d'interactions comportant une partie attractive à longue distance et une partie répulsive à courte distance. Les forces attractives sont les forces de Van der Waals, dont la partie la plus importante correspond aux forces de London, c'est-à-dire aux couplages entre les dipôles correspondant aux électrons. Les forces répulsives sont dues à […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-et-chimie-des-hautes-pressions/#i_14600
RAYONNEMENT, physique
Terme général désignant toute forme d'énergie en mouvement. Il s'agit le plus souvent d'un rayonnement ondulatoire , c'est-à-dire de la propagation d'un champ : rayonnement électromagnétique (ondes radioélectriques, rayons X, lumière, etc.), rayonnement élastique (son, ultrason, etc.), rayonnement gravitationnel (ondes gravitationnelles). Par extension, on appelle rayonnement corpusculaire un mou […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/rayonnement-physique/#i_14600
RAYONNEMENT COSMIQUE - Rayons gamma cosmiques
Dans le chapitre « Les techniques d'observation des rayons gamma cosmiques » : […] La détection des rayons gamma cosmiques passe par leur interaction avec les atomes du milieu détecteur. Un photon gamma de très basse énergie (moins de 0,2 MeV) y est le plus souvent absorbé ( effet photoélectrique ), avec émission d'un électron emportant l'essentiel de son énergie. Un photon un peu plus énergétique (de 0,2 à 5 MeV) est plutôt diffusé, avec changement d'énergie ( effet Compton ) e […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/rayonnement-cosmique-rayons-gamma-cosmiques/#i_14600
SUPRACONDUCTIVITÉ
Dans le chapitre « Modèle microscopique de B.C.S. » : […] L'état d'ordre supraconducteur est analogue à celui d'un solide ou d'un composé ferromagnétique. La « rigidité » du supraconducteur devant des perturbations électriques ou magnétiques conduit à la conductivité infinie et à l'effet Meissner. L'interaction attractive entre les électrons d'une paire peut être décrite schématiquement. Un électron de conduction se déplaçant dans le métal provoque sur […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/supraconductivite/#i_14600
SURFACE PHÉNOMÈNES DE
Dans le chapitre « Interaction avec les atomes » : […] Lorsqu'un atome de gaz rare (ou une molécule neutre) s'approche de la surface d'un solide, il subit une attraction qui résulte des forces de dispersion, ou forces de Van der Waals. Pour un solide semi-infini comportant une surface plane, l'interaction atome-surface à la distance z de la surface s'écrit (pour une distance z supérieure au diamètre de l'atome) : L'atome peut être adsorbé sur la sur […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/phenomenes-de-surface/#i_14600
THERMONUCLÉAIRE ÉNERGIE
Dans le chapitre « Interaction à très hauts flux » : […] Au début des années 1990, l'interaction laser-plasma a été le théâtre d'une véritable révolution avec l'avènement des lasers ultra-intenses. À la fin des années 1980, une technique d'amplification d'impulsions électromagnétiques, initialement appliquée aux radars, a été transposée aux lasers et a permis de multiplier par mille la puissance crête délivrée par un laser. Pour cela, une impulsion ult […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/energie-thermonucleaire/#i_14600
TURBULENCE
Dans le chapitre « La turbulence en interaction avec le rayonnement électromagnétique » : […] Toute variation ou fluctuation de masse spécifique, température, ou concentration en gaz ou particules affecte les propriétés optiques d'un milieu fluide : le rayonnement et la turbulence entrent donc dans des interactions variées, parfois d'une grande importance (astro- et géophysique, combustion, optique...). Tout d'abord, la célérité v de propagation du rayonnement dans le milieu est plus ou m […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/turbulence/#i_14600
UMKLAPP PROCESSUS
Processus d'interaction, d'un type particulier, ayant lieu entre particules (électrons) ou quasi-particules (phonons, photons, magnons, etc.) à l'intérieur d'un réseau cristallin. Tandis que, dans un processus « normal » (ou « N »), la conservation de l'impulsion ou de la quasi-impulsion totale est toujours vérifiée, elle ne l'est dans un processus « Umklapp » (ou « U ») qu'à condition de faire in […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/processus-umklapp/#i_14600
UNIVERS
Dans le chapitre « Domaine subnucléaire » : […] Un nombre grandissant de particules élémentaires subnucléaires est découvert par les physiciens, qui parviennent à révéler la nature la plus intime de la matière observable. Cette matière est gouvernée par quatre interactions fondamentales (tabl. 1) : l'interaction forte (nucléaire), l'interaction faible (qui se manifeste par exemple par la désintégration du neutron en proton, électron et antine […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/univers/#i_14600
Voir aussi
Pour citer l’article
Bernard DIU,
« INTERACTIONS (physique) -