Une force électromagnétique, ou deux?

[invitef448c0cc]

Peut-on parler d’une « force électromagnétique » unique ? Ou n’est-on pas déjà là dans un fantasme d’unification ?

J’étudie actuellement l’électromagnétisme, et je ne comprends pas bien pourquoi on parle de la « force électromagnétique » comme s’il s’agissait d’une force unique.
Certes, un champ électrique peut être engendré par la variation d’un champ magnétique (loi de Faraday), et un champ magnétique peut être engendré par la variation d’un champ électrique (théorème d’Ampère-Maxwell).
- Mais d’un, que des champs électriques (E) et magnétiques (B) puissent s’engendrer mutuellement ne veut pas dire qu’il s’agit du même champ. D’ailleurs, un champ E peut exister sans un champ B, par ex à l’intérieur d’un condensateur (sans variation du courant). Et un champ B, sans un champ E, par ex à l’intérieur d’un solénoïde.
- De deux, au point de vue des particules, la source de ces champs est différente : pour E, c’est la charge électrique. Pour B, c’est le spin, qui est une propriété distincte de la charge.
- De trois, les champs E et B modifient tous deux le comportement d’une particule chargée, ok. Mais, si je ne me trompe pas, seul le champ B a une influence sur le moment magnétique associé au spin, et donc sur le spin des particules.
- De quatre, pour les particules chargées, l’action de E se fait parallèlement aux lignes de champ. Pour B, perpendiculairement aux lignes de champ.
1) Bref, entre E et B, il y a des relations, éventuellement des ressemblances (niv portée de la force). Mais pourquoi parler d’une force unique ?
Questions annexes :
2) Les neutrinos sont des fermions sans charge, mais avec un spin. Ils doivent donc avoir un moment magnétique de spin ? Cad être source d’un champ magnétique (sans être directement source d’un champ électrique) ?
3) Plus généralement, le spin d’une particule (fermion ou boson) implique-t-il toujours un moment magnétique de spin, et donc un champ magnétique minimal ?

Merci à tous ceux qui voudront bien s’intéresser à ces questions.
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[invitea774bcd7]

- De deux, au point de vue des particules, la source de ces champs est différente : pour E, c’est la charge électrique. Pour B, c’est le spin, qui est une propriété distincte de la charge.

Il y a deux sources pour le champ magnétique B
– les spins
– mais surtout les courants.
Dès qu'une charge se met à bouger, c'est un courant.

En relativité, on regroupe ces deux champs dans un même quadrivecteur. Le simple fait de changer de référentiel pour faire apparaître un champ magnétique, par exemple.

En théorie quantique des champs, ces deux champs passent également un peu au second plan. On préfère les voir comme deux facettes du potentiel vecteur.

[invite3c44ba02]

Bonjour,

Pour ma part, je ne vais m'attacher qu'à la première question !

En effet, les champs E et B sont reliés par les équations de J. C. Maxwell, certes. Mais, E et B ne sont couplés (c'est-à-dire non indépendants) que dans des régimes stationnaires, c'est-à-dire qui ne dépendent plus du temps. En régime stationnaire, il est impossible de créer un champ E uniquement à partir d'un champ B (équation de Maxwell-Faraday). Et il en est de même, dans un régime stationnaire: impossible de créer un champ B uniquement à partir d'un champ E.

En ce qui concerne la force qui s'applique sur une particule chargée maintenant... La force que subit une particule chargée dépend du mouvement de cette particule.

Une particule immobile dans un référentiel galiléen ne peut subir, entre la force électrique et la force magnétique, que la force électrique (la fameuse force de C. Coulomb). Elle ne peut pas être soumise à une force magnétique, qui est directement reliée à la vitesse de la particule ! (F=qV^B).

Une particule chargée en mouvement dans un référentiel galiléen subit une force électrique et une force magnétique. On dit qu'elle subit une force électromagnétique...

Cependant c'est ma vision des choses et je peux me tromper... Une confirmation serait la bienvenue !

En espérant vous avoir donné quelques pistes utiles...

Cordialement

[invite58a61433]

Bonjour,

- De deux, au point de vue des particules, la source de ces champs est différente : pour E, c’est la charge électrique. Pour B, c’est le spin, qui est une propriété distincte de la charge.

Il y a deux sources pour le champ magnétique B
– les spins
– mais surtout les courants.
Dès qu'une charge se met à bouger, c'est un courant.

En réalité une source de champ magnétique n'est pas tant le spin que le moment magnétique de spin et il n'est pas automatique qu'une particule avec un spin possède un moment magnétique de spin (le spin et le moment magnétique de spin sont relié par le facteur de Landé et le rapport gyromagnétique qui pour ce dernier dépend d'ailleurs de la charge).

J’étudie actuellement l’électromagnétisme, et je ne comprends pas bien pourquoi on parle de la « force électromagnétique » comme s’il s’agissait d’une force unique.

En réalité ce qui fait dire cela c'est que en relativité (le cadre théorique légitime pour l'electromagnétisme) si dans un référentiel donné on a un champ électrique, dans un autre référentiel ce champ électrique sera vu comme un champ magnétique (ou un mélange champ magnétique-champ électrique).

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite60be3959]

Certes, un champ électrique peut être engendré par la variation d’un champ magnétique (loi de Faraday), et un champ magnétique peut être engendré par la variation d’un champ électrique (théorème d’Ampère-Maxwell).

Bonjour,

Non, les équations de Maxwell montrent qu'il est impossible que E et B ne soient pas présents simultanément. En effet dans la nature il est impossible de trouver une charge électrique rigoureusement immobile. Il faut faire attention, car l'électrostatique et la magnétostatique ont un côté très pédagogique et ont pour but de nous familiariser avec l'électromagnétisme en deux temps (c'est toujours plus simple de diviser les problèmes en sous-problèmes), mais ce ne sont que des cas d'école qui ne sont pas réaliste(ou alors qui fonctionnent mais sous certaines approximations qui ne trompent pas l'étudiant averti)

- Mais d’un, que des champs électriques (E) et magnétiques (B) puissent s’engendrer mutuellement ne veut pas dire qu’il s’agit du même champ. D’ailleurs, un champ E peut exister sans un champ B, par ex à l’intérieur d’un condensateur (sans variation du courant). Et un champ B, sans un champ E, par ex à l’intérieur d’un solénoïde.

S'il y a courant, même constant, il y a champs magnétique (loi de Biot et Savart).
Dans un solénoïde, des charges électriques sont présentes et donc également un champs électrique.

- De deux, au point de vue des particules, la source de ces champs est différente : pour E, c’est la charge électrique. Pour B, c’est le spin, qui est une propriété distincte de la charge.

Non, le déplacement d'une charge électrique est aussi une source d'un champs magnétique.

- De trois, les champs E et B modifient tous deux le comportement d’une particule chargée, ok. Mais, si je ne me trompe pas, seul le champ B a une influence sur le moment magnétique associé au spin, et donc sur le spin des particules.

Vous êtes en train de vous rendre compte que le champs électromagnétique a plusieurs facettes et donc plusieurs effets, mais cela ne démontre en rien que les champs E et B sont issues de 2 interactions fondamentales différentes(2 forces distinctes)

- De quatre, pour les particules chargées, l’action de E se fait parallèlement aux lignes de champ. Pour B, perpendiculairement aux lignes de champ.

C'est tout à fait normal, car le photon (vecteur de l'interaction électromagnétique) "porte" simultanément les champs E et B, et forment avec le vecteur d'onde un trièdre.

Il est totalement impossible de rendre compte de l'interaction électromagnétique(EM) sans tenir compte à la fois des champs E et B. Dans la vision moderne de cette interaction (comme l'a dit guerom00) le champs EM est représenté par le quadri-potentiel (potentiel scalaire plus potentiel vecteur) puisque E et B peuvent toujours s'écrire en fonction de ce quadri-potentiel. L'unification est alors manifeste sur le plan formel(qui est déjà présente au niveau classique)

On peut également représenté le champs électromagnétique par un tenseur (une matrice 4x4), appelé parfois le tenseur de Faraday. Les champs E et B ne sont alors que des composantes de ce tenseur (attention de ne pas faire l'analogie avec le champs de gravitation , n'est pas le champs EM, mais oui)
http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quations_de_Maxwell

[invite93279690]

Salut,

Ce que souligne Anael66 et qui est important à mon sens c'est que les champs E et B sont bel et bien deux champs differents qui ont des effets differents sur les charges par définition.

Maintenant ces champs étant inéluctablement liés l'un à l'autre dans des régimes non stationnaires (ou par changement de référentiel), on les regroupe dans une même entité appelée champ électromagnétique.
Et comme le dit Vaincent cela ne veut pas dire qu'ils ne proviennent pas de la même intéraction.
Dans le modèle standard de la physique des particules, l'intéraction électromagnétique est véhiculée par le boson vecteur "photon" qui n'est rien d'autre qu'une somme de champs électriques et magnétiques.

Voilà pourquoi on parle de l'intéraction électromagnétique.

[curieuxdenature]

1) Bref, entre E et B, il y a des relations, éventuellement des ressemblances (niv portée de la force). Mais pourquoi parler d’une force unique ?

Questions annexes :
2) Les neutrinos sont des fermions sans charge, mais avec un spin. Ils doivent donc avoir un moment magnétique de spin ? Cad être source d’un champ magnétique (sans être directement source d’un champ électrique) ?

3) Plus généralement, le spin d’une particule (fermion ou boson) implique-t-il toujours un moment magnétique de spin, et donc un champ magnétique minimal ?

Merci à tous ceux qui voudront bien s’intéresser à ces questions.

Bonjour Anael66

1) Tu as donc eu la réponse, le champ magnétique est un effet purement relativiste de la charge électrique en mouvement. La cause est unique.

2) pour qu'il y ait un moment magnétique il faut une charge électrique or dans le neutrino il n'y en a pas. Le spin n'a pas de rapport direct avec le magnétisme, c'est un grandeur qui ressemble à une rotation(c'est l'analogie la plus simple bien que fausse).

3)Si la particule en question n'a pas un de ses constituants chargé électriquement alors il n'y a pas de moment magnétique. Par contre, le fait que les charges s'annulent n'impliquent pas un moment magnétique nul, le neutron est dans ce cas, l'analyse de son moment magnétique a par ailleurs permis de théoriser sur l'existence des quarks, qui ont une charge fractionnaire.

[invitef448c0cc]

Merci à tous pour vos réponses.
Je fais un petit bilan, qui me conduit à quelques questions sup :

1) En raisonnant sur une charge parfaitement immobile, on pourrait concevoir une source de champ E sans une source de champ B. Mais cela est une situation non réelle (idéalisée), même au point de vue d’un seul et unique référentiel. Ok.
- Question quand même : entre les deux plaques d’un condensateur, une fois celui-ci complètement chargé (cad avec zéro courant dans la boucle), n’a-t-on pas un beau champ E sans véritable champ B ? En prenant en compte l’argument ci-dessus, il faudrait dire qu’il y a quand même un champ B parce que le champ E entre les plaques varie toujours un minimum ? Et parce que les charges dans les plaques ne sont pas parfaitement immobiles ?

2) L’approche relativiste semble un argument plus fort. Mais je ne suis pas sûr de comprendre.
L’idée serait qu’un charge peut être immobile pour un système de référence S1, mais mobile pour des systèmes S2, S3, etc ; et donc qu’elle pourrait (approximativement) ne pas être source d’un champ B pour S1, mais si pour S2, S3, etc. J’ai bien compris ?
Je ne comprends pas l'idée qu'un champ E, pour un S1, puisse être un champ B pour un S2, et vice versa. Quelqu'un peut-il me donner une référence de travail (bonne et pas superdure ?
En tout cas, si je mesure bien la portée du truc, la conclusion serait : E et B ne sont pas seulement toujours liés, ils sont une seule et même chose.

3) Passons au moment magnétique de spin, lié au spin (de manière non automatique, certes). Dans le cas de l’électron, la formule pour son calcul fait apparaître la charge, ok. Par ailleurs, on peut penser le spin sinon comme une rotation du moins comme une sorte de mouvement ; la source du moment magnétique de spin serait donc le mouvement d’une charge, ok.
- Question quand même : je viens de lire un truc comme quoi les neutrinos pourraient être source d’un champ B. C’est pas établi, mais ça n’a pas l’air de choquer les théoriciens. L’idée d’une source d’un champ B qui n’est pas une charge n’est donc pas absurde ?
Réf : http://www.techno-science.net/?ongle...icle=11&page=3

4) Enfin, l’argument sur la relation entre champ et interaction. Si je comprends bien, ça consiste à dire que l’interaction électromagnétique se fait toujours à partir de la même particule (le photon), et donc qu’il s’agit de la même interaction. En résumé : l’unité de la particule support-de-force impliquerait l’unité de la force, cad du type d’action.
- Question quand même : n’est-il pas plus rigoureux de dire que le photon est porteur d’une double force ? Cad qu’il est un double champ porteur d’une double force ? Car, au final, quand il y a vraiment un champ E et un champ B, l’effet sur une particule chargée est aisément décomposable en deux parties : il s’agit de deux accélérations perpendiculaires l’une par rapport à l’autre.

Merci d'avance à tous ceux qui suivront cette discussion.

[invite93279690]

- Question quand même : entre les deux plaques d’un condensateur, une fois celui-ci complètement chargé (cad avec zéro courant dans la boucle), n’a-t-on pas un beau champ E sans véritable champ B ? En prenant en compte l’argument ci-dessus, il faudrait dire qu’il y a quand même un champ B parce que le champ E entre les plaques varie toujours un minimum ? Et parce que les charges dans les plaques ne sont pas parfaitement immobiles ?

Entre les deux plaques d'un condensateur dans le cas statique, il n'y a effectivement qu'un champ électrostatique (à des fluctuations près).

2) L’approche relativiste semble un argument plus fort. Mais je ne suis pas sûr de comprendre.
L’idée serait qu’un charge peut être immobile pour un système de référence S1, mais mobile pour des systèmes S2, S3, etc ; et donc qu’elle pourrait (approximativement) ne pas être source d’un champ B pour S1, mais si pour S2, S3, etc. J’ai bien compris ?
Je ne comprends pas l'idée qu'un champ E, pour un S1, puisse être un champ B pour un S2, et vice versa. Quelqu'un peut-il me donner une référence de travail (bonne et pas superdure ?

En fait ce n'est pas tout à fait ça. L'idée est de dire que si on a une charge immobile et un moment magnétique supposé nul alors le seul champ crée sera un champ électrostatique. Maintenant si on se déplace par rapport à cette charge, elle ne va plus être immobile et dans notre référentiel on mesurera à la fois un champ électrique et un champ magnétique. Il est par contre important de noter que si il existe un référentiel dans lequel on peut n'avoir que E (ou que B ) alors il n'existe pas de référentiels dans lequel on ne voit ensuite que B (ou que E). Dans le cas d'une charge ponctuelle immobile, si on se met à bouger par rapport à elle on verra certes un champ magnétique mais nécessairement un champ electrique aussi.

En tout cas, si je mesure bien la portée du truc, la conclusion serait : E et B ne sont pas seulement toujours liés, ils sont une seule et même chose.

C'est plutot que c'est les composantes d'un même objet. L'exemple utilisé souvent pour la MQ pourra peut être utile ici. Si tu considères un cylindre, vu de dessus c'est un cercle et vu de coté c'est un rectangle mais en réalité ce sont les deux faces d'un même objet ba là c'est pareil.

4) Enfin, l’argument sur la relation entre champ et interaction. Si je comprends bien, ça consiste à dire que l’interaction électromagnétique se fait toujours à partir de la même particule (le photon), et donc qu’il s’agit de la même interaction. En résumé : l’unité de la particule support-de-force impliquerait l’unité de la force, cad du type d’action.

Oui c'est ça pour moi en tout cas.

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Question quand même : n’est-il pas plus rigoureux de dire que le photon est porteur d’une double force ? Cad qu’il est un double champ porteur d’une double force ? Car, au final, quand il y a vraiment un champ E et un champ B, l’effet sur une particule chargée est aisément décomposable en deux parties : il s’agit de deux accélérations perpendiculaires l’une par rapport à l’autre.

Non parce que le photon n'interagit pas aussi "basiquement" avec les particules. En théorie relativiste (classique) des collisions, on utilise plutot le caractère corpusculaire du photon qui ne nécessite pas vraiment la description en termes de champ electrique et magnétique.
En théorie quantique des champs c'est déjà plus délicat parce que si on s'intéresse à des transitions atomiques alors on va souvent privilégier les transitions dipolaires qui sont plus fréquentes et qui elles ne font intervenir que le champ electrique.

[invite58a61433]

Je ne comprends pas l'idée qu'un champ E, pour un S1, puisse être un champ B pour un S2, et vice versa. Quelqu'un peut-il me donner une référence de travail (bonne et pas superdure ?

Alors une référence où ce problème est traité de manière très élémentaire mais aussi très claire : Cours de physique de Feynman Tome 1 d'électromagnétisme chapitre 13 paragraphe "La relativité des champs magnétiques et électriques".

[curieuxdenature]

- Question quand même : je viens de lire un truc comme quoi les neutrinos pourraient être source d’un champ B. C’est pas établi, mais ça n’a pas l’air de choquer les théoriciens. L’idée d’une source d’un champ B qui n’est pas une charge n’est donc pas absurde ?
Réf : http://www.techno-science.net/?ongle...icle=11&page=3

Bonjour

le lien répond à la question, c'est une absence de réponse puisque ce moment magnétique serait plus faible que ce que les mesures peuvent révéler. C'est, sauf erreur 1 milliard fois plus petit que celui de l'électron, d'autant plus négatif que la faible masse du neutrino lui donnerait un moment magnétique 100 000 fois celui de l'électron s'il avait une charge = à 1.

[invitef448c0cc]

Merci pour les réponses et pour la réf à Feynman (ça tombe bien, j’ai ça chez moi !).
Deux questions résiduelles, liées aux réponses de Gatsu notmmt :

1) Si on pense les champs E et B comme les composantes d’un même objet, quel est cet objet ?
Je suppose qu’il ne s’agit pas de la charge (cad de la source du champ), mais du champ électromagnétique lui-même, dont une des composantes peut être nulle pour un système S1, et non nulle pour un système S2. Par ex un champ E peut être non variable pour S1, et donc sans champ B ; et variable pour S2, et donc s’accompagner d’un champ B.
Si c’est ça, au final, pour S2, on a quand même deux composantes bien distinctes, me semble-t-il.
De plus, je me demande si on ne joue pas sur les mots, car «l’objet » auxquelles ces composantes appartiennent, cad le champ électromagnétique, c’est rien d’autre que ces deux composantes ! En appliquant le rasoir d’Occam, ça donnerait donc : il existe des champs E et B liés, certes pas les mêmes selon les référentiels, mais pas « d’objet » auxquels ils appartiennent.
Par ailleurs, je ne sais pas si la comparaison avec la MQ peut aider : si je ne me trompe pas, un quanton n’a pas un caractère ondulatoire et un caractère corpusculaire en même temps. Ce n’est donc pas assimilable à des composantes.

2) A propos des forces fondamentales en général, le sujet est dur, j’ai pas toutes les connaissances, et je n’ai donc aucune conviction. J’essaie seult de comprendre sur quoi on se base pour les compter.
- Si on se base sur le principe : l’unité de la particule support-de-force implique l’unité de la force, alors est-ce que ça marche encore pour l’interaction faible, avec trois particules support-de-force différentes (W+, W-, Z°) ?
- Si maintenant on se base sur le principe : un type d’action, d’effet = un type de force, alors n’est-on pas obligé de distinguer l’action électrique (médiatisée par le photon) et l’action magnétique (médiatisée par le photon aussi) ? Dire que le photon est plus un corpuscule en Relativité, et plus un champ en TQC, qu’est-ce que ça change ? Au final, on peut toujours distinguer deux types d’actions, cad deux types d’effets.

[invite58a61433]

Si on pense les champs E et B comme les composantes d’un même objet, quel est cet objet ?

En fait les champs E et B sont tous dérivés d'un potentiel scalaire pour le champ E et d'un potentiel vecteur pour le champ B. Maintenant à partir du potentiel scalaire et du potentiel vecteur on peut former le quadri-potentiel qui est un champ à quatre composantes ( la partie temporelle étant le potentiel scalaire associé à E et les trois composantes spatiales sont celles du potentiel vecteur associé à B), et c'est ce qu'on entend quand on dit que E et B sont les facettes d'un même objet car ils sont tous deux dérivés du quadri-potentiel.

- Si on se base sur le principe : l’unité de la particule support-de-force implique l’unité de la force, alors est-ce que ça marche encore pour l’interaction faible, avec trois particules support-de-force différentes (W+, W-, Z°) ?

Alors ce que je dis est ici à prendre avec plus de précaution (vu que je ne suis pas sur de moi) mais je crois que ça vient du fait qu'en théorie électrofaible on fait intervenir un champ à quatre composantes, et, les photons, Z°, W+, W- ne sont que les manifestations de ce champ. En fait le mechanisme de Higgs fait apparaître le photon et Z° comme la superposition des composantes neutres du champ alors que les bosons W+ et W- sont une superposition des composantes chargés du champ.
Je suppose que tu auras une explication plus claire, plus précise et surtout plus sure que celle ci.