Les lois de Maxwell sont un système de quatre équations qui forment la base de l’électromagnétisme et de la théorie des ondes électromagnétiques. Ces équations permettent de déterminer les champs électriques et magnétiques générés par une distribution donnée de charges électriques et/ou de courants. Les équations de Maxwell sont basées sur les théories de Gauss, Ampère et Faraday. Elles établissent la relation entre l’électricité et le magnétisme.
Qu’est-ce que l’électromagnétisme de Maxwell ?
Sur la base des études de Michael Faraday, Maxwell a unifié en 1864 tous les phénomènes électriques et magnétiques observables dans un ouvrage qui a établi des liens entre les différentes théories de l’époque, en dérivant l’une des théories les plus élégantes jamais formulées.
Maxwell a démontré, avec cette nouvelle théorie, que tous les phénomènes électriques et magnétiques pouvaient être décrits en seulement quatre équations, maintenant connues sous le nom d’équations de Maxwell. Ce sont les équations de base de l’électromagnétisme, tout comme la loi de la gravitation universelle et les trois lois de Newton sont fondamentales pour la mécanique classique.
Les équations de Maxwell pour l’électromagnétisme consistent en l’unification entre les lois de Gauss pour l’électricité et le magnétisme, la loi d’Ampère généralisée et la loi de Faraday pour l’induction électromagnétique.
Loi de Gauss pour l’électricité
C’est la première des quatre équations de Maxwell, initialement proposée par le mathématicien allemand Carl Friedrich Gauss (1777-1855), c’est l’équivalent de la loi de Coulomb dans les situations statiques. Elle concerne les champs électriques et leurs sources, ainsi que les charges électriques. Elle peut être appliquée même aux champs électriques variant dans le temps.
Loi de Gauss pour le magnétisme
Cette loi est équivalente à la première, mais elle applicable aux champs magnétiques. Elle montre également l’inexistence de monopôles magnétiques (il n’y a pas de pôle sud ou nord isolé). Selon cette loi, les lignes de champ magnétique sont continues, contrairement aux lignes de force dans un champ électrique.
Loi d’Ampère
La loi d’Ampère décrit la relation entre un champ magnétique et le courant électrique qui le provoque. Elle stipule qu’un champ magnétique est toujours produit par un courant électrique ou un champ électrique changeant. Cette deuxième façon d’obtenir un champ magnétique a été prédite par Maxwell lui-même. Elle est basée sur la symétrie de la nature : si un champ magnétique changeant induit un courant électrique, et par conséquent un champ électrique, alors un champ électrique changeant doit induire un champ magnétique.
Loi de Faraday
La quatrième des équations de Maxwell décrit les caractéristiques du champ électrique donnant lieu à un flux magnétique variable. Les champs magnétiques générés varient dans le temps, générant ainsi des champs électriques de rotation.
Comment fonctionne l’électromagnétisme de Maxwell ?
Jusqu’au milieu du XIXe siècle, les notions de magnétisme, d’électricité, de lumière et de rayonnement associé étaient traitées séparément. En 1864, le physicien James Clerk Maxwell a unifié ces théories et phénomènes.
Les équations de Maxwell ont permis de produire un modèle mathématique pour les technologies telles que l’électricité, l’optiques et la radiocommunication. Elles se sont avérées très utiles pour la production des radars, des lentilles, des appareils de communication sans fil, des moteurs électriques, etc.
Ces équations indiquent que les champs électriques et magnétiques sont générés par des charges, des courants et des changements dans ces champs. Ces équations différentielles ont également été les protagonistes de la première véritable définition selon laquelle la lumière est une onde électromagnétique et sa vitesse est de 299.792.458 m/s.
L’électromagnétisme est le domaine de la physique qui étudie les phénomènes liés à l’électricité et au magnétisme de manière unifiée. L’électromagnétisme est basé sur les principes des charges électriques et de la variation du flux magnétique. Les charges électriques en mouvement génèrent un champ magnétique et la variation du flux magnétique produit un champ électrique.
La découverte de l’électromagnétisme de Maxwell
L’Écossais James Clerck Maxwell (1831-1879) est considéré comme l’un des plus grands physiciens de tous les temps en raison de ses études dans le domaine de l’électromagnétisme. Maxwell s’est inspiré des théories de Gauss, Ampère et Faraday pour formuler un ensemble de quatre équations décrivant tous les phénomènes électromagnétiques.
Aujourd’hui, les types d’équipements les plus variés ont pour principe de fonctionnement les ondes électromagnétiques. James Clark Maxwell a été le premier à prédire l’existence des ondes électromagnétiques.
Maxwell a démontré, en utilisant l’analogie des oscillations des champs électriques et magnétiques avec les oscillations d’un fluide, que ces oscillations pouvaient se propager de la même manière que les ondes mécaniques. Maxwell a imaginé que ces ondes se propageraient dans un milieu qu’il appelait l’éther, un milieu invisible qui envelopperait tous les objets.
Malgré toutes ses études, Maxwell mourut sans pouvoir ne produire ni détecter d’ondes électromagnétiques, ce qui prouverait ses théories. Ce n’est que huit ans après sa mort que Heirinch Hertz a prouvé expérimentalement les prédictions faites par Maxwell. Les contributions de Maxwell à l’électromagnétisme l’assimilent à des physiciens tels qu’Isaac Newton et Albert Einstein.