Christoph SchillerIAMONTAGNFMOUVFMFNTi\vix1cainii\vnvsiocivoi. iiiiciiai, tn\acis i1tiavi\cwww.motionmountain.netChristoph SchillerI\Mo+\oi Motvi:i+LAventure de la PhysiqueVolume IIILumire, Charges et CerveauTraduit de l anglais par Benot CLENET23edition, disponible gratuitement surwww.motionmountain.netEditio vicesima tertia.Proprietas scriptoris Christophori Schillersecundo anno Olympiadis vicesimae nonae.Omnia proprietatis iura reservantur et vindicantur.Imitatio prohibita sine auctoris permissione.Non licet pecuniam expetere pro aliquo, quodpartem horum verborum continet ; liberpro omnibus semper gratuitus erat et manet.Vingt-troisime dition.Copyright 2009 Christoph Schiller,deuxime anne de la 29eOlympiade.Ce fchier pdf est distribu sous licence Creative CommonsPaternit-Pas d Utilisation Commerciale-Pas de Modifcation 3.0 Allemagnedont le texte peut tre consult en intgralit sur la pagecreativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.fr,avec la restriction supplmentaire que toute reproduction,distribution et utilisation, partielle ou totale, dans n importe quelproduit ou service, qu il soit commercial ou non, nest pas autorisesans le consentement crit du dtenteur du droit dauteur.Toute personne est libre de consulter, enregistrer et imprimerce fchier pdf pour son usage personnel, et de le difuser pardes moyens lectroniques, mais uniquement sous sa forme originaleet de manire entirement gratuite.A Britta, Esther et Iustus Aaron Die Menschen strken, die Sachen klren.PRFFACFPrimum movere, deinde docere.AntiquitCe livre sadresse toute personne curieuse de la nature et du mouvement. La curio-sit portant sur la manire dont se meuvent les gens, les animaux, les choses, les images etl espace nous entraine dans de multiples aventures. Ce volume prsente celles que nousrencontrons lors de l exploration de tout phnomne lectrique. Cette histoire recouvreun vaste domaine qui va de la pese du courant lectrique, de l utilisation des champsmagntiques, delacicatrisationd unefracture jusqulacomprhension ducerveauhumain.Dans le panorama de la physique, indiqu sur la Figure I, le mouvement engendr parl lectricit reprsente l aspect le plus rcent et le plus fascinant de notre point de dpart.En vrit, presque tout, autour de nous, est d des processus lectriques. Le prsentvolume le troisime d une collection qui en compte six propose un tour d horizon dela physique ; il rsulte d une triple aspiration que j ai poursuivie depuis I990 : prsenterle mouvement d une manire simple, moderne et vivante.Afn dtresimple, le texte se focalise sur les concepts, tout en donnant aux math-matiques le niveau minimum ncessaire. La priorit est donne la comprhension desconcepts de la physique plutot qu l utilisation des formules dans les calculs. Tout cetexte est la porte d un tudiant qui accde au premier niveau universitaire.Afn dtre moderne, ce texte est enrichi par les nombreux joyaux aussi bien tho-riques quempiriques qui parsment la littrature scientifque.Afn dtre vivant, ce texte tente de surprendre le lecteur autant que possible. Lire unlivre de physique gnrale, ce devrait tre comme assister un spectacle de magie. Nousobservons, nous nous tonnons, nous nen croyons pas nos yeux, nous rfchissons, etfnalement nous comprenons le truc. Lorsque nous observons la nature, nous faisons sou-vent cette mme exprience. Cest pourquoi chaque page propose au moins une surpriseou une provocation qui mettra la sagacit du lecteur l preuve. Un grand nombre dedfs intressants sont proposs.La devise de ce texte, die Menschen strken, die Sachen klren, une phrase clbre surla pdagogie due Hartmut von Hentig, se traduit ainsi : Fortifer les hommes, clariferles choses . Clarifer les choses ncessite du courage, puisque changer les habitudes depense engendre la peur, souvent masque par la colre. Mais en surpassant nos peurs Dabord mouvoir, ensuite enseigner . Dans les langues modernes, ce type mentionn de mouvement(celui du cur) est souvent appel motivation : ces deux termes sont issus de la mme racine latine.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai20108 vviinciPhysique galilenne, chaleur et lectricitAventures : sport, musique, navigation, cuisine, dcrire la beaut et comprendre son origine, utiliser llectricit et les ordinateurs, comprendre le cerveau et ltre humain.Relativit restreinteAventures : lumire, magntisme, contrac-tion des longueurs,dilatation du temps et E0 = mc2 .Mcanique quantiqueAventures : mort,sexualit, biologie, admirer lart et lescouleurs, toute latechnologie de pointe, mdecine, chimieet volution.Mcanique quan-tique et gravitationAventures : neutrons qui rebondissent, com- prendre la crois- sance des arbres.Description unifie du mouvement Aventures : comprendre lemouvement, joie intense avec la pense, saisir une lueur dextase, calculer les masses.G c h, e, kPHYSIQUE :Dcrire le mouvement laide de laction.Thorie quantique des champsAventures : btir desacclrateurs, compren-dre les quarks, toiles, bombes et fondements de la vie, la matire, le rayonnement.Comment lesobjets familiersrapides et massifsse dplacent-ils ?Comment se dplacentles objets minuscules ?Que sont les choses ?Pourquoi le mouve-ment se produit-il ?Que sont lespace, le temps et les par-ticules quantiques ?Relativit GnraleAventures : le ciel nocturne, me-surer la courburede lespace, explo-rer les trous noirs et lunivers, lespace et le temps.Gravitation classiqueAventures : randonne en montagne, ski, voyage dans lespace,les prodiges de lastronomie et de la gologie.FI GURE 1Une carte complte de la physique : les connexions sont dnies par la vitesse de la lumirec, la constante de la gravitation G, la constante de Planck h, la constante de Boltzmann k et la chargelmentaire e.nous gagnons en force. Nous ressentons alors des motions intenses et enivrantes. Toutesles grandes aventures de la vie et explorer le mouvement en est une mnent cela.Munich, I0 Ianvier 2009.Rimivciimi1Ie remercie Benoit Clnet pour sa traduction de ce volume. Sa patience, son nergieet son professionnalisme sont exemplaires.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010vviinci oCosiii.Uiic1iUvDaprs mon exprience denseignant, je connais une mthode dapprentissage quiest toujours parvenue transformer des lves en chec en lves gagnants : si vous lisezun livre pour l tudier, rsumez chaque section que vous lisez, dans vos proprestermes,voixhaute. Sivous n y arrivezpas,lisezlasection une nouvellefois.Recommencezjusqu ce quevous puissiez rsumer clairement ce quevous avezlu avecvospropresmots, voix haute. Vous pouvez le faire tout seul dans votre chambre, ou avec des amis,ou tout en marchant. Si vous faites cela avec tout ce que vous lisez, vous rduirez votretemps dapprentissage et de lecture de manire signifcative. De surcroit, vous prendrezbeaucoupplusdeplaisirapprendreavecdesbonsouvragesetdtestereznettementmoins les mauvais manuels. Les prodiges de cette mthode peuvent mme l utiliser touten coutant un cours, voix basse, vitant ainsi de prendre constamment des notes.Commi1U1iiisivciiivvi :Le texte en vert, que l on trouve dans un grand nombre de notes en marge, signale unlien sur lequel on peut cliquer dans un lecteur pdf. Ces liens en vert sont soit des rf-rences bibliographiques, des notes de bas de page, des rfrences croises vers dautrespages, des solutions aux dfs ou des pointeurs vers des sites Web.Lesindicesetsolutionsdesdssont donns dansl annexe. Lesdfs sont classsainsi : niveaurecherche (r), dimcile(d), niveau tudiantstandard (s) et facile (e). Lesdfs des types r, d ou s pour lesquels aucune solution na encore t incorpore dans lelivre sont marqus (pe).AvviiXco1vivU1ioCetexteest et demeureralibrement tlchargeabledepuis Internet. Enchange,envoyez-mois ilvousplaitunbrefcourrielfbmotionmountain.net, propos desquestions suivantes :Ouest-ce qui ntait pas clair :Ouelle histoire, sujet, nigme, image ou flm navez-vous pas compris :Ouest-ce qui devrait tre amlior ou corrig : D 1 sVous pouvez galement ajouter votre retour directement sur www.motionmountain.net/wiki. Au nom de tous les lecteurs, merci par avancepour votre collaboration. Si votrecontribution est particulirement pertinente, et si vous le souhaitez, votre nomsera men-tionn dans les remerciements, ou bien vous recevrez une rcompense, ou les deux. Maispar-dessus tout, trs bonne lecture !LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010TiiisM:1iiiis1a 1 Eiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximniiLambre, la pierre magniique ei les ilphones poriables :, Commeni peui-onreproduire l clair : :8 Charge lecirique ei champs leciriques :: Pouvons-nous dceler l ineriiede l leciricii : :o Subir les eneis des champs lec-iriques :o Aimanis ,o Les hommes peuveni-ils resseniir les champs magn-iiques :,: Commeni pouvons-nous concevoir un gnraieur :,: Champs ma-gniiques ,a Champs leciromagniiques ei Lagrangiens ,8 Commeni les g-nraieurs dmonireni que la relaiivii esi jusie ,o Trois raliis fondamenialesconcernani l leciricii a: Curiosiis ei dfs amusanis sur les objeis leciriquesei magniiques a:=: i Discviv1iouiinuvnmioUiuUcunmviiic1vomnoi1ioUiCollisions de pariicules charges ,o Le champ de jauge poieniiel vecieur duchamp leciromagniique ,, Energie, quaniii de mouvemeni ei momeni cin-iique du champ leciromagniique o: Le lagrangien de l leciromagniisme o: Symiries le ienseur nergieimpulsion o, Ouesi-ce qu un miroir : oa Ouelle dinrence y a-i-il enire les champs lecirique ei magniique : oo Llec-irodynamique auraii-elle pu ire dinrenie : o, Le df le plus ienace de l lec-irodynamique o8 Curiosiis ei dfs amusanis sur l lecirodynamique o8o : OU is1-cioUiiniUmiivi :Polarisaiion ei leciromagniisme ,, La lenieur des progrs en physique 8a Un auire regard sur le rayonnemeni leciromagniique 8a A quoi ressemble lemonde lorsque nous chevauchons un faisceau lumineux :8o La lumire voyage-i-elle ioujours en ligne droiie :8o La focalisaiion de la lumireo: Pouvons-nouspalper la lumire : o, Guerre, lumire ei mensonges o, Ouesi-ce que la cou-leur : o, Jouons avec les arcs-en-ciel :oo Ouelle esi la viiesse de la lumire : Rirospeciive :o: 200 ans irop iard indices de rfraciion ngaiifs :o, Mia-mairiaux:oo Signaux ei prdiciions:o, Liher exisie-i-il ::o8 Curiosiisei dfs amusanis concernani la lumire :oo11o a Lisimnoisi1i uiii ov1ioUiCommeni dmonirer que vous ies sacr ::o Voyons-nous ce qui exisie : ::oCommeni produisons-nous des images de l inirieur de l il : ::a Commeniralisons-nous des hologrammes ei auires images iridimensionnelles : ::, Ima-gerie opiique ::o Pourquoi pouvons-nous nous voir : ::8 La lumire commearme : ::o Curiosiis ei dfs amusanis sur l il ei les images ::: Les chargessoni discries Les limiies de l lecirodynamique classique ::, A quelle viiesseles charges se dplaceni-elles : ::a Curiosiis ei dfs amusanis sur les chargesdiscries ::,1i = Eiii1s iiic1vomnoi1ioUisLclair esi-il une dcharge lecirique : Lleciricii dans l aimosphre::, Lesboules de feu exisieni-elles : :,o La gravii faii-elle rayonner les charges : :,: Ouesiionsderecherche :,: Lviiaiion :,a Maiire,lviiaiioneieneislec-iromagniiques :,, Curiosiisei dfsamusanissurleseneisleciromagn-iiques :ao1=o o ToUvu uovizosUvi iiic1vouvnmioUicinssioUii1sisiimi1isLaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010:: 1.viiuism.1iivis1=i LnvuvsioUicinssioUiunsUicooUiiiiuioixLavenir de la planie Terre:,a Lessence de la physique classique l infnimenipeiii ei l absence de surprises :,o Pourquoi navons-nous pas encore aiieini lesommei de la moniagne : :,,1=n 8 L uis1oiviuUcivvinULvoluiion ei le cerveau :oo Les enfanis, les lois ei la physique :o: Eleciro-nique des polymres :oa Pourquoi un cerveau : :o, Ouesi-ce que l informa-iion: :o, Ouesi-ce que la mmoire : :o8 La puissance du cerveau:,o1a n Lnvisiii1iiinonoiOuesi-ce que le langage : :,a Ouesi-ce qu un concepi : :,8 Oue soni les en-sembles : Oue soni les relaiions : :8o Infni :8, Fonciions ei siruciures :8, Lesnombres :8o Pourquoi fairedesmaihmaiiques : :o: Lesmaihma-iiques soni-elles un langage : :o: Curiosiis ei dfs amusanis sur les maihma-iiques :o,1no 1oCociv1s, misoois i1mouiiisuiinn1UviLes concepis physiques soni-ils dcouveris ou invenis : :o, Commenidcouvrons-nous les rgles ei les modles de la physique : :oo Ouesi-ce qu unmensonge : :o: Ceiie phrase esi-elle vraie : :oo Curiosiis ei dfs amusanissur les mensonges :o8i1o ObservationsUnequaniiidobservaiionssumsaniea-i-elleireleve : ::: Touieslesob-servables physiques soni-elles connues : ::: Les observaiions prenneni-elles duiemps : ::a L induciion esi-elle un problme en physique : ::,i1 Ia qute de precision et ses consequencesOue soni les inieraciions : Aucune mergence ::8 Ouesi-ce que l exis-ience : ::o Les choses exisieni-elles : ::o Le nani exisie-i-il : ::: La na-iure esi-elle infnie : ::, L Univers esi-il un ensemble : ::a L Univers exisie-i-il : ::o Ouesi-ce que la craiion : ::o La naiure esi-elle invenie : ::8 Ouesi-ce qu une descripiion: :,o Moiif, objeciif ei inierpriaiion:,: Unif-caiionei dmarcaiion:,: Les cochons, les singes ei le principe anihropique:,,Avons-nous besoin de causes ei deneis dans les explicaiions ::,, La conscienceesi-elle ncessaire : :,o Curiosii :,o Courage :,oia1 n Ui1is, MisUvisi1Cos1n1isUniis naiurelles de Planck :aa Auires sysimes d uniis :ao Curiosiis eidfsamusanissurlesuniis :a, Prcisioneiexaciiiudedesmesures :,, Consianies physiques fondameniales :,a Nombres uiiles :,oio1 Biniioovnvuiii8: Iuicis i1soiU1ios uisuiiis:oo Cviui1sRemerciemenis,oo Crdiis flmographiques,o: Crdiis phoiographiques ,o:LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010Lixiiii, Cn:icisi1Ciivi:iDans notre apprentissage du mouvement des objets,l aventure de la randonne et dautres expriencesnous conduisent dcouvrir que des charges crent les images,quelles se dplacent, saccumulent et interagissent,et qu il existe une charge minimale dans la nature.Nous comprenons ce qui unit l amour aux aimants et l ambre,pourquoi le cerveau est un instrument si intressant,et ce qui distingue un bon mensonge d un mauvais.C u . v i 1 v i IFIFCTRICI TFIIOUI DF, CHAMPSI NVI SI BIFSFTVI TFSSFMAXI MAIFOU is1-ci que la lumire : La relativit nous a vraiment laisss sur notre faim, bienue nous ayons plong dans celle-ci prcisment pour dcouvrir une rponse cettequestion. Cest vrai, nous avons appris comment le mouvement de la lumire se compare celui des objets. Nous avons galement compris que la lumire est une entit en mou-vement qui ne peut pas tre arrte, que celle-ci reprsente la vitesse limite pour tous lestypes dnergie et quelle constitue notre talon de mesure pour la vitesse. Cependant,nous navons rien appris concernant la nature de la lumire elle-mme.Une seconde question demeure ouverte : quest-ce que lecontact : Nous ne savonstoujours pas. L unique chose que nous avons apprise est que les interactions mcaniquesnexistent pas. La rponse ces anciennes interrogations nmerge quavec l tude des Vol. II, page??types de mouvement qui ne sont pas associs la gravitation. Il apparait que la compr-hension des expdients dont usent les magiciens pour faire lviter des objets constitue lacl de ces rponses.En revisitant la liste de toutes les forces motrices que nous rencontrons dans ce mondequi est le notre, nous remarquons que la gravitation a beaucoup de mal dcrire n im- Page 159porte laquelle dentre elles. Ni le mouvement des vagues ocaniques, ni celui du feu etdes sismes, ni celui d une petite brise ne sont engendrs par la gravit. La mme chosepeut tre amrme concernant le mouvement des muscles. Avez-vous dj cout le bat-tement de votre cur avec un stthoscope: Si vous ne l avez pas fait, vous ne pouvez D 2 eprtendre avoir une intuition du mystre du mouvement. Votre cur efectue environ3 000 millions de battements au cours de votre vie. Et ensuite, il sarrte.Une des dcouvertes les plus bouleversantes de la science fut celle que les battementsdu cur, les vagues ocaniques et la majorit des autres cas de mouvements de la viecourante, de mme que la nature de la lumire elle-mme, ont un point commun avecles observations ralises des milliers dannes auparavant concernant deux cailloux bi-zarres. Ces pierres montrent que tous les exemples de mouvement, qui sont qualifs demcaniques dans la vie quotidienne, sont, sans exception, dorigine lectrique.En particulier, la solidit, la mallabilit et l impntrabilit de la matire sont duesl lectricitinterne ;l mission delalumireest galementunprocessus lectrique. Rf. 1Puisque ces aspects reprsentent un pan entier de la vie quotidienne, nous laisserons decot toutes les complications dues la gravitet l espace-temps courbe. La manirela plus emcace dtudier le mouvement lectrique consiste commencer, comme dansle cas de la gravit, avec les types de mouvement qui sont engendrs sans qu il y ait lemoindre contact entre les corps concerns.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii :,FI GURE 2Objets entours par des champs : lambre (env. 1 cm), la pierre magntique (env. 1 cm) et letlphone portable (env. 10 cm). ( Philips)tuyaudeaupeignefrott surde la laineFI GURE 3Comment pater les enfants, particulirement par temps sec. (photo Robert Fritzius)L .mvvi, i.viivvim.ci1ioUii1iis1iiivuoisvov1.viisL histoire de l lectricit dbute avec les arbres. Ceux-ci entretiennent une relationparticulire avec l lectricit. Lorsque certains arbres sont coups, une rsine visqueuseapparait. Avec le temps, elle se solidife et, aprs des millions dannes, forme l ambre.Lorsque l ambre est frott avec une fourrure de chat, il acquiert la capacit dattirer despetits objets, tels que de la sciure de bois ou des bouts de papier. Tals de Milet, l undes sept sages originaux de la Grce, le savait dj au sixime sicle .v. I. -C. La mmeobservation peut tre ralise avecdenombreuses autres combinaisons depolymres,par exemple avec des peignes et des cheveux, avec des semelles de chaussures sur de lamoquette, ou avec un cran de tl et de la poussire. Les enfants sont toujours bahispar l infuence, indique sur la Figure 3, qu un peigne frott sur de la laine exerce surun flet deau qui coule d un robinet ouvert. Un autre efet captivant peut tre observlorsqu un peigne frott est plac prs d une bougie allume. (Pouvez-vous imaginer cequi se passe : ) D 3 peUn autre chapitre de l histoire de l lectricit concerne un minerai de fer dnich danscertaines cavernes dans le monde, plus prcisment dans une rgion (toujours) appeleMagnsie et situe dans la province grecque de Tessalie, et dans certaines rgions dAsiecentrale. Lorsque deux pierres de ce minerai sont places l une proximit de l autre,elles sattirent ou se repoussent, en fonction de leur orientation relative. De surcroit, cesLaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010:o :iiic1vici1ii1cunmvsTABLEAU1Recherches de monoples magntiques, cest--direde charges magntiques.R i c u i v c u i C un v o i mn o i 1 i o U iCharge magntique minimale prvue par la thoriequantique =he =eZ2 = 4,I pWbRecherche dans les minerais aucune, dipoles seuls Rf. 2Recherche dans les mtorites aucune, dipoles seuls Rf. 2Recherche dans les rayons cosmiques aucune, dipoles seuls Rf. 2Recherche l aide dacclrateurs de particules aucune, dipoles seuls Rf. 2pierres attirent des objets constitus de cobalt, de nickel ou de fer.Aujourd hui nouscotoyonsgalementdiverspetitsobjetsdanslanaturequi pos-sdent des proprits plus sophistiques, comme l indique la Figure 2. Certains objetsvouspermettent dallumerlatlvision,dautresdedverrouillerlesportires d unevoiture, dautres encore vous permettent de discuter avec des amis loigns.Toutesces observations montrentqu ilexistedanslanaturedessituationsou descorps exercent une infuence sur dautres situs une certaine distance. Lespace qui en-vironne un corps exerant une telle infuence est dit contenir un champ. Un champ (phy-sique) est donc une entit qui se dvoile elle-mme en acclrant dautres corps situsdans sa rgion de l espace. Un champ est une certaine tofe qui emplit l espace. Desexpriences dmontrent que les champs nont pas de masse. Le champ entourant le mine-rai dcouvert en Magnsie est appel un champ magntique, et les pierres sont appelesdes aimants. Le champ situ autour de l ambre appel en grec, daprs uneracine signifant clatant, brillant est appel un champ lectrique. Cette dnomina-tion est due une suggestion du clbre Anglais partiellement physicien William Gilbert(:,aa:oo,), qui tait mdecin de la reine ElisabethIre. Des objets entours par un champlectrique permanent sont appels des lectrets. Ils sont beaucoup moins courants que lesaimants ; ils sont utiliss, entre autres, dans certains systmes de haut-parleurs.Le champ environnant un tlphone portable est appel un champ radio ou, commenous le verrons plus tard, un champ lectromagntique. Contrairement aux champs pr-cdents, il oscille au cours du temps. Nous nous apercevrons plus tard que de nombreuxautres objets sont entours de tels champs, quoique ceux-ci soient souvent trs faibles.Des objets qui mettent des champs oscillants, comme les tlphones portables, sont bap-tiss transmetteurs radio ou metteurs radio.Les champs infuencent les corps distance, sans aucun support matriel. Pendantlongtemps, ilat dimciledentrouverdanslaviecourante,puisquelamajoritdespays ont des lois qui restreignent les machines qui utilisent et produisent de tels champs.La lgislation exige que pour tous les appareils qui se dplacent, produisent du son oucrent des flms, les champs restent confns l intrieur de ceux-ci. Cest pour cette rai-son qu un prestidigitateur qui fait bouger un objet sur une table au moyen d un aimantdissimul amuse et impressionne toujours son public. Pour ressentir plus fortement cette Le livre de Jnmis D. Livios1o, Driving Force the Natural Magic of Magnets, Harvard UniversityPress, I996, est un merveilleux livre consacr l histoire du magntisme et aux exaltations qu il a suscites. L efet Kirlian, qui nous permet de raliser de faon intrigante des photographies magnifques, est causpar un champ lectrique variable dans le temps.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii :,TABLEAU2Quelques champs magntiques observs.On s i vvn1 i o C un mv mn -o i 1 i o U iChamp magntique mesur le plus faible (ex. les champs des rsonancesde Schumann)I f TChamp magntique produit par les courants dans le cerveau 0,I pT 3 pTChamps magntiques intergalactiques I pT I0pTChamp magntique dans la cage thoracique humaine, d aux courants car-diaquesI00pTChamp magntique produit par les muscles ...Champ magntique de notre galaxie 0,3 nTChamp magntique d au vent solaire 0,2 80 nTChampmagntiquesitudirectementsousunelignelectriquehautetension0,I I TChamp magntique terrestre 20 70TChamp magntique dans un domicile ayant l lectricit 0,I I00TChamp magntique prs d un tlphone portable I00TChampmagntiquequi dterminelaqualitdesimagesvisuellesdansl obscuritI00TChamp magntique prs d un aimant en fer I00mTTaches solaires I TChamps magntiques prs d un aimant permanent de haute technologie max. I,3 TChamps magntiques qui produisent la sensationdu froid chez les treshumains3 T ou plusChamps magntiques engendrs dans un acclrateur de particules I0TChamp magntique statiquemaximal produit avec des solnodes supra-conducteurs22 TChamps magntiques statiques les plus puissants produits en laboratoire, l aide daimants hybrides43 TChamps magntiquespulss les plus puissantsproduits sansdestructionde la bobine76TChamps magntiques pulss engendrs, pendant environ I s, en utilisantdes bobines qui implosentI 000TChamp d une naine blanche I04TChamps produits dans les pulsations laser ptawatt 30kTChamp d une toile neutrons de I06T I0IITChamp magntique critique quantique 4,4GTChamplepluspuissant jamais mesur, sur lemagntar et sursauteurgamma mou SGR-I806-200,8 I I0IITChamp prs du noyau d un atome I TTChamp magntique (de Planck) maximal 2,2 I033TLaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010:8 :iiic1vici1ii1cunmvsFI GURE 4Lclair : une photographie prise avec un appareil photo en mouvement, exhibant sesmultiples ashs. ( Steven Horsburgh)fascination pour les champs, il est prfrable dexaminer plus profondment quelques r-sultats exprimentaux.Commi1viU1-ovivvouUivii ici.iv :Chacun a dj aperu le fash d un clair ou a pu observer l efet saisissant qu il peutavoir sur un arbre. Manifestement, l clair est un phnomne qui se dplace. Des photo-graphies telles que celle de la Figure 4 montrent que la pointe du fash d un clair avance une vitesse moyenne denviron 600 km]s. Mais quest-ce qui se dplace : Pour le dcou-vrir, nous devons trouver une manire de reproduire l clair par nous-mmes.En I993, la compagnie automobile General Motors redcouvrit accidentellement unemthode ancienne et simple permettant de faire cela. Ses ingnieurs avaient par inadver-tance construit un mcanisme de cration d tincelles dans leurs vhicules : lors du rem-plissage du rservoir essence, des tincelles taient produites, lesquelles provoquaientparfois l explosion du carburant. Ils durent rappeler 2 millions de vhicules de la marque Rf. 3Opel.Ouelleerreur lesingnieursavaient-ilscommise :Ilsavaientdupliquinconsciem-ment les conditions requises pour mettre en uvre un dispositif lectrique que chacunpeut construire chez soi et qui fut invent l origine par WilliamTomson : legn-rateur de Kelvin. Pour renouveler son exprience aujourd hui, il nous sumt de prendre William Tomson (:8:a:oo,) fut un minent physicien, fervent dfenseur du parti unioniste irlandais etprofesseur l universit de Glasgow. Il travailla sur la dtermination de l age de la Terre, dmontrant quelleavait beaucoup plus de 6 000 ans, contrairement ce que pensaient plusieurs sectes. Il infuena fortementle dveloppement de la thorie du magntisme et de l lectricit, la description de l ther et de la thermo-dynamique. Il contribua gnraliser l emploi du mot nergie au sens ou il est utilis de nos jours, laplace de termes confus plus anciens. Il fut un des derniers scientifques difuser les analogies mcaniquespour l explication des phnomnes, sopposant ainsi vigoureusement la description de Maxwell de l lec-tromagntisme. Ce fut principalement pour cette raison qu il ne reut jamais le prix Nobel. Il fut galementl un des concepteurs de la pose du premier cable tlgraphique transatlantique. Victorien dans ses tripes,LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii :ofils mtalliquesfils de nyloncylindres mtalliquesbotes de conservetuyaud'eauboum !fils de nylonFI GURE 5Un gnrateur de Kelvin lmentaire. (photographie Harald Chmela)deux robinets deau, quatre boites de conserve vides, que l on doit ouvrir des deux cots,un peu de fl de nylon et un morceau de fl mtallique. Rf. 4En disposant tout cela comme indiqu sur la Figure 3 et en laissant couler l eau, nousconstatons un efet stupfant : de grandes tincelles se produisent de temps en tempsentre les deux fls de cuivre l emplacement ou ils sont le plus prs l un de l autre, enmettant des bruitsdistincts. Pouvez-vousdeviner quelle condition l coulement doitsatisfaire pour que cela puisse marcher : Et que ft Opel pour rparer les vhicules rapa-tris : D 4 sSi nous coupons les robinets juste avant que la prochaine tincelle se produise, nousremarquons que les deux rcipients peuvent attirer de la sciure et des bouts de papier.Ce gnrateur agit donc de la mme manire que l ambre frott, mais bien plus emcace-ment. Les deux rcipients sont entours de champs lectriques. Le champ augmente avecle temps, jusqu ce que l tincelle tressaille. Iuste aprs celle-ci, les rcipients sont (pra-tiquement) dpourvus de champ lectrique. Evidemment, l coulement de l eau fait que,d une certaine manire, une entit saccumule dans chaque rcipient ; aujourd hui nousappelons celle-ci la charge lectrique. La charge peut scouler dans les mtaux et, lorsqueles champs sont sumsamment puissants, traverser l air. Nous dcouvrons galement queles deux rcipients sont envelopps par deux types distincts de champs lectriques : lescorps qui sont attirs par l un des rcipients sont repousss par l autre.Toutes les autres expriences confrment qu il existe deux types de charges. BenjaminFranklin (:,oo:,oo), qui tait un homme politique amricain et galement physicien,qualifait l lectricit gnre sur une baguette en verre frotte avec un linge sec de posi-tive, et celle produite sur un morceau dambre de ngative. (Auparavant, ces deux typesde charges taient qualifs de vitreux et de rsineux .) Des corps ayant des chargesil choisit, lorsqu il fut anobli et fait chevalier, le nom d unpetit ruisseau qui coulait prs de sademeurecomme nouveau nom, et devint baron Kelvin de Largs. Cest ainsi que l unit de la temprature a tir sonnom d une petite rivire cossaise.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010:o :iiic1vici1ii1cunmvssur le toitdans le soldans la picependuleavec bille mtalliqueFI GURE 6Le paratonnerre personnel de Benjamin Franklin.de mme signe se repoussent, des corps de charges opposes sattirent, des charges designe oppos scoulant ensemble sannulent.En rsum, les champs lectriques naissent des corps, pourvu qu ils soient chargs.Laccumulation de charges peut tre accomplie par le frottement et des processus simi-laires. La charge peut scouler : elle est alors appele courant lectrique. Les plus mauvaisconducteurs du courant sont les polymres, ils sont qualifs de matriaux isolants ou di-lectriques. Une charge place sur un isolant reste l endroit ou elle a t positionne. Aucontraire, les mtaux sont de bons conducteurs : une charge place sur un conducteur sepropage sur toute sa surface. Les meilleurs conducteurs sont l argent et le cuivre. Cestla raison pour laquelle, en ce moment, aprs deux cents ans d usage de la fe lectricit,la plus forte concentration en cuivredu monde se trouveen dessous de la surface deManhattan.Bien entendu, nous devons vrifer si l clair naturel est vritablement dorigine lec-trique. En I732, des expriences menes en France, daprs une recommandation de Ben-jamin Franklin publie Londres en I73I, ont montr que nous pouvons en ralit ex-traire de l lectricit d un dluge dclairs, un jour dorage, via une longue tige. Cesexpriences franaises rendirent Franklin mondialement clbre ; elles constiturent ga-lement le point de dpart de l utilisation des paratonnerres dans le monde entier. Plustard, Franklin installa un paratonnerre dans sa propre proprit, mais d un type quelque Rf. 5peu inhabituel, comme indiqu sur la Figure 6. Pouvez-vous deviner ce qu il faisait danssa pice pendant l orage, toutes les parties tant constitues de mtaux : (Ne reproduisez D 5 spas cette exprience : ce dispositif peut tuer.) En ralit, il existe de nombreuses autres manires de produire des tincelles ou mme des arcs lectriques,cest--dire des tincelles prolonges. Il existe mme une frange entire de la population qui exerce chez soice passe-temps favori. Ceux qui possdent un budget plus important le font de faon professionnelle, dansdes acclrateurs de particules. Consultez le site Web www.kronjaeger.com/hv. Les particularits de la manire dont l clair est gnr et de la manire dont il se propage constituentencore un domaine de recherches. Une introduction en est donne la page I27.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii ::Cu.vciiiic1vioUii1cu.mvsiiic1vioUisSi toutes les expriences avec la charge peuvent tre expliques en qualifant les deuxcharges de positive et ngative, cela suggre que certains corps possdent plus de chargesetdautrescorpsmoinsdechargesqu uncorpsneutre, noncharg. Llectricitnescoule donc que lorsque deux corps difremment chargs sont mis en contact. Mainte-nant, si la charge peut scouler et saccumuler, nous devons tre capables d une manireou d une autre de mesurer sa quantit. Indubitablement, laquantit de charge qu uncorps possde, gnralement note q, est dfnie par l intermdiaire de l infuence quece corps, disons une particule de sciure de bois, ressent lorsqu il est soumis un champ.Lacharge est donc dfnieen lacomparantune chargestandard derfrence. Pourun corps charg de masse m acclr dans un champ, sa charge q est dtermine par larelationqqref=mamrefaref, (I)cest--dire en comparant ce corps avec l acclration et la masse de la charge de rf-rence. Cette dfnition refte l observation que la masse seule nest pas sumsante pour ca-ractriser compltement un corps. Pour une description complte du mouvement, nousavons besoin de connaitre sa charge lectrique : la charge est par consquent la deuximeproprit intrinsque des corps que nous dcouvrons dans notre promenade.Actuellement,l unitdelachargelectrique, lecoulomb,estdfnieparletruche-mentd uncoulementstandardtraversdesflsmtalliques, commeexpliqudansl Annexe B. Cest possible parce que toutes les expriences montrent que la charge estconserve, quelle scoule, quelle le fait de manire continue et quelle peut saccumu-ler. La charge se comporte donc comme une substance fuide. Ainsi, nous sommes obli-gs demployer une quantit scalaire q pour sa description, qui peut prendre une valeurpositive, nulle ou ngative.En pratique, la charge lectrique est mesure par le biais d lectromtres. Ouelques-uns de ces dispositifs sont prsents sur laFigure 7.Des expriences menes l aidede ces appareils confrment avant tout que les charges scoulent et saccumulent. Plusprcisment, toutes les expriences indiquent que les charges sont conserves. Autrementdit, si la charge lectrique d un systme physique change, la raison est toujours que dela charge scoule vers ou en dehors de ce systme. Cela peut tre facilement vrif avecdeux pots mtalliques relis deux lectromtres, comme indiqu sur la Figure 8. Rf. 6Les principales proprits exprimentales de la charge lectrique qui ont t dcou-vertes lors des exprimentations avec les lectromtres sont listes dans le Tableau 3. Cesproprits dcriventlecomportement desvaleursdelachargelectrique. Cependant,comme dans le cas de tous les concepts classiques prcdemment rencontrs, la majoritde ces rsultats exprimentaux concernant la charge lectrique se rvleront ntre quap-proximatifs. Des exprimentations plus prcises ncessiteront une rvision de plusieursproprits. Nanmoins, on remarque quaucun contre-exemple la conservation de lacharge na t observ jusqu maintenant.Un objet charg plac prs d un autre, neutre, le polarise. La polarisation lectriqueest la sparation entre les charges positives et ngatives dans un corps. Pour cette raison,mme les objets neutres, comme les cheveux, peuvent tre attirs vers un corps charg,comme un peigne. Gnralement, les isolants et les conducteurs peuvent tous les deuxLaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010:: :iiic1vici1ii1cunmvsFI GURE 7Divers lectromtres : un lectromtre artisanal bas sur un pot de conture, un ancienlectromtre Dolezalek (ouvert) de haute prcision, lesampoules deLorenzinidun requin, et unlectromtre numrique moderne. ( Harald Chmela, Klaus Jost- www.jostimages.com, Advantest)FI GURE 8Un dispositifsimplepour conrmer la conservationde la charge lectrique : si unchiffonfrott est dplac dupremier pot vers le second, lacharge prleve partir dupremier pot est transfre ausecond, comme lindiquent lesdeux lectromtres. ( WolfgangRueckner)tre polariss ;celase produitdepuisles toilestoutentiresjusquauxsimplesmol-LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii :,TABLEAU3Proprits de la charge lectrique classique : une densit scalaire.C un v o i s P v o v v i i 1 i Di s i o n1 i o Di i i i 1 i o i i i c 1 v i o U i s v u v s i o U i mn1 u i mn1 i o U iPeuvent tre distingues discernement lment d un ensemble Page 180Peuvent tre ordonnes succession ordre Page??Peuvent tre compares mesurabilit mtricit Page??Peuvent varier graduellement continuit compltude Page??Peuvent tre ajoutes accumulabilit additivit Page 64Peuvent tre spares sparabilit positive ou ngativeNe changent pas conservation invariance q = constTABLEAU4Valeurs de charge lectrique observes dans la nature.On s i vvn1 i o C un v o iPlus petite charge mesure non nulle I,6 I0I9CCharge par bit dans une mmoire dordinateur I0I3CCharge dans un petit condensateur I07CFlux de charge dans un fash d clair moyen I C I00CCharge stocke dans une batterie de voiture entirement charge 0,2MCCharge de la plante Terre I MCCharge spare par une usine lectrique moderne en un an 3 I0IICCharge totale de signe positif (ou ngatif) observe dans l Univers I0622CCharge totale observe dans l Univers 0Ccules.Lattraction est une forme dacclration. Des expriences montrent que l entit quiacclre descorps chargs, lechamplectrique, se comporte comme une petitefchefxe en chaque pointxde l espace ; sa longueur et sa directionne dpendent pas del observateur. En bref, le champ lectrique E(x) est un champ vectoriel. Les expriencesindiquent que la meilleure faon de le dfnir est la relationqE(x) = ma(x) (2)considre en chaque pointxde l espace. La dfnition du champ lectrique sappuiedonc sur la manire dont il dplace des charges. Le champ est mesur en multiples del unit N]C ou V]m. D 7 ePour dcrire totalement le mouvement engendr par l lectricit, nous avons besoind unerelationquiexplicitecommentdeschargesproduisent deschampslectriques.Cetterelationfuttablieavecprcision(maispaspourlapremirefois) parCharles- La dfnition du champ lectrique donne ici prsume-t-elle l existence d une vitesse pour la charge quisoit beaucoup moins grande que celle de la lumire : D 6 sLaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010:a :iiic1vici1ii1cunmvsTABLEAU5Quelques champs lectriques observs.On s i vvn1 i o C un mv i i i c 1 v i o U iChamp situ I m d un lectron dans le vide D 8 sValeurs de champs perus par les requins jusqu 0,I V]mBruit cosmique I0V]mChamp d un metteur radio FM de I00 W distant de I00 km 0,3 mV]mChamp l intrieur des conducteurs, comme les fls de cuivre 0,I V]mChamp situ juste en dessous d une ligne haute tension 0,I I V]mChamp d une antenneGSM situe 90 m 0,3 V]mChamp l intrieur d une maison standard I I0V]mChamp d une ampoule de I00 W une distance de I m 30V]mChamp terrestre dans l atmosphre de la Terre I00 300V]mChamp dans les nuages orageux jusqu plus de I00kV]mChamp lectrique maximal dans l air avant que des tincelles sur-gissentI 3 MV]mChamps lectriques dans les membranes biologiques I0MV]mChamps lectriques dans les condensateurs jusqu I GV]mChamps lectriques dans les impulsions laser ptawatt I0TV]mChamps lectriques dans les noyaux des ions U9I+I EV]mChamp lectrique utile maximaldans le vide, limit par la pro-duction de paires dlectronsI,3 EV]mChamp lectrique maximal possible dans la nature (champ lec-trique de Planck corrig)2,4 I06IV]mAugustin de Coulomb dans son domaine priv, au cours de la Rvolution franaise. Ildcouvrit quautour de toute chargeQde petite taille ou sphrique, au repos, il y a unchamp lectrique. A la position r, le champ lectrique E est donn parE(r) =I40Qr2rrouI40= 9,0GVm]C . (3)Par la suite, nous tendrons cette relation pour une charge en mouvement. La constantede proportionnalit trange, batie autour de lapermittivit duvide0, est due la ma-nire historique dont l unit de la charge fut initialement dfnie. L ide cruciale de laformule est la dcroissance du champ avec le carr de la distance. Pouvez-vous imaginerquelle est l origine de cette dpendance : D 9 s Charles-Augustin de Coulomb (n. Angoulme :,,o, d. Paris :8oo) tait un physicien et ingnieur fran-ais. Ses expriences mticuleuses sur les charges lectriques ont fourni des bases solides pour l tude del lectricit. Des dfnitions difrentes de celle-ci et dautres constantes de proportionnalit que l on rencontrera plustardsontpossibles, ellesconduisent dessystmesd unitsdifrents duSystmeinternational employici. Le SI est prsent en dtail dans l Annexe B. Parmi les concurrents plus anciens, le systme d unitsde Gauss souvent utilis dans les calculs thoriques, le systme d units de HeavisideLorentz, le systmeLaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii :,TABLEAU6Proprits du champ lectrique : un vecteur (polaire).L i s c un mv s P v o v v i i 1 i Di o mi n1 i o Di i i i 1 i o i i i c 1 v i o U i s v i U v i 1 v u v s i o U i mn1 u i mn1 i o U iAttirer des corps charges quiacclrentcouplage quation (3)Repousser des corps charges quiacclrentcouplage quation (3)Etre distingus discernement lment d un ensemble Page 180Varier graduellement continuum espace vectoriel rel Page 64, Page??Pointer quelque part direction espace vectoriel, nombrede dimensionsPage 64Etre compars mesurabilit mtricit Page??Etre ajouts additivit espace vectoriel Page 64Avoir des angles dfnis direction espace vectorieleuclidienPage 64Dpasser toute limite infni infnitude Page 181Changer de direction sous larfexionpolarisation vecteur de parit impaireConserver la direction sous lerenversement du tempsvecteur temps pairLes deux quations prcdentes nous permettent dcrire l interaction qui existe entredeux corps chargs, sous la formedpIdt=I40qIq2r2rr= dp2dt, (4)ou dpreprsente lavariationdelaquantitdemouvement, etrest levecteurreliantles deux centres de masse. Cette illustre expression qui dcrit l attraction et la rpulsionlectrostatique, galement due Coulomb, nest valable que pour des corps chargs quisont de petite taille ou sphriques, et par-dessus tout qui sont au repos.Les champs lectriques acclrent des charges. Par consquent, dans la vie courante,ils possdent deux proprits principales : ils contiennent de l nergie et ils peuvent po-lariser les corps. Le contenu en nergie est d l interaction lectrostatique entre lescharges. L intensit de cette interaction est considrable. Par exemple, elle est le fonde-ment delaforce quexercentnos muscles. Laforce musculaireest unefetmacrosco-pique de l quation 4. La duret matrielle de l acier ou du diamant en reprsente unautre exemple. Comme nous le dcouvrirons, tous les atomes se retiennent ensemble parl attraction lectrostatique. Pour vous convaincre de la forte intensit de l attraction lec-trostatique, rpondez la question suivante : quelle est la force qui sexerce entre deuxboites contenant un gramme de protons chacune, situes sur les deux poles terrestres : D 10 sEssayez de deviner le rsultat avant de calculer cette valeur surprenante.d units lectrostatiques et le systme d units lectromagntiques en sont les plus importants. Rf. 7LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010:o :iiic1vici1ii1cunmvsLa relation de Coulomb pour le champ rgnant autour d une charge peut tre refor-mule d une manire qui permette de la gnraliser aux corps non sphriques. Prenezune surface ferme, cest--dire une surface qui enveloppe un certain volume. Alors l in-tgrale du champ lectrique sur cette surface, le fux lectrique, est la charge enveloppeQ divise par 0 :surfacefermeeE dA =Q0. (3)Cette relation mathmatique, dnomme la loi de Gauss, dcoule du rsultat de Cou-lomb. (Dans la forme simplife donne ici, elle nest valide que pour des situations sta- D 11 stiques.) Puisqu l intrieurdes conducteurs le champ lectrique est nul, la loi deGauss implique,par exemple, que si une chargeqest encercle par une sphre mtal-liquenon charge,alors lasurface externe delasphre mtalliqueexhibe unechargeidentique q. D 12 eEn raison de l intensit des interactions lectromagntiques, il nest pas ais de dis-socier lescharges. Cest laraison pourlaquellelesefets lectriques nonttutilissdans un but pratique, de manire rpandue, que depuis une centaine dannes environ.Nous avons d patienter avant que des dispositifs utiles et exploitables soient inventspour sparer les charges et pour les mettre en mouvement. Bien videmment, cela re-quiert de l nergie. Les batteries, que l on trouve dans les tlphones portables, utilisentde l nergie chimique pour parvenir cette fn. Les lments thermolectriques, quel on rencontre dans certaines montres, tirent proft de la difrence de temprature entrele poignet et l air pour sparer les charges, les cellules solaires emploient la lumire, etles dynamos ou les gnrateurs de Kelvin utilisent l nergie cintique disponible.Les corps non chargs en attirent-ils dautres : En premire approximation, ils ne lefont pas. Mais lorsque nous examinons cette question plus attentivement, nous dcou-vrons qu ils peuvent en attirer dautres. Pouvez-vous trouver quelles sont les conditionsncessaires pour que cela puisse se produire : En fait, les conditions requises sont plutot D 14 sdterminantes, puisque notre propre chair, qui est constitue de molcules neutres, semaintient de cette manire.Ouest-ce alors que l lectricit : La rponse est simple : l lectricit ne dsigne rien departiculier. Cest le nom attribu un domaine de recherche, mais non celui d une quel-conque observation ou efet explicite. Llectricit ne dsigne ni le courant lectrique, niles charges lectriques, ni le champ lectrique. Llectricit nest pas un terme spcifque,elle sappliquel ensemble de ces phnomnes. En fait, ce problme de terminologiemasque une question plus profonde qui demeure sans rponse en ce dbut de vingt etunime sicle : quelle est la nature de la charge lectrique : Afn dtudier cette nigme,nous allons commencer avec la question qui suit.PoUvos-oUsuiciiivi iiv1iiuii iiic1vici1i :Si la charge lectrique est rellement quelque chose qui scoule dans les mtaux, nousdevrions tre capables dobserver les efets indiqus sur la Figure 9. Maxwell avait prditla plupart de ces efets : la charge lectrique devrait tomber, avoir une certaine inertie et A ce propos, les batteries sont-elles des sources mettant des charges : D 13 sLaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii :,Si la charge lectrique dans les mtauxse dplace comme un fluide, elle devrait :chuter dans un champ de gravittre sujette la force centrifugersister l'acclrationcouler lorsqu'elle estpompechercher s'carter juste aprs la fermeture d'un couranta a empcher descharges libresde chuter traversun mince tube creuxq FI GURE 9Consquences delcoulement de llectricit.tre sparable de la matire. En ralit, chacun de ces efets a t observ. Par exemple,lorsqu une longue tige mtallique est maintenue verticalement, nous pouvons mesurerune difrence de potentiel lectrique, une tension lectrique, entre le sommet et la base.Autrement dit, nous pouvons mesurer le poids de l lectricit de cette manire. De faonsimilaire, nous pouvons mesurer la difrence de potentiel entre les extrmits d une tigeen acclration. Dautre part, nous pouvons mesurer la difrence de potentiel qui existe Rf. 8entre le centre et la bordure d un disque mtallique en rotation. En fait, cest grace cette dernire exprience que le rapport q]m des courants dans les mtaux fut mesuravec prcision pour la premire fois. Le rsultat donneq]m = I,8 I0IIC]kg (6)pour tous les mtaux, aux petites variations prs dans le chifre aprs la virgule. En bref,le courant lectrique possde une masse. Par consquent, chaque fois que nous tablis-sons un courant lectrique, nous observons un recul du dispositif. Cet efet lmentairepeut facilement tre mesur et permet de confrmer le rapport charge sur masse que nous Rf. 9venons de citer. La production de courant dans l air ou dans le vide est galement obser- Maxwell ralisa galement des expriences pour dtecter ces efets (except le dernier, qu il navait pasprvu), mais ses appareils ntaient pas assez sensibles.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010:8 :iiic1vici1ii1cunmvsve ; en fait, chaque tube de tlviseur utilise ce principe pour crer le faisceau produisantl image sur l cran. Il fonctionne mieux pour des objets mtalliques ayant des extrmitspointues et amles. Les rayons crs de cette faon nous pourrions dire qu ils repr- Rf. 10sentent de l lectricit libre sont appels rayons cathodiques. A quelques pour centprs, ils dnotent un rapport charge sur masse identique l expression (6). Cette conci-dence montre donc que les charges se dplacent presque aussi librement dans les mtauxque dans l air : cest la raison pour laquelle les mtaux sont de si bons conducteurs.Si la charge lectrique chute l intrieur des tiges mtalliques verticales, nous pou-vons noncer la dduction stupfante que les rayons cathodiques comme nous le ver-rons plus tard, ils sont constitus dlectrons libres ne devraient pas tre capables dechuter travers un tube mtallique vertical. Cela est d la compensation exacte entrel acclration due au champ lectrique engendr par l lectricit dplace dans le tube etl acclration de la gravit. Donc les lectrons ne devraient pas pouvoir chuter traversun cylindre long et fn. Ce ne serait pas le cas si l lectricit dans les mtaux ne se com- D 15 eportait pas comme un fuide. En ralit, l exprience a t efectue, et une diminution Rf. 11de 90 de l acclration de la chute libre pour les lectrons a t constate. Pouvez-vousimaginer pourquoi la valeur idale de I00 nest pas constate : D 16 sSi le courant lectrique se comporte comme un liquide, nous devrions tre capables demesurer sa vitesse. Le premier l avoir fait, en I834, fut Charles Wheatstone. Dans uneexprience reste clbre, il utilisa un fl mtallique d un quart de mille de longueur (soitapproximativement 400 mtres), pour produire trois tincelles : une au point de dpart,une au milieu et une l extrmit fnale. Il installa alors un miroir mouvement rapidesur une montre mcanique. En notant la valeur laquelle les trois images dtincelles surun cran taient dcales l une par rapport aux autres, il dtermina que la vitesse valait0,43 Gm]s, bien que la marge derreur ft considrable. Des relevs ultrieurs plus prcisindiqurent que la vitesse est toujours infrieure 0,3 Gm]s, et quelle dpend du mtalutilis et de la technique d isolation du cable. La valeur leve de la vitesse convainquitde nombreuses personnes employer l lectricit pour transmettre des messages. Uneversion moderne de l exprience, pour les inconditionnels de l informatique, utilise lacommande ping tape partir d un systme dexploitationUNIX. Cette commande Rf. 12mesure le temps que met un signal d un ordinateur pour atteindre un autre ordinateuret revenir l expditeur.Si la longueur du cable reliant deux machines est connue, lavitesse du signal peut tre dduite. Essayez. D 17 eRemarque : la vitesse de l lectricit est trop lente pour de nombreuses personnes. Lesordinateurs modernes qui sont connects aux Bourses mondiales sont situs aussi prsque possible de la Bourse, parce que le gain de temps qu une distance de communica-tion courte fournit est substantiel pour obtenir de bonnes performances fnancires surcertains marchs dchange. Rf. 13 Le mot lectron est d George Stoney. Les lectrons sont les charges les plus petites et les plus lgresqui se dplacent dans les mtaux, ils reprsentent gnralement mais pas toujours les atomes dlectri-cit, par exemple dans les lments mtalliques. Leur charge est minuscule, 0,I6 aC, de telle sorte que les fuxde charge caractristiques de la vie quotidienne sont constitus dnormes quantits dlectrons. Par cons-quent, la charge lectrique se comporte comme un fuide continu. Cette particule elle-mme fut dcouverteet rvle en I897 par le physicien prussien Iohann Emil Wiechert (:8o::o:8) et de manire indpendante,trois mois plus tard, par le physicien anglais Ioseph Iohn Tomson (:8,o:oao).LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii :oTABLEAU7Quelques valeurs observes de courant lectrique.On s i vvn1 i o C o U v n 1Plus petit courant jamaismesur (pourun lectron en mouvement)3 aASignaux de nerfs humains 20ACourant mortel pour les tres humains aussi faibleque 20mA, typi-quement I00mACourant consomm par un moteur de train 600ACourant dans un clair I0 I00kACourant le plus lev produit par l homme 20MACourant l intrieur de la Terre autour de I00MATABLEAU8Quelques dtecteurs de courant lectrique.Mi s U v i Di 1 i c 1 i U v E 1 i u U iChute de tension due unersistancemultimtre 20 euros jusqu env. 3 AContraction muscles humains ressentie partirde 0,I mAEmission de fume muscles humains partir de I AVariation du rythme cur humain cesse 20 mAPlantesEn rsum, les expriences montrent que toutes les charges possdent une masse. Etcomme tout corps massif, elles se dplacent moins vite que la lumire.SUviviisiiii1suiscu.mvsiiic1vioUisPourquoi l lectricit est-elle dangereuse pour les hommes : La principale raison estque le corps humain est lui-mme control par des fls lectriques . Ainsi, l lectricitexterne interfre avec les signaux internes. Nous savons cela depuis I789. Cette anne-l, le mdecin italien Luigi Galvani (:,,,:,o8) dcouvrait que le courant lectrique faitcontracter les muscles d un animal mort. La toute premire exprience clbre utilisaitdes cuisses de grenouilles: quandde l lectricit tait applique, elles se convulsaientviolemment. Des recherches ultrieures confrmrent que tous les nerfs utilisent des si-gnaux lectriques. Les nerfs sont les cables de commande des animaux. Cependant,ils ne sont pas en mtal : les mtaux ne sont pas assez fexibles. Par consquent, les nerfsne conduisent pas l lectricit en utilisant des lectrons mais plutot des ions. Ces particu-larits ramnes furent claircies au vingtime sicle seulement. Les signaux nerveux sepropagent en utilisant le mouvement des ions sodium et potassium situs dans la mem-brane des cellules nerveuses. La vitesse du signal rsultant de ce mouvement est compriseentre 0,3 m]s et I20 m]s, en fonction du type de nerf. Cette vitesse est sumsante pour lasurvie de la plupart des espces le signal ordonne au corps de senfuir en cas de danger.Etant lectriquement commands, tous les mammifres peuvent ressentir les champsLaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010,o :iiic1vici1ii1cunmvslectriques puissants. Les tres humains peuvent ressentir des champs partir deI0 kV]m environ, valeur pour laquelle les cheveux se hrissent. Au contraire, plusieursanimauxpeuvent ressentir des champs lectriques et magntiques particulirementfaibles. Les requins, par exemple, peuvent dceler des champs aussi faibles que I V]men tirant proft dorganes sensitifs spcifques, les ampoules de Lorenzini, qui se trouventautour de leur gueule. Les requins les utilisent pour dtecter le champ engendr par leursproies se dplaant dans l eau, et peuvent ainsi les reprer mme dans l obscurit. Plu-sieurs poissons deau douce, lasalamandre et l ornithorynque, leclbre mammifresemi-aquatiquebecdecanard, peuventgalementressentirdeschampslectriques.Comme les requins, ils les utilisent pour reprer leurs proies dans une eau qui est tropboueuse pour y voir clair. Certains poissons, que l on appellepoissonslectriques, pro-duisent mme un faible champ afn damliorer la dtection des proies.Aucun animal terrestre ne possde de capteur particulier pour les champs lectriques,parce que tout champ lectrique arien est fortement amorti lorsqu il rencontre un corpsanimal empli deau. En ralit, l atmosphre qui nous entoure possde un champ lec-trique denviron I00 V]m; l intrieur du corps humain ce champ sattnue jusquauxchelles de quelques V]m, ce qui est trs infrieur aux champs lectriques internes desanimaux. En dautres termes, les hommes ne sont pas afubls de capteurs pour les faibleschamps lectriques parce qu ils sont des animaux terrestres. (Les hommes ont-ils l apti-tude ressentir des champs lectriques dans l eau : Il semble que personne ne le sache.) D 18 rNanmoins, il existe quelques exceptions. Sachez que certaines personnes ages peuventressentir l approche des orages, dans leurs articulations. Cela est d la concidence quiexiste entre la frquence du champ lectromagntique mis par les nuages lourdementchargs autour de I00 kHz et la frquence de rsonance des membranes des cellules Page 80nerveuses.Lecontenuaqueuxducorpshumainsignifegalement que, dans lanature, leschamps lectriques que nous rencontrons dans l air sont rarement dangereux pour lestres humains. Ds que des hommes ressentent des champs lectriques, comme lorsquedes tensions leves font hrisser les cheveux, la situation est potentiellement dangereuse.La forte impdance de l air signife galement que, dans le cas de champs lectroma-gntiques variables dans le temps, les hommes sont beaucoup plus enclins tre afectspar la composante magntique que par la composante lectrique.Aim.1sLtude du magntisme a progress travers le monde indpendamment de l tudede l lectricit. Vers la fn du douzime sicle, la boussole fut introduite en Europe. Cettepoque vit naitre des dbats houleux concernant le fait de savoir si elle indiquait le nordou le sud. En I269, l ingnieur militaire franais Pierre de Maricourt (:::o::o:) publiason travail surlesmatriauxmagntiques.Ilrelevaquechaqueaimantpossdedeux Rf. 14points deplusforte aimantation, qu ilappelalesples. Ilremarqua que, mme si unaimant est coup, les morceaux rsultants conservent toujours deux poles : l un pointevers le nordet l autre vers le sud lorsque la pierre est libre de tourner. Les aimants sont des Il a fallu attendre l an 2000 pour que la technologie nous permette d utiliser ce mme efet. De nos jours, lesdtecteurs des airbags dans les voitures utilisent souvent des champs lectriques pour dtecter si la personneassise sur le sige est un enfant ou un adulte, modifant ainsi la faon dont l airbag agit lors d un accident.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii ,:FI GURE 10La bactrie magntotactiqueMagnetobacteriumbavaricumavec sesmagntosomes. ( Marianne Hanzlik)dipoles. Les atomes sont soit dipolaires, soit non magntiss. Il nexiste aucun monopolemagntique. Malgr la promesse de renomme ternelle, aucun monopole magntiquena t dcouvert jusqu prsent, comme l indique le Tableau I. De mme que les polesse repoussent, et qu ils ne sattirent pas.Les aimants possdent une deuxime proprit : ils transforment les matriaux nonmagntiques en matriaux magntiques. Il existe donc galement une polarisation ma-gntique, analogue la polarisation lectrique. Contrairement l lectricit, certains ma-triaux magntiques conservent la polarisation magntique induite: ils deviennent ai-mants. Cela survient lorsque les atomes du matriau sont aligns par l aimant externe.LisuommisviUvi1-iisvissi1iviiscu.mvsm.ci1ioUis :Un imbcile peut poser lui seul plus dequestions que sept sages ensemble ne pourraienten rsoudre.AntiquitIl estnotoirequelesabeilles, lesrequins, lespigeons, lessaumons, lestruites, lestortues de mer et certaines bactries peuvent ressentir des champs magntiques. Nous Rf. 15parlons dans ce cas de la capacit de magntorception. Toutes ces formes de vie fontusage de cette aptitude pour la navigation. La mthode de dtection la plus communeconsiste tirer proft de minuscules particules magntiques situes l intrieur d unecellule. La cellule peroit alors comment ces petits aimants intgrs se disposent dans unchamp magntique. Ces aimants sont microscopiques, typiquement d une taille denvi-ron 30 nm. Ceux-ci sont utiliss pour naviguer le long du champ magntique de la Terre.Chez les animaux plus volus, les variations du champ magntique terrestre, de 20 70 T, dessinent un paysage analogue celui que les hommes peroivent avec leurs yeux.Ils peuvent le mmoriser et l utiliser pour la navigation.Les tres humains peuvent-ils percevoir les champs magntiques : Des matriaux ma-gntiques semblent tre prsents dans le cerveau humain, mais nous ne pouvons toujourspas dfnitivement rpondre cette question. Peut-tre pouvez-vous concevoir une m-thode permettant de le vrifer : D 19 rLe magntisme et l lectricit sont-ils relis : Franois Arago dcouvrit qu ils le sont. Dominique-Franois Arago (:,8o:8,,) tait un physicien franais.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010,: :iiic1vici1ii1cunmvsaimantfil mtalliquetransportantdu courantfil mtallique trans-portant du courantN SN SGnrateur d'rsted Gnrateur moderneFI GURE 11Une version ancienne, et uneautre plus rcente, dun moteur lectrique.pilefil mtalliqueaiguille deboussoleFI GURE 12Un courantlectrique engendre toujoursun champ magntique.Il avait observ qu un navire frapp par la foudre pendant un violent orage tait dansl obligation d utiliser une nouvelle boussole. Donc la foudre possde l aptitude de d-magntiser les boussoles. Arago savait, comme Franklin, que l clair est un phnomnelectrique. Autrement dit, l lectricit et le magntisme doivent tre relis. Plus exacte-ment, le magntisme doit tre associ l lectricit en mouvement.Commi1voUvos-oUscocivoivUciiv.1iUv :Le communisme, cest le pouvoir des sovietsplus l lectrifcation du pays tout entier.LnineLexplicationde cette clbre sentence deLnine atrait deuxdcouvertes. L unedentre elles fut ralise en I820 par le physicien danois Hans Christian rsted (:,,,:8,:) et l autre en I83I par le physicien anglais Michael Faraday. Les consquences deces expriences changrent radicalement la face du monde en moins d un sicle.Le 2I juillet I82I, rsted publia un feuillet, en latin, qui dchaina toute l Europe. Ilavait trouv (lors d une confrence faite ses tudiants) que, lorsqu un courant est en-voy travers un fl, un aimant situ proximit est mis en mouvement. Autrement dit,il avait dcouvert que la circulation du courant lectrique peut mettre des corps en mou-vement.Des expriences ultrieures dmontrrent que deux fls mtalliques dans lesquels lescharges scoulent sattirent ou se repoussent l un et l autre, selon que les courants sont Lnine (n. Simbirsk :8,o, d. Gorki :o:a), fondateur de l Union des rpubliques socialistes sovitiques, ftcette dclaration en I920 comme point dorgue de son plan de dveloppement pour le pays. En Russie, lesconseils ouvriers de l poque taient dnomms des soviets. Michael Faraday (n. Newington :,o:, d. Londres :8o,) fut lev dans une famille modeste, sans recevoirdducation, et fut profondment imprgn d ides religieuses. A l adolescence, il devint assistant du plusclbre chimiste de son temps, Humphry Davy (:,,8:8:o). Il navait aucuneformation mathmatique, maisplus tard au cours de sa vie il devint membre de la Royal Society. Il dclina sans prtention durant sa vie tousles autres honneurs. Il travailla sur des sujets de chimie, sur la structure atomique de la matire et, par-dessustout, il dveloppa l ide des champs (magntiques) et des lignes du champ. Il utilisait les champs pour dcrireses nombreuses dcouvertes exprimentales concernant l lectromagntisme, tel l efet Faraday. Les champsfurent ensuite dcrits mathmatiquement par Maxwell, qui tait cette poque la seule personne en Europe saisir l importance du concept de champ de Faraday.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii ,,FI GURE 13Le courant fait tourner une tige mtallique.parallles ou antiparallles. Ces expriences ainsi que dautres rvlent que les fls danslesquels l lectricit circule se comportent comme des aimants. En dautres termes, rs-ted avait mis la main sur la pice conviction dcisive qui prouvait que l lectricit pou-vait tre transforme en magntisme.Peu de temps aprs, Ampre dcouvrit que les bobines mtalliques accroissent consi-drablement ces efets. Les bobines agissent comme des petits aimants. En particulier,celles-ci, comme les champs magntiques, possdent toujours deux poles, gnralementdnomms le pole nord et le pole sud. Des poles opposs sattirent, des poles identiquesse repoussent. Comme nous le savons tous, la Terre est elle-mme un norme aimantdont le pole Nord magntique est situ prs de son pole Sud gographique, et vice versa.(Le champ magntique de la Terre nest pas engendr par un aimant permanent solidequi serait situ l intrieur de celle-ci. Le cur solide de la Terre est trop chaud pourtre un aimant permanent ; au lieu de cela, ce champ magntique est d aux courants deconvection qui se produisent dans le noyau externe, liquide.)Une charge lectrique mobile engendre des champs magntiques. Ce rsultat expliquepourquoi les champs magntiques ont toujours deux poles. L inexistence des monopolesmagntiques devient alors vidente. Mais une interrogation intrigante demeure : si leschamps magntiques sont dus au mouvement des charges, cela devrait galement tre lecas pour un aimant ordinaire. Cela peut-il tre dmontr :En I9I3, deux hommes aux Pays-Bas mirent au jour un procd lmentaire pour d-montrer que, mme dans un aimant, quelque chose est en mouvement. Ils suspendirentune tige mtallique avec un mince fl accroch au plafond et placrent alors une bobinetout autour de la tige, comme indiqu sur la Figure I3. Ils prvoyaient que les courants En ralit, si nous imaginons que de minuscules courants se dplacent en formant des cercles l intrieurdesaimants, nous obtenons une descriptionunifepourtous les champs magntiques observs danslanature. Andr-Marie Ampre (n. Lyon :,,,, d. Marseille :8,o) tait un physicien et mathmaticien franais. Au-todidacte, il aurait lu la clbre Encyclopdie ds son enfance. Dans une vie emplie de tragdies personnelles,il dambula entre les mathmatiques, la chimie et la physique, travailla comme professeur de lyce, sans rienpublier de signifcatif avant I820. La dcouverte d rsted se rpandit alors dans toute l Europe : le courantlectrique peut faire dvier les aiguilles magntiques. Ampre travailla pendant des annes sur ce problmeet publia en I826 les rsultats de ses recherches, ce qui conduisit Maxwell le surnommer le Newton del lectricit . Ampre identifa et dveloppa plusieurs domaines de l lectrodynamique. En I832, son tech-nicien et lui construisirent galement la premire dynamo, ou gnrateur rotatif de courant lectrique. Bienvidemment, l unit du courant lectrique est nomme en son honneur.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010,a :iiic1vici1ii1cunmvsaimantmatriaudiamagntiqueaimantmatriauparamagntiqueFI GURE 14Les deuxvariantes lmentaires decomportement des matriauxmagntiques (dans un champnon homogne) : lediamagntisme et leparamagntisme.infmes situs l intrieur de la tige seraient aligns par le champ magntique de la bo-bine. Par consquent, ils sattendaient ce qu un courant traversant la bobine fit tournerla tige sur elle-mme. Et en efet, lorsqu ils envoyrent un courant puissant dans la spi-rale, la tige tourna. (A cause du courant, la tige tait aimante.) Aujourd hui, cet efet Rf. 16est appel eet Einsteinde Haas daprs les deux physiciens qui l imaginrent, le quan-tifrent et l expliqurent. Cet efet montre donc que, mme dans le cas d un aimantpermanent, le champ magntique est engendr par le mouvement interne des charges.Lamplitude de cet efet indique galement que les particules en mouvement sont deslectrons. (Douze ans plus tard, il devint vident que le moment cintique des lectrons,responsable de cet efet, est un amalgame du moment cintique de spin et du momentcintique orbital, en fait le spin de l lectron joue un role primordial dans celui-ci.)Puisque le magntisme est d l alignement des mouvements microscopiques de ro-tation, on peut conjecturer l existence d un efet encore plus surprenant. Le simple faitde faire tourner un matriau ferromagntique devrait l aimanter, parce que les minus-cules courants rotatifs seraient alors aligns avec l axe de rotation. Cet efet a vraiment Rf. 17t observ : il est dnomm eet Barnett, daprs le nomde son dcouvreur. Comme l ef-fet Einsteinde Haas, l efet Barnett peut aussi tre employ pour dterminer le rapportgyromagntique de l lectron. Il dmontre ainsi galement que les spins des lectrons Page??jouent (gnralement) un role plus important dans le magntisme que leurs momentscintiques orbitaux.Cu.mvsm.ci1ioUisLes expriences indiquent que le champ magntique possde toujours une directionfxedansl espace,etunegrandeurcommunepourtouslesobservateurs(aurepos),quelle que soit leur orientation. Nous sommes tents de dcrire le champ magntique parun vecteur. Cependant, ce serait incorrect puisqu un champ magntique ne se comportepas comme une fche lorsqu il est dispos devant un miroir. Imaginez qu un systme Wander Iohannes de Haas (:8,8:ooo) tait un physicien hollandais. De Haas est mieux connu pour deuxefetsmagntolectriques supplmentairesquiprirentsonnom, l efetShubnikovdeHaas(laforteaug-mentation de la rsistance magntique du bismuth basse temprature et dans des champs magntiquespuissants) et l efet de HaasVan Alphen (la susceptibilit diamagntique du bismuth basse tempratureest une fonction priodique du champ magntique). Un matriau ferromagntique est un type particulier de matriau paramagntique qui possde une aiman-tation permanente.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii ,,TABLEAU9Proprits du champ magntique : un vecteur axial.L i s c un mv s P v o v v i i 1 i Di o mi n1 i o Di i i i 1 i o mn o i 1 i o U i s v i U v i 1v u v s i o U i mn1 u i mn1 i o U iAttirer les courants dviation dechargescouplage quation (8)Repousser les courants dviation dechargescouplage quation (8)Etre distingus discernement lment d un ensemble Page 180Varier graduellement continuum espace vectoriel rel Page 64, Page??Pointer quelque part direction espace vectoriel, nombrede dimensionsPage 64Etre compars mesurabilit mtricit Page??Etre ajouts additivit espace vectoriel Page 64Avoir des angles dfnis direction espace vectorieleuclidienPage 64Dpasser toute limite infni infnitude Page 181Conserver la direction sous larfexionaxialit vecteur de parit paire,pseudovecteurChanger de direction sous lerenversement du tempsaxialit vecteur non appari enfonction du tempsproduise un champ magntique orient vers la droite. Vous pouvez considrer n importequel systme : une bobine, une machine, etc. Maintenant, construisez ou imaginez undeuxime systme qui soit l image exacte dans un miroir du premier : une bobine miroir,une machine miroir, etc. Le champ magntique engendr par le systme miroir nest pasorient vers la gauche, comme vous l attendiez probablement : ilpointe toujours versla droite. (Vrifez-le.) En termes simples, les champs magntiques ne se conduisent pas D 20 ecomme les fches.Autrement dit, il nest pas parfaitement correct de dcrire un champ magntique parun vecteur B = (Bx, By, Bz), car les vecteurs agissent comme des fches. Nous parlonsdans ce cas de pseudovecteur : le moment cintique et le couple reprsentent galementdes exemples de ces quantits. La mthode rigoureuse consiste dcrire le champ ma-gntique par la quantitB = 0 BzByBz0 BxByBx0, (7)que nous appelons un tenseur antisymtrique. En rsum, les champs magntiques sontdfnis par l acclration qu ils communiquent des charges en mouvement. Il apparait La quantit B ntait pas appele champ magntique jusqu rcemment. Nous suivons ici la dfnitionmoderne, logique, qui remplace la traditionnelle, dans laquelle B tait appel densit du fux magntique ou induction magntique et une autre quantit, H, tait dnomme de manire incorrecte, mais durantplus d un sicle le champ magntique. Cette quantitHnapparaitra pas au cours de cette promenade,mais elle a un role prpondrant dans la description du magntisme des matriaux.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010,o :iiic1vici1ii1cunmvsTABLEAU10Quelques dtecteurs du champ magntique.Mi s U v i Di 1 i c 1 i U v E 1 i u U iTension sonde de Hall jusqu env. ... TStimulation de la croissanceosseusepizolectricit des os partir de ...Force lectromotrice induite(tension)nerfs partir de 3 T:Sensations dans le thorax etles paulesnerfs gradients fortement variablesPlantesque cette acclration vrifea =emvB =emv B (8)une relation que nous appelons souvent acclration de Lorentz, du nom de l importantphysicien hollandais Hendrik Antoon Lorentz (n. Arnhem :8,,, d. Haarlem :o:8) qui laformula clairement pour la premire fois. (Cette relation est galement appele acclra-tion de Laplace.) L unit du champ magntique est dnomme tesla et est note T. Nousavons les galits I T = I Ns]Cm = I Vs]m2= I Vs2]Am.Lacclration de Lorentz est l efet qui est la base du fonctionnement de tout moteurlectrique. Un moteur lectrique est un appareil qui tire proft d un champ magntique leplus emcacement possible pour acclrer des charges circulant dans un fl mtallique. Parle biais du mouvement des charges, le fl est alors galement dplac. Llectricit est ainsitransforme en magntisme et ensuite en mouvement. Le premier moteur oprationnela t construit en I834.Commedanslecasdel lectricit, nousavonsbesoindesavoircommentlapuis-sance d un champ magntique est dtermine. Des expriences telles que celle d rs-ted montrent que le champ magntique est engendr par des charges en mouvement, etqu une charge qui se dplace avec une vitesse v produit un champ B donn parB(r) =04 qv rr3ou04 = I07N]A2. (9)Cest ce que nous appelons le thorme dAmpre. Anouveau, l trange facteur 0]4est d la manire historique dont les units lectriques ont t dfnies. La constante 0,qui est appele la permabilit du vide, est dfnie par la fraction du nombre de newtonspar ampre au carr cite dans la formule. Il est facile de voir que le champ magntiquepossde une intensit donne parvE]c2, ouEest le champ lectrique mesur par unobservateur se dplaant avec la charge. Cest le premier indice qui rvle que le magn- D 22 etisme est un efet relativiste. La dfnition du champ magntique donne ici suppose-t-elle que la vitesse d une charge soit beaucoupplus petite que celle de la lumire : D 21 sLaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii ,,Nous remarquons que l quation (9) nest valide que pour des vitesses et des accl-rations faibles. Pouvez-vous dcouvrir la formule gnrale : D 23 sEn I83I, Michael Faraday dvoila une pice supplmentaire du puzzle, une pice quiavait mme chapp au grand Ampre. Il dcouvrit qu un aimanten mouvement pou-vait engendrer l apparition d un courant dans un circuit lectrique. Le magntisme peutdonc tre transform en lectricit. Cette dcouverte cruciale a permis la production decourant lectrique par des gnrateurs, les dynamos, en utilisant la puissance mcaniquede l eau, du vent ou de la vapeur. En ralit, la premire dynamo fut construite en I832par Ampre et son technicien. Les dynamos sonnrent l avnement de l utilisation del lectricit travers le monde. Ouelque part, derrire chaque prise de courant lectrique,il y a une dynamo.Des expriences supplmentaires montrent que les champs magntiques aboutissentaussi des champs lectriques lorsque nous nous plaons dans un rfrentiel en mou-vement. Vous devriez pouvoir le vrifer sur tous les exemples cits dans les Figures II 26. Le magntisme est en ralit de l lectricit relativiste. Les champs lectrique et ma-gntiquesont partiellementtransforms l unen l autrelorsque nous basculons d unrfrentiel inertiel l autre.Ceux-ci se comportent donc comme l espace et le temps,qui sont galement mlangs lorsque nous passons d un rfrentiel inertiel l autre. Lathorie de la relativit restreinte nous enseigne ainsi qu il doit y avoir une entit unique,un champ lectromagntique, qui les dcrit tous les deux. En examinant cela plus en d-tail, nous remarquons que le champ lectromagntiqueFentourant des corps chargsdoit tre dcrit par un quadri-tenseur antisymtriqueF=0 Ex]c Ey]c Ez]cEx]c 0 BzByEy]c Bz0 BxEz]c ByBx0ou F =0 Ex]c Ey]c Ez]cEx]c 0 BzByEy]c Bz0 BxEz]c ByBx0.(I0)Sans aucun doute, le champ lectromagntique F, et donc chaque composante de ces ma-trices, dpend de l espace et du temps. Les matrices montrent que l lectricit et le ma-gntisme sont deux visages du mme efet. De surcroit, puisque les champs lectriquesnapparaissent que dans la ligne du haut et dans la colonne la plus gauche, ces expres-sions indiquent que dans la vie quotidienne, pour des vitesses faibles, l lectricit et lemagntisme peuvent tre spars. (Pourquoi :) D 24 sL infuence globale des champs lectrique et magntique sur des charges fxes ou enmouvement est alors donne par l expression suivante pour la relation relativiste force En ralit, la formule du champ contient presque partout l expression Io0 au lieu de la vitesse de lalumire c. Nous expliciterons les raisons de cette substitution bientot.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010,8 :iiic1vici1ii1cunmvsacclration K = mb :mb = qFu oumdud= qFuoumddcvxvyvz= q0 Ex]c Ey]c Ez]cEx]c 0 BzByEy]c Bz0 BxEz]c ByBx0cvxvyvzouW = qEv et dp]dt = q(E + v B) , (II)qui rvle comment le travail Wet la tri-force dp]dt dpendent des champs lectriqueet magntique. Ces quatre expressions dcrivent la mme chose ; la simplicit de la pre-mireexpliquepourquoilesmatrices(I0)duchamplectromagntiquesontcompli-ques. En fait, la relation de Lorentz (II) tendue reprsente la dnition du champ lec-tromagntique, puisque ce champ est dfni comme tant cette tofe qui acclre lescharges. En particulier, tous les dispositifs qui mettent des charges en mouvement, telsque les batteries et les dynamos, ainsi que tous les dispositifs qui sont mis en mouvementpar des fux de charges, tels que les moteurs lectriques et les muscles, sont dcrits parcette relation. Cest la raison pour laquelle celle-ci est gnralement tudie prcocement,sous sa forme simple, ds le lyce. La relation de Lorentz dcrit tous les cas dans lesquelsle mouvement des objets peut tre peru l il nu ou tre ressenti par nos facults sen-sorielles, comme le va-et-vient d un moteur lectrique dans un train grande vitesse,dans un ascenseur ou dans une fraise dentaire, le mouvement de l image gnre par lefaisceau dlectrons dans un tube de tlviseur, ou le voyage d un signal lectrique dansun cable et dans les nerfs du corps humain. Rf. 18, Rf. 19En rsum, nous remarquons que l interaction qui a lieu entre les charges peut tredcrite en deux phrases : primo, les charges sont afectes par les champs lectriques etmagntiques, secundo, les charges produisent des champs lectriques et magntiques.Cu.mvsiiic1vom.ci1ioUisi1L.cv.ciisDansl expressiondel acclrationdeLorentz(II),quandl indiced unevariableapparait deux fois dans un terme, on sous-entend la sommation sur toutes les valeursque peut prendre cet indice. Le tenseurFdu champ lectromagntique est un quadri-tenseur antisymtrique. (Pouvez-vous dvelopper la relation qui existe entre F, F etF :) Comme n importe quel tenseur de ce type, il possde deux invariants, cest--dire D 25 pedeux proprits dduites qui demeurent identiques pour chaque observateur : l expres-sion B2E2]c2=I2tr F2et le produit 4EB =c tr FF. (Pouvez-vous confrmer cela, enutilisant la dfnition de la trace comme tant la somme des lments diagonaux :) D 26 sLa premire expression invariante, B2E2]c2=I2tr F2, se rvle tre proportionnelleau lagrangien du champ lectromagntique. Cest un scalaire et il implique que si E estsoit plus grand, soit plus petit, soit gal cB pour un observateur, il l est galement pourtous les autres observateurs. Ce lagrangien peut tre utilis pour dfnir l action, laquelle Cest ce que l on appelle la convention d Einstein . [N. u. T. ]LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010iiic1vici1iiioUiui, cunmvsivisiniis i1vi1issimnximnii ,opeut tre employe pour dcrire le mouvement du champ lectromagntique en tirantproft du principe de moindre action. Vous pouvez vrifer vous-mme que ce lagrangienpermet efectivementdedcrirelechangementprovoquparl volutiondeschampslectromagntiques. Cette approche constitue une autre manire de dduire les quations D 27 ede Maxwell du champ de l lectromagntisme.Le deuxime invariant du tenseur du champ lectromagntique, 4EB =c tr FF, estun pseudoscalaire. Il dtermine si l angle entre le champ lectrique et le champ magn-tique est aigu ou obtus pour tous les observateurs.Lapplication des efets lectromagntiques la vie de tous les jours a permis de nousouvrir un monde que nous ne connaissions pas auparavant. La lumire lectrique, lesmoteurs lectriques, la radio, le tlphone, les rayons X, la tlvision, et les ordinateursont radicalement boulevers la socit humaine en moins d un sicle. Par exemple, l ins-tallation de l clairage lectrique dans les rues des grandes villes a pratiquement radiqules attaques nocturnes qui taient auparavant si courantes. Tous les appareils lectriquesexploitent le fait que les charges peuvent circuler dans les mtaux et, en particulier, quel nergie lectromagntique peut tre transforme :en nergie mcanique comme dans les haut-parleurs, les moteurs, les cristaux pizo-lectriques ;en lumire comme dans les ampoules et les lasers ;en chaleur comme dans les fours, les couvertures lectriques et les thires ;en rsultantes chimiques comme dans l hydrolyse, la charge des batteries et l lec-trolyse ;en froid comme dans les rfrigrateurs et les lments Peltier ;en signaux de rayonnement comme dans la radio et la tlvision ;en information stocke comme dans les mmoires magntiques et dans les ordina-teurs.Commi1iisciiv.1iUvsuimo1vi1oUii.vii.1ivi1iis1iUs1iLa seule opration mathmatique que j aiefectue au cours de ma vie fut de tourner lamanivelle d un calculateur.Michael FaradayIlyaenralituntroisimeinvariantdeLorentz, beaucoup moinsconnu. Ilestspcifqueauchamplectromagntique et cest une combinaison du champ et de son potentiel vecteur :3 =I2A AF F 2A FF A= (AE)2+ (AB)2 A E2 A B2+ 4c (AE B) (c )2(E2+ B2) . (I2)Cette expression est un invariant (mais pas une jauge) de Lorentz ; le fait de savoir cela permet dclaircirdes problmes obscurs tels que l inexistence dondes pour lesquelles les champs lectrique et magntique Rf. 20sont parallles. En ralit, pour des ondes monochromatiques planes, les trois invariants sannulent dans lajauge de Lorentz. Les quantits J, J Aet Asont galement des invariants de Lorentz. (Pourquoi :) La D 28 sdernire, l indpendance par rapport au rfrentiel de la divergence du quadri-potentiel, refte l invariancepar rapport au choix de la jauge. La jauge dans laquelle l expression est fxe zro est appele la jauge deLorentz.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010ao :iiic1vici1ii1cunmvsvvdtiges chargesFI GURE 15Laspect relativiste du magntisme.Tousles moteurs lectriques sont fonds sur lefaitquelescourants lectriques in-teragissent avec les champs magntiques. Lexemple le plus lmentaire est l attractionque subissent deux fls transportant des courants parallles. Cette observation seule, faiteen I820 par Ampre, est sumsante pour montrer qu un mouvement plus grand qu unecertaine vitesse maximale est impossible atteindre. Rf. 21Cette argumentation est admirablement simpliste. Modifons l exprience originaleet imaginons deux longues tiges lectriquement charges, de masse m, se dplaant dansla mme direction avec une vitesse v, et situes une distancedl une de l autre. Unobservateur avanant avec les tiges observerait une rpulsion lectrostatique entre celles-ci donne par D 29 emae =I4022d(I3)ou reprsente la charge des tiges par unit de longueur. Un deuxime observateur au re-pos verrait deux efets : la rpulsion lectrostatique et l attraction dcouverte par Ampre.Celui-ci remarque par consquent que D 30 emaem =I4022d+022v2d. (I4)Cette expression doit rester cohrente avec l observation du premier voyageur. Cest lecas uniquement si les deux observateurs notent la prsence de rpulsions. Il est facile devrifer que le deuxime observateur constate, comme le premier, qu il y a une rpulsionsi et seulement siv2 30 Mm champs quasi statiques champsintergalactique,galactique, stellaireet plantaire,cerveau, poissonlectriquetransmission del lectricit,acclration etdviation des rayonscosmiquesondes radio appareilslectroniquesI0 Hz30 kHz30 Mm6 kmELF fait le tour duglobe, pntredans l eau et lemtalcellules nerveuses,dispositifslectromcaniquestransmissionlectrique,communication travers des paroismtalliques,communication avecdes sous-marinswww.vlf.it30 300 kHz6 km0,6 kmLF suit la courburede la Terre,ressenti par lesnerfs (les nerfsannonciateurs dumauvais temps )mis par les orages communicationsradio, tlgraphie,chaufage parinduction300 I 300 kHz600 m200 mMF rfchi par le cielnocturneradio Iohn Kerr (:8:a:oo,) fut un physicien cossais, ami et collaborateur de William Tomson.LaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai2010oU is1-cioUiiniUmiivi 8:F v i -o U i c iL o o .u o u iNo m P v i c i -vn i i sv v o v v i i 1 i sAv vn v i 1 i o U1 i i i s n1 i o I,3 30 MHz200 mI0 mHF fait le tour dumonde s il y arfexion parl ionosphre,dtruit lesdirigeables airchaudmis par les toiles transmissions radio,radioamateurs,espionnageI3 I30 MHz20 m2 m VHF permet lefonctionnementdmetteurs avecdes pilesmis par Iupiter tlcommandes,rseaux privs, TV,radioamateurs,pilotage radio, arme,police, taxiI30 I 300 MHz2 m0,2 m UHF idem,propagation de laligne de visionradios,talkies-walkies, TV,tlphones portables,Internet par cable,communicationssatellite, indicateursde vitesse de vlomicro-ondesI,3 I3 GHz20 cm2 cmSHF idem, absorb parl eauciel nocturne, mispar les atomesd hydrogneastronomie radio,utilis en cuisine(2,43 GHz),tlcommunications,radarsI3 I30 GHz20 mm2 mmEHF idem, absorb parl eauinfra-rougepermet la visionnocturnemis par chaqueobjet chaudphotographie satellitede la Terre,astronomie0,3 I00 THzI 000 3 mIRC ouinfra-rougelointainlumire du jour,tres vivantsvoir travers lesvtements, lesenveloppes et lesdentsI00 2I0 THz3 mI,4 mIRB ou in-frarougemoyenlumire du jour utilis pour lescommunications parfbre optique pour latlphonie et la tlnumrique par cable2I0 384 THzI 400780 nmIRA ouinfra-rougeprochepntre surplusieurscentimtres dansla peau humainelumire du jour,rayonnement descorps chaudsgurison desblessures,rhumatisme,kinsithrapie dusport, rtroclairageLaMontagneMouvementLAventuredelaPhysiqueTraduitdelanglaisparBenotClnetdisponiblegratuitementsurwww.motionmountain.netCopyrightChristophSchillerNovembre1997Mai20108: :oU is1-cioUiiniUmiivi F v i -o U i c iL o o .u o u iNo m P v i c i -vn i i sv v o v v i i 1 i sAv vn v i 1 i o U1 i i i s n1 i o 373 730 THz800400 nmlumire pas (trop)absorb par l air,dcel par l il(jusqu 900nm une puissancesumsante)chaleur ( lumirechaude ), lasers &ractionschimiques,p. ex. oxydation duphosphore, lucioles( lumire froide )dfnition de la lignedroite, amliorationde la photosynthseen agriculture,thrapiephotodynamique,traitement del hyperbilirubinmie384 484 THz780620 nmrouge pntre dans lachairsang signal dalarme,utilis pourl imagerie du seinRf. 46700nm rouge primaire de laboratoire lampe au tungstnefltrcouleur de rfrencepour l impression, lapeinture, l clairageet les amchages484 3II THz620387 nmorang divers fruits attire les oiseaux etles insectes3II 323 THz38737I nmjaune la plupart des feurs idem, meilleurecouleurdarrire-plan pourla lecture d un texteen noir323 6I4 THz37I488 nmvert sensibilitmaximale del ilalgues et plantes rponse maximale del emcacit lumineuse( sensation deluminosit ) parunit dnergielumineuse pour l ilhumain346,I nm vert primaire de laboratoire lampe mercure couleur de rfrence6I4 692 THz488433 nmbleu ciel, gemmes, eau433,8 nm bleu prima