Force de Lorentz

Force de Lorentz
Le cercle décrit par le champ magnétique dans un moteur triphasé.

La force de Lorentz, ou force électromagnétique, est la force que va subir une particule chargée dans un champ électromagnétique (électrique ou magnétique).

C'est la principale manifestation de l'interaction électromagnétique. La force de Lorentz, appliquée dans diverses situations, induit l'ensemble des interactions électriques et magnétiques observées ; elle est de ce fait principalement étudiée en physique et en chimie.

Les effets quantiques affectant la force électromagnétique sont étudiés dans le cadre de l'électrodynamique quantique.

Sommaire

Description mathématique

Champ magnétique dans une bobine.

Le champ électromagnétique exerce la force suivante sur des particules possédant une charge électrique q non nulle

\boldsymbol{F} = q \boldsymbol{E} + q \boldsymbol{v} \wedge \boldsymbol{B} .

E et B sont respectivement le champ électrique et le champ magnétique pris au point où se trouve la particule. v représente la vitesse de la particule dans un référentiel.

Dans le cas ou la charge électrique est immobile à une certaine position nommée r', sa vitesse est donc nulle, et elle n'est pas soumise à un quelconque champ magnétique : le produit vectoriel \boldsymbol{v} \wedge \boldsymbol{B}. s'annule, et la charge est alors soumise à une force qui ne dépend que du champ electrique \boldsymbol{E}.

\boldsymbol{F} = q \boldsymbol{E}.

Action de la force de Lorentz dans le cas d'un champ électrique nul.

Le champ électrique s'exerçant en r est alors donné par la loi de Coulomb :

\boldsymbol E = \frac{q}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{\boldsymbol r - \boldsymbol r'}{|\boldsymbol r - \boldsymbol r'|^3},

εo est une constante universelle appelée la permittivité du vide (à remplacer par la permittivité du milieu, lorsqu'on n'est pas dans le vide).


Le calcul de la force ne se fait que lorsque l'on connaît la valeur des champs E et B, qui sont principalement déterminés par la distribution de l'ensemble des particules chargées intervenant dans la configuration étudiée.

Démonstration de la formule de la force de Lorentz

Historiquement, la force de Lorentz était une donnée indépendante de l'équation décrivant le champ électromagnétique. Elle a été introduite dans la relativité et il est possible de la retrouver. Ceci ne constitue donc pas une vraie démonstration, la formule de lorentz reste aujourd'hui toujours empirique. La démonstration de la cohérence interne de la définition de la force de Lorentz se fait sans trop de difficulté dans le cadre du formalisme du lagrangien, appliqué à la relativité restreinte. Dans ce cadre-là, le mouvement d'une particule suivant la trajectoire xb(τ) soumise au champ électromagnétique est décrit par son action, qui prend la forme

S = \int q A_b \; {\rm d} x^b,

où la quantité Ai est ce que l'on appelle le quadripotentiel, duquel on tire le potentiel électrique et le potentiel vecteur qui déterminent entièrement le champ électrique et le champ magnétique.

On définit comme de coutume en relativité restreinte la quadrivitesse par

u^a \equiv \frac{\rm d x^a}{\rm d \tau}\quad,

ce qui permet de réécrire l'action sous la forme

S = \int q A_b u^b \; {\rm d} \tau.

Dans le formalisme de l'action (qui est l'intégrale du lagrangien), la trajectoire est déterminée par la maximisation de l'action par rapport aux variations possibles de la trajectoire xb(τ). La trajectoire apparaît explicitement dans le quadrivecteur vitesse, mais aussi implicitement dans le quadripotentiel, puisque l'on évalue celui-ci en chaque point de la trajectoire. Ainsi, la variation de l'action donne-t-elle

\delta S = \int q \left(A_b \frac{{\rm d} \delta x^b}{{\rm d} \tau} + \delta x^a \partial_a A_b u^b \right)\; {\rm d} \tau.

On peut intégrer le premier terme par partie, pour obtenir

\delta S = \int q \left(- \frac{{\rm d}A_b}{{\rm d} \tau} \delta x^b + \delta x^a \partial_a A_b u^b \right)\; {\rm d} \tau,

mais comme le quadripotentiel dépend est uniquement évalué sur des points de la trajectoires, on a

\delta S = \int q \left(- u^a \partial_a A_b \delta x^b + \delta x^a \partial_a A_b u^b \right)\; {\rm d} \tau.

En regroupant l'ensemble des termes, il vient

\delta S = \int q \left((\partial_a A_b - \partial_b A_a) u^b \right)\; \delta x^a\; {\rm d} \tau.

Le terme de l'intégrale en dehors du dτ et des δxa donne la force. En introduisant le tenseur électromagnétique Fab tel que

F_{ab} = \partial_a A_b - \partial_b A_a,

la force fa s'écrit donc

f^a = q F^a_{\;\;b} u^b.

Du fait de la structure des équations de Maxwell, on montre que le champ magnétique peut être écrit sous la forme du rotationnel d'un vecteur, le potentiel vecteur du champ magnétique. Or la partie spatiale du tenseur électromagnétique peut s'écrire, si l'on se place en coordonnées cartésiennes x, y, z,

F^a_{\;\;b} = \left(\begin{array}{cccc}0 & ? & ? & ? \\ ? & 0 & \partial_x A^y - \partial_y A^x & \partial_x A^z - \partial_z A^x \\ ? & \partial_y A^x - \partial_x A^y & 0 & \partial_y A^z - \partial_z A^y \\ ? & \partial_z A^x - \partial_x A^z & \partial_z A^y - \partial_y A^z & 0 \end{array} \right) = \left(\begin{array}{cccc}0 & ? & ? & ? \\ ? & 0 & ({\rm rot}\; A)^z & -({\rm rot} \;A)^y \\ ? & -({\rm rot}\; A)^z & 0 & ({\rm rot}\; A)^x \\ ? & ({\rm rot}\; A)^y & -({\rm rot} \;A)^x & 0 \end{array} \right).

Appliqué à la partie spatiale de la quadrivitesse, on vérifie, en notant B le rotationnel de A, que l'on a

F^a_{\;\;b} u^b = \left(\begin{array}{c} ? \\ v^y B^z - v^z B^y \\ v^z B^x - v^x B^z \\ v^x B^y - v^y B_x \end{array}\right) + ... = \left(\begin{array}{c} ? \\ \\ \boldsymbol v \wedge \boldsymbol B \\ ~ \end{array} \right).

Si maintenant on considère en sus les composantes temporelles du tenseur F, on a

F^a_{\;\;b} = \left(\begin{array}{cccc}0 & & -\frac{1}{c^2} \partial_t \boldsymbol A - \boldsymbol \nabla A^t & \\ & 0 & B^z & - B^y \\ - \boldsymbol \nabla A_t - \partial_t \boldsymbol A & - B^z & 0 & B^x \\ & B^y & - B^x & 0\end{array} \right) .

Or, étant données les équations de Maxwell, on sait que l'on peut écrire le champ électrique comme la somme de l'opposé de la dérivée temporelle du potentiel vecteur et du gradient du potentiel électrique, que l'on va assimiler à At. On a ainsi l'expression quadridimensionnelle de la force :

F^a_{\;\;b} u^b = \left(\begin{array}{c} \boldsymbol \frac{E \cdot \boldsymbol v}{c^2} \\ \\ \boldsymbol E + \boldsymbol v \wedge \boldsymbol B \\ ~ \end{array} \right).


Ordre de grandeur

L'interaction électromagnétique est la deuxième des quatre interactions élémentaires dans l'ordre des puissances. À basse énergie, soit celle des réactions chimiques ou nucléaires, elle est à peu près cent fois plus faible que l'interaction forte, mais dépasse les interactions faibles et gravitationnelles d'un facteur 1011 et 1042 respectivement.

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