Forces de Lorentz
Un champ électromagnétique, comme son nom l'indique, applique à la fois un champ électrique et un champ magnétique dans l'espace.
L'action de ce champ électromagnétique sur une particule chargée provoque des forces dites de Lorentz.
Les forces de Lorentz se décomposent en deux actions :
- Une force électrique, qui est l'application du champ électrique E sur une particule chargée q
- Une force magnétique, qui est l'application du champ magnétique B sur une particule chargée q animée d'un mouvement à la vitesse v
Mathématiquement, on l'écrit :
Le ∧ dénote le produit vectoriel. Les forces de Lorentz ne sont jamais que l'application des équations de Maxwell concernant l'électromagnétisme.
À noter :
- Une particule chargée à l'arrêt ne subit pas de force magnétique. Par contre, elle est toujours accélérée par le champ électrique.
- La force magnétique est perpendiculaire à la direction de déplacement de la particule (règle des trois doigts de la main droite), ce qui fait qu'une particule chargée est déviée dans un champ magnétique (et pas accélérée dans le sens de son déplacement). Sa vitesse ne varie pas, le mouvement est uniforme (en l'absence de champ électrique).
La force de Laplace est dérivée de la force magnétique : le champ magnétique dévie les électrons parcourant un conducteur, et par réaction, le conducteur est poussé car les électrons sont matériellement contraints dans le conducteur.
Applications directes
Tube cathodique
Dans un tube cathodique, des électrons sont éjectés de la source, et déviés par un champ électrique et/ou magnétique ad-hoc, ce qui permet de former des images sur l'écran.
Mais on peut aussi se servir d'un champ magnétique.
Chambre à bulles, à brouillard
Dans les chambres à bulles, on peut visualiser la trajectoire des particules car elles produisent une trainée de bulles. En la plaçant dans un champ magnétique, on voit les trajectoires déviées, ce qui permet de remonter à la vitesse et au rapport masse/charge.
Les trajectoires sont spiralées car la particule est ralentie par le milieu.
Les chambres à bulles ou à brouillard ne se font plus de nos jours, elles sont remplacées par des chambres à fils ou des semi-conducteurs. Il est possible d'en réaliser une chez soi, mais c'est un challenge assez délicat.
Spectrométrie de masse
Après avoir ionisé un atome, une molécule, on l'accélère dans un champ électrique pour lui donner une certaine vitesse, qui dépend de la masse et de la charge, puis on applique un champ magnétique qui va dévier la trajectoire, la particule décrit un cercle de rayon dépendant de la masse et de la charge, et on peut ainsi remonter à la masse (en fait le ratio masse/charge, et la charge est quantifiée par celle de l'électron).
Une version plus subtile consiste à n'avoir qu'un détecteur à un endroit précis, et à régler la valeur du champ magnétique de manière à sélectionner qu'une certaine masse (par multiple de la charge d'un électron). On peut aussi sélectionner en sortie uniquement les particules ayant une certaine vitesse.
Il faut faire tout ça dans le vide, comme on peut s'en douter.
Ceci dit, il existe à présent des variantes plus commodes, par exemple par mesure de temps de vol, mais c'est une autre histoire.
Accélérateur de particules
Tous nos accélérateurs de particules, cyclotron, synchrotron, en anneau ou linéaire, propulsent les particules à l'aide de champs électromagnétiques.
[todo] il faudra que je fasse un topo sur ce sujet