force de Lorentz

Lorsqu'une particule chargée se déplace dans un champ magnétique, elle subit une poussée latérale perpendiculaire à la fois à sa direction de mouvement et à la direction du champ lui-même. Cette poussée est la force de Lorentz, et c'est le mécanisme fondamental derrière les moteurs électriques, les accélérateurs de particules et les systèmes de focalisation magnétique. La force n'existe pas lorsque la particule est stationnaire, ni lorsqu'elle se déplace parallèlement aux lignes de champ, mais n'apparaît que lorsque la vitesse et le champ ont une composante perpendiculaire l'un à l'autre.

L'amplitude de cette force est proportionnelle à trois choses : la charge de la particule (q, mesurée en coulombs), l'intensité du champ magnétique (B, en tesla) et la composante de la vitesse perpendiculaire à ce champ (v sin θ). La formule résultante, F = qvB sin θ, est l'une des relations les plus directes en électromagnétisme. Un électron se déplaçant à 1 million de mètres par seconde dans un champ de 1 tesla subit une force d'environ 1,6 × 10^-13 newtons, minuscule en termes absolus mais décisive pour la trajectoire de l'électron sur de courtes distances.

Où cela est important en pratique

Dans un moteur électrique à courant continu, le courant circule à travers des bobines dans un champ magnétique, et la force de Lorentz sur chaque segment de fil porteur de courant produit un couple. Dans un tube à vide ou un oscilloscope à rayons cathodiques, les bobines de déflexion magnétique utilisent cette force pour diriger les faisceaux d'électrons sur des écrans avec une précision micrométrique. Les accélérateurs de physique des particules s'en servent pour courber les faisceaux de protons ou d'électrons le long de chemins circulaires ou courbes sans piste physique. Les capteurs à effet Hall l'exploitent pour mesurer l'intensité du champ magnétique en détectant l'accumulation latérale de porteurs de charge dans un conducteur porteur de courant placé dans un champ.

La force peut également provoquer des effets indésirables. Dans les conducteurs à courant élevé exposés à des champs magnétiques parasites, la force de Lorentz peut créer des contraintes mécaniques sur le fil ou le faire bouger ; les grands transformateurs de puissance et les câbles de transmission doivent être renforcés pour résister à ces forces lors de défauts. Les particules de rayons cosmiques se déplaçant à travers le champ magnétique terrestre sont déviées par ce même mécanisme, créant les aurores près des pôles.

Le terme rend hommage au physicien néerlandais Hendrik Lorentz, qui a formalisé cette relation dans les années 1890. La force est souvent appelée loi de la force de Lorentz lorsqu'elle est énoncée comme faisant partie de la description complète de la façon dont les champs électriques et magnétiques interagissent avec les charges et les courants, bien qu'en physique moderne, la force de Lorentz émerge naturellement de la géométrie de l'espace-temps sous la relativité, la rendant plus fondamentale que les équations de Maxwell dont elle a été historiquement dérivée.