1.1 Au carrefour de la mécanique et de l’électricité
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1.1.1 Fondements théoriques de l’électrodynamique
En tant que science fondamentale tout d’abord, l’électrodynamique classique (l’électrodynamique quantique sort du cadre de notre exposé) offre l’avantage d’une présentation cohérente et générique des phénomènes électromagnétiques [2]. Le champ
électromagnétique tient une place centrale dans l’interprétation des effets de couplage intervenant au sein des systèmes électromécaniques. Bien que les contextes
réduits de l’électrostatique ou de la magnétostatique s’imposent souvent pour l’étude
de tels systèmes (les hypothèses simplificatrices des états stationnaires ou quasistationnaires s’appliquent généralement, au moins en première approximation), on
ne soulignera jamais assez l’unité profonde des phénomènes électriques et magnétiques. Ce lien s’exprime sans ambiguïté dès lors que les lois de l’électrodynamique
sont explicitées dans le contexte de la relativité restreinte. C’est précisément le point
de vue que nous adopterons dans la première partie de l’ouvrage. Certes, l’électromagnétisme peut être abordé dans un cadre plus classique, conformément aux exposés
« prérelativistes » traditionnellement proposés sur le sujet. Cette approche reste parfaitement cohérente vis à vis de nombreux problèmes pratiques. Toutefois, certains
sujets d’importance, ayant trait notamment aux effets du mouvement, demeurent l’occasion de questionnements et d’ambiguïtés. En particulier, les processus d’interaction
électromécanique fondés sur l’induction électromagnétique ne peuvent être véritablement compris et analysés sans en considérer les fondements relativistes (cf. le cas
épineux des machines à induction homopolaire illustré à la section 4.3.6 !).
Complément indispensable de l’électrodynamique, le point de vue thermodynamique permet parallèlement d’établir les liens phénoménologiques qui existent entre
les grandeurs électromagnétiques, mécaniques et thermiques [3][4]. Ce point de vue
s’impose dès lors que l’on cherche à décrire les conditions de transfert et de transformation de l’énergie sans pour autant en rechercher les causes profondes. La théorie
qui en résulte permet, d’une part, d’introduire logiquement les divers processus et
concepts de conversion utilisables et, d’autre part, d’en dégager les propriétés intrinsèques.
Enfin, le propos de l’électrodynamique ne se limite pas simplement au cas usuel
d’une interaction entre solides indéformables. Une autre raison majeure justifiant le
recours systématique à cette science tient à ce que l’électrodynamique des milieux
continus établit précisément les lois macroscopiques locales du couplage électromécanique intervenant au sein même de la matière déformable, solide ou fluide [5][7].
Certes, l’électrodynamique et la mécanique des milieux continus sont aujourd’hui
considérées comme deux disciplines indépendantes. Elles procèdent pourtant à l’origine d’un même élan scientifique. C’est ainsi que des noms aussi prestigieux que
Cauchy, Faraday, Green, Maxwell ou Voigt sont à jamais attachés au développement
commun de ces deux disciplines. En outre, la distinction commode que l’on peut envisager, à l’échelle macroscopique, entre les contraintes d’origine électromagnétique
et les forces mécaniques est de fait relativement artificielle. Ces notions possèdent
en effet une origine microscopique commune, i.e. l’interaction électromagnétique.
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1.1.1 Fondements théoriques de l’électrodynamique
En tant que science fondamentale tout d’abord, l’électrodynamique classique (l’électrodynamique quantique sort du cadre de notre exposé) offre l’avantage d’une présentation cohérente et générique des phénomènes électromagnétiques [2]. Le champ
électromagnétique tient une place centrale dans l’interprétation des effets de couplage intervenant au sein des systèmes électromécaniques. Bien que les contextes
réduits de l’électrostatique ou de la magnétostatique s’imposent souvent pour l’étude
de tels systèmes (les hypothèses simplificatrices des états stationnaires ou quasistationnaires s’appliquent généralement, au moins en première approximation), on
ne soulignera jamais assez l’unité profonde des phénomènes électriques et magnétiques. Ce lien s’exprime sans ambiguïté dès lors que les lois de l’électrodynamique
sont explicitées dans le contexte de la relativité restreinte. C’est précisément le point
de vue que nous adopterons dans la première partie de l’ouvrage. Certes, l’électromagnétisme peut être abordé dans un cadre plus classique, conformément aux exposés
« prérelativistes » traditionnellement proposés sur le sujet. Cette approche reste parfaitement cohérente vis à vis de nombreux problèmes pratiques. Toutefois, certains
sujets d’importance, ayant trait notamment aux effets du mouvement, demeurent l’occasion de questionnements et d’ambiguïtés. En particulier, les processus d’interaction
électromécanique fondés sur l’induction électromagnétique ne peuvent être véritablement compris et analysés sans en considérer les fondements relativistes (cf. le cas
épineux des machines à induction homopolaire illustré à la section 4.3.6 !).
Complément indispensable de l’électrodynamique, le point de vue thermodynamique permet parallèlement d’établir les liens phénoménologiques qui existent entre
les grandeurs électromagnétiques, mécaniques et thermiques [3][4]. Ce point de vue
s’impose dès lors que l’on cherche à décrire les conditions de transfert et de transformation de l’énergie sans pour autant en rechercher les causes profondes. La théorie
qui en résulte permet, d’une part, d’introduire logiquement les divers processus et
concepts de conversion utilisables et, d’autre part, d’en dégager les propriétés intrinsèques.
Enfin, le propos de l’électrodynamique ne se limite pas simplement au cas usuel
d’une interaction entre solides indéformables. Une autre raison majeure justifiant le
recours systématique à cette science tient à ce que l’électrodynamique des milieux
continus établit précisément les lois macroscopiques locales du couplage électromécanique intervenant au sein même de la matière déformable, solide ou fluide [5][7].
Certes, l’électrodynamique et la mécanique des milieux continus sont aujourd’hui
considérées comme deux disciplines indépendantes. Elles procèdent pourtant à l’origine d’un même élan scientifique. C’est ainsi que des noms aussi prestigieux que
Cauchy, Faraday, Green, Maxwell ou Voigt sont à jamais attachés au développement
commun de ces deux disciplines. En outre, la distinction commode que l’on peut envisager, à l’échelle macroscopique, entre les contraintes d’origine électromagnétique
et les forces mécaniques est de fait relativement artificielle. Ces notions possèdent
en effet une origine microscopique commune, i.e. l’interaction électromagnétique.