Les interactions

Une interaction correspond aux actions mutuelles s’exerçant entre deux corps. On modélise ces actions mutuelles par des forces.

Pour l’exprimer autrement, il existe une interaction entre deux systèmes A et B si le système A exerce une force sur le système B et si le système B exerce une force sur le système A.

Ainsi, deux corps sont en interaction si le mouvement de l’un dépend de la présence de l’autre et réciproquement. On dit que chacun de ces deux corps exerce une action mécanique sur l’autre.

Malgré l'apparente diversité des actions que l'on peut observer elles font toutes partie de l'une des quatre catégories d'interactions dites fondamentales :

  1. l'interaction gravitationnelle,
  2. l'interaction électromagnétique,
  3. l'interaction forte
  4. et l'interaction faible.

L'interaction gravitationnelle

L’histoire de sa découverte

En 1687, Isaac Newton décrit dans l’une de ses œuvres majeures, Les Principes mathématiques de la philosophie naturelle, les mouvements des planètes et des satellites : il affirme que tous les corps s’attirent mutuellement et parle d’interaction gravitationnelle.

Il a ensuite fallu attendre 1915 pour que Albert Einstein développe la théorie de la relativité générale qui permet d'expliquer la gravitation par une théorie géométrique mais non quantique.

La gravitation n'est donc pas prise en compte par la physique des particules et son intensité est totalement négligeable à l'échelle des particules élémentaires.

Comment définit-on l’interaction gravitationnelle ?

Quelle force attire les astres entre eux ? La gravitation est la première des interactions fondamentales

La gravitation est une interaction attractive entre deux objets qui ont une masse.

Elle s'exerce entre tous les corps qui possèdent une masse sans limite de distance mais son intensité diminue néanmoins rapidement lorsque des corps s'éloignent.

Cette force est toujours attractive et sa valeur est donnée par la loi de gravitation.

L’interaction gravitationnelle entre deux corps ponctuels A et B, de masse respective mA et mB, séparés d’une distance d, est modélisée par des forces d’attraction gravitationnelle FA/B et FB/A dont les caractéristiques sont les suivantes :

  • sa direction : la direction de la droite AB
  • son sens : vers le centre attracteur, A pour FA/B, B pour FB/A
  • sa valeur :

        \[G\times\frac{m_A\times m_B}{d^2}\]

Où mA et mB sont exprimées en kilogramme (kg), d en mètre (m). G est la constante de gravitation et vaut 6,67 x 10-11 N.m2.kg-2

Les vecteurs forces FA/B et FB/A représentent les deux forces d’attraction gravitationnelle s’exerçant entre les corps A et B. Ils ont la même droite support, la même longueur et sont de sens opposés.

Il peut être intéressant de remarquer que la gravitation est la seule force à ne pas pouvoir se neutraliser.

En effet, contrairement aux autres interactions, la masse est toujours positive. Les différentes attractions ne peuvent donc pas se compenser. A grande échelle, les trois autres forces vont donc pouvoir s'annuler globalement tandis que la gravitation agira toujours.

L'interaction électromagnétique

Quelle force mesure-t-on en Coulomb ? La force magnétique s'exerce sur toutes les particules électriquement chargées

L’interaction électromagnétique combine les interactions électrique et magnétique. Elle s'exerce sur toutes les particules électriquement chargées.

La force magnétique est cependant nulle sur des particules immobiles qui ne sont alors soumises qu'à une interaction électrique dite électrostatique.

L'interaction électrostatique est attractive entre des charges de signes opposés et répulsive entre des charges de même signe, sa valeur peut être calculée grâce à la loi de Coulomb.

Loi de Coulomb

Selon la loi de Coulomb deux corps possédant des charges q et q', ayant leur centre d'inertie séparé par une distance d sont soumis chacun à une force F dont la valeur est donnée par la formule suivante :

    \[ F = k \times\frac{\mid q_1q_2\mid}{r^2} \]

  • où F s’exprime en newton,
  • q et q' sont en coulomb C, d en mètre (m),
  • k est la constante de Coulomb et vaut 9,0 x 109 N.m2.C-2

La constante k peut être exprimée à l'aide d'une autre constante appelée permittivité du
vide, notée ε0 :

    \[ k = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \]

La loi de Coulomb peut également s’exprimer ainsi... Toute charge électrique exerce une force (à distance) sur toute autre charge : des charges de même signe se repoussent, des charges de signe contraire s'attirent.

Champ d’exercice de l’interaction

A l'échelle astronomique la matière est en général neutre et l'interaction électromagnétique ne peut pas s'exercer.

Elle agit à l’échelle microscopique et produit des effets macroscopiques : cette interaction joue un rôle important à l'échelle microscopique entre les particules chargées telles que les noyaux atomiques et les électrons et permet la stabilité de la matière qui nous entoure.

Comment se matérialise l’interaction électromagnétique ?

L'interaction électromagnétique est à l'origine de tous les phénomènes électriques et magnétiques.

Elle permet également la cohésion des atomes en liant les électrons qui ont une charge électrique négative avec le noyau des atomes qui a une charge électrique positive. Cette liaison permet de combiner les atomes en molécules. L'interaction électromagnétique est donc à l’origine des réactions chimiques.

Cette interaction peut, dans certaines conditions, créer des ondes électromagnétiques, parmi lesquelles on distingue la lumière, les ondes radio, les ondes radar, les rayons X...

Elle engendre également les forces de frottement, produit l’étirement, l’adhérence et la cohésion.

Elle est plus forte que l’interaction gravitationnelle.

L'interaction forte

Quelle force permets aux atomes de garder leur cohésion ? La force forte maintient ensemble les neutrons et protons

Elle s'exerce à l'échelle des nucléons et sa portée est de l'ordre de 10-15m . C'est cette interaction qui permet la stabilité d'un noyau atomique en maintenant ensemble les neutrons et protons qui sont soumis à des forces électrostatiques répulsives.

Comme beaucoup d'autres particules, les protons et les neutrons sont formés par des
particules élémentaires appelées quarks.

L’interaction nucléaire forte lie ces quarks à l'intérieur des neutrons et des protons mais lie aussi les protons et les neutrons entre eux pour former les noyaux atomiques.

C'est cette force qui permet d'expliquer la stabilité du noyau atomique malgré l'importante force de répulsion électrique entre les protons.

Elle est extrêmement intense : environ 1000 fois plus forte que la force gravitationnelle, 100 fois plus forte que l’interaction électromagnétique. Elle a cependant une très faible portée.

La portée de l'interaction forte est d'environ 10-15m, c'est-à-dire la taille d'un noyau atomique.

Cette portée très courte empêche cette force de se manifester concrètement dans notre vie quotidienne.
Après un siècle de physique nucléaire, les lois et constantes fondamentales de l'interaction forte sont toujours inconnues, au contraire des lois de Coulomb et de Newton, dont les formules mathématiques permettent de les décrire précisément.

L'interaction faible

L’interaction faible, aussi appelée force faible, est environ un million de fois plus faible que la force nucléaire forte. Elle est environ mille fois plus forte que l’interaction gravitationnelle.

Comme l’interaction forte, elle s'exerce à l'intérieur des noyaux atomiques. Cela dit, sa portée est encore plus faible que l'interaction forte. Elle est de l'ordre de 10-17m.

Cette interaction n'intervient que lors des transformations nucléaires et en particulier lors des désintégrations radioactives.

Elle est responsable de la désintégration radioactive de particules subatomiques en changeant un nucléon en un autre et est à l'origine de la fusion nucléaire dans les étoiles : l'interaction faible déclenche la nucléosynthèse dans les étoiles.

Une étoile comme le Soleil tire son énergie d’un four thermonucléaire interne. Il fait fusionner l’hydrogène en hélium, un processus dû à la transformation graduelle des protons par interaction faible.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

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