■ En mécanique, un système peut agir sur un autre. L'action exercée est modélisée par une force. Une force est représentée par un vecteur, qui se caractérise par sa norme, mesurée en newton (N), par sa direction (la droite qui porte l'action) et par le sens. Le vecteur prend lui-même la forme d'une flèche et 

• l'axe de la flèche est dessiné dans la direction de la force ;
• le chevron de la flèche est dessiné dans le sens de la force ;
• la longueur de la flèche est porportionnelle à la norme de la force.

■ Les corps massifs s'attirent entre eux. L'action attractive qu'ils exercent les uns sur les autres est modélisée par une force gravitationnelle, dont la norme est proportionnelle à la masse des deux corps en interaction, et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

■ Les particules qui composent la matière portent parfois des charges électriques. Le noyau des atomes porte une charge électrique positive en raison de la présence de protons, porteurs d'une charge élementaire positive chacun. Le cortège électronique est chargé négativement car chaque électron est lui-même porteur d'une charge négative, opposée à la charge élémentaire. Dans un atome, qui dénombre autant de protons que d'électrons, l'ensemble est électriquement neutre, c'est-à-dire que la charge totale est nulle.

En physique, une interaction désigne les actions réciproques qu'exercent l'un sur l'autre deux systèmes semblables.
Parmi ces interactions, quatre sont qualifiées de fondamentales car elles permettent, à elles seules, de trouver des explications à toutes sortes de phénomènes physiques plus complexes et variés. Elles sont donc au fondement des raisonnements qui permettent d'expliquer la nature des phénomènes physiques.

À chaque action est associée une force qui permet de la modéliser.

Les quatre interactions fondamentales s'étendent sur des échelles qui vont du noyau des atomes au cosmos :

• l'interaction forte et l'interaction faible expliquent la cohésion des noyaux des atomes ;
• l'interaction gravitationnelle explique les phénomènes physiques à l'échelle cosmologique ;
• l'interaction électromagnétique explique les phénomènes aux échelles intermédiaires, notamment à l'échelle humaine.

L'interaction électromagnétique englobe quatre situations : l'électrostatique (charges électriques immobiles), l'électrodynamique (charges électriques mobiles), la magnétostatique (champ magnétique fixe), et la magnétodynamique (champ magnétique variable).
Dans les parties suivantes, nous étudierons en détail l'interaction électrostatique et l'interaction gravitationnelle.

Il existe deux types de charges électriques :

• les charges positives, portées par exemple par les protons ou les cations ;
• les charges négatives, portées par exemple par les électrons ou les anions.

La charge électrique est désignée par la lettre q. Son unité légale dans le Système international est le coulomb, de symbole C.
La charge élémentaire est la charge de référence en physique. Il s'agit de la charge du proton, de valeur constante et notée e, et

e = 1,602×10^-19 C.

L'interaction électrostatique s'exerce entre des systèmes porteurs de charges électriques et immobiles dans le référentiel de l'étude.

Cette interaction s'exerce soit à distance, soit au contact entre les deux systèmes. Elle est attractive si les charges des deux systèmes ont des signes opposés (les deux systèmes s'attirent l'un l'autre si l'un porte une charge plus, l'autre une charge moins). Elle est répulsive si les systèmes portent des charges électriques de même signe (les systèmes se repoussent).

Cette interaction explique de nombreux phénomènes du quotidien :

• la décharge électrique qu'on ressent parfois en touchant la carosserie d'une voiture qui a roulé ;
• les cheveux qui se dressent sur la tête quand on a enfilé un pull de laine ou après s'être peigné ;
• l'attraction ou la répulsion de petits morceaux de papier avec une paille en plastique frottée ;
• etc.

Ces phénomènes apparaissent lorsque les charges électriques qui composent la matière (les protons et les électrons) ne sont pas équitablement réparties, soit parce que certaines ont été arrachées (électrons arrachés par frottement), soit parce qu'elles ont été attirées ou chassées d'une région par influence.
Si les charges concernées sont assez nombreuses, l'action devient conséquente et se manifeste à échelle humaine.

La force électrostatique associée à cette interaction, exercée par le système A sur le système B, est donnée par F→_A/B, dont l'expression obéit à la loi de Coulomb (physicien français du XVIII^e siècle)  :

Dans cette équation, k désigne la constante de Coulomb et vaut 8,988×10⁹ N·m²·C^-2 ;
u→_AB est un vecteur unitaire (c'est-à-dire que sa norme vaut 1), colinéaire et de même sens que le vecteur AB→ ;
q désigne la charge électrique, qui peut être de signe négatif ou positif ;
d désigne la distance entre les centres des systèmes A et B.
La force que B exerce sur A est de même norme, de même direction et de sens opposé, en vertu du principe des actions réciproques.

Il est également possible d'étudier le champ électrostatique. C'est la donnée, en tout point de l'espace, de la force par unité de charge que subirait, en ce point de l'espace, une particule d'épreuve (c'est-à-dire une particule-test). Le champ électrostatique est noté E→, dont l'unité légale de la norme est le newton par coulomb (N·C^-1), ou encore le volt par mètre (V·m^-1) :

Remarque : Dans le cas d'une seule charge placée sur l'écran, le champ est radial centrifuge (orienté de l'intérieur vers l'extérieur) pour une charge-source de signe positif. Il est radial centripète (orienté de l'extérieur vers l'intérieur) pour une charge-source de signe négatif.

À l'échelle planétaire et au-delà, les phénomènes physiques ne s'expliquent plus à l'aide de raisonnements sur les charges électriques, c'est l'interaction gravitationnelle qui permet de comprendre les mécanismes à l'œuvre à cette échelle.

L'interaction gravitationnelle s'exerce entre tous les systèmes qui possèdent une masse. Elle n'est significative qu'à grande échelle. Elle est toujours attractive, et peut s'exercer à distance ou au contact. L'interaction gravitationnelle explique le mouvements des astres, c'est d'aussi d'elle que provient le poids, cette force qu'un astre exerce sur les objets placés à sa surface.

La force gravitationnelle, formalisée par Isaac Newton (physicien anglais) en 1687, est donnée par F→_A/B :

Dans cette formule, G désigne la constante d'attraction gravitationnelle, G = 6,67×10^-11 N·m²·kg^-2.
Comme la valeur d'une masse est obligatoirement de signe positif, le signe – traduit le fait que les forces gravitationnelles sont toujours orientées du système qui subit la force vers celui qui l'exerce.

Comme pour la force électrostatique, il est possible ici de définir un champ gravitationnel : c'est la donnée, en tout point de l'espace, de la force par unité de masse, que subirait en ce point une particule-épreuve (particule-test). Il est noté 𝒢→ et :