CHAMP MAGNÉTIQUE TERRESTRE: ORIGINE, CARACTÉRISTIQUES, FONCTION - PHYSIQUE - 2025

Le champ magnétique terrestre est l'effet magnétique que la Terre exerce et qui s'étend de son intérieur à des centaines de kilomètres dans l'espace. Il est très similaire à celui produit par un barreau magnétique. Cette idée a été suggérée par le scientifique anglais William Gilbert au 17ème siècle, qui a également observé qu'il n'est pas possible de séparer les pôles de l'aimant.

La figure 1 montre les lignes de champ magnétique terrestre. Ils sont toujours fermés, traversent l'intérieur et continuent à l'extérieur, formant une sorte de couverture.

Figure 1. Le champ magnétique terrestre ressemble à celui d'un barreau magnétique. Source: Wikimedia Commons.

L'origine du champ magnétique terrestre reste un mystère. Le noyau extérieur de la terre, en fonte, ne peut pas à lui seul produire le champ, car la température est telle qu'il détruit l'ordre magnétique. Le seuil de température pour cela est connu sous le nom de température de Curie. Par conséquent, il est impossible qu'une grande masse de matériau magnétisé soit responsable du champ.

Ayant écarté cette hypothèse, il faut chercher l'origine du champ dans un autre phénomène: la rotation de la Terre. Cela fait tourner le noyau fondu de manière non uniforme, créant un effet dynamo, dans lequel un fluide génère spontanément un champ magnétique.

On pense que l'effet dynamo est la cause du magnétisme des objets astronomiques, par exemple celui du Soleil, mais jusqu'à présent on ne sait pas pourquoi un fluide est capable de se comporter de cette manière et comment les courants électriques produits parviennent à rester.

caractéristiques

- Le champ magnétique terrestre est le résultat de trois contributions: le champ interne lui-même, le champ magnétique externe et celui des minéraux magnétiques de la croûte:

1. Champ interne: il ressemble à celui d'un dipôle magnétique (aimant) situé au centre de la Terre et sa contribution est d'environ 90%. Cela varie très lentement dans le temps.
2. Champ externe: provient de l'activité solaire dans les couches de l'atmosphère. Il ne ressemble pas au dipôle et présente de nombreuses variations: quotidiennes, annuelles, orages magnétiques, etc.
3. Les roches magnétiques de la croûte terrestre, qui créent également leur propre champ.

- Le champ magnétique est polarisé, présentant les pôles nord et sud, tout comme un barreau magnétique.

- Comme les pôles opposés s'attirent, l'aiguille de la boussole, qui est son pôle nord, pointe toujours vers le voisinage du nord géographique, où se trouve le pôle sud de l'aimant terrestre.

- La direction du champ magnétique est représentée sous la forme de lignes fermées qui quittent le sud magnétique (pôle nord de l'aimant) et pénètrent dans le nord magnétique (pôle sud de l'aimant).

- Dans le nord magnétique - et dans le sud magnétique également -, le champ est perpendiculaire à la surface de la terre, tandis qu'à l'équateur, le champ est rasant. (voir figure 1)

- L'intensité du champ est beaucoup plus grande aux pôles qu'à l'équateur.

- L'axe du dipôle terrestre (figure 1) et l'axe de rotation ne sont pas alignés. Il y a un déplacement de 11,2 ° entre eux.

Éléments géomagnétiques

Le champ magnétique étant vectoriel, un repère cartésien XYZ avec une origine O permet d'établir sa position.

Figure 2. Éléments géomagnétiques. Source: F. Zapata.

L'intensité totale du champ magnétique ou de l'induction est B et ses projections ou composantes sont: H horizontalement et Z verticalement. Ils sont liés par:

-D, l'angle de déclinaison magnétique, formé entre H et le nord géographique (axe X), positif vers l'est et négatif vers l'ouest.

-I, l'angle d'inclinaison magnétique, entre B et H, positif si B est en dessous de l'horizontale.

L'aiguille de la boussole sera orientée dans la direction de H, la composante horizontale du champ. Le plan déterminé par B et H est appelé le méridien magnétique, tandis que le ZX est le méridien géographique.

Le vecteur champ magnétique est entièrement spécifié si trois des grandeurs suivantes sont connues, appelées éléments géomagnétiques: B, H, D, I, X, Y, Z.

Fonction

Voici quelques-unes des fonctions les plus importantes du champ magnétique terrestre:

-Les humains l'ont utilisé pour s'orienter à la boussole pendant des centaines d'années.

-Exerce une fonction protectrice de la planète, en l'enveloppant et en déviant les particules chargées que le Soleil émet en permanence.

-Bien que le champ magnétique terrestre (30 - 60 micro Tesla) soit faible par rapport à ceux du laboratoire, il est suffisamment fort pour que certains animaux l'utilisent pour s'orienter. Il en va de même pour les oiseaux migrateurs, les pigeons voyageurs, les baleines et certains bancs de poissons.

-La magnétométrie ou mesure du champ magnétique est utilisée pour la prospection des ressources minérales.

Aurores boréales et sud

Ils sont connus comme les aurores boréales ou australes, respectivement. Ils apparaissent à des latitudes proches des pôles, où le champ magnétique est presque perpendiculaire à la surface de la Terre et beaucoup plus intense qu'à l'équateur.

Figure 3. Aurores boréales en Alaska. Source: Wikimedia Commons.

Ils ont leur origine dans la grande quantité de particules chargées que le Soleil envoie en permanence. Ceux qui sont piégés par le champ dérivent généralement vers les pôles en raison de l'intensité plus élevée. Là, ils en profitent pour ioniser l'atmosphère et dans le processus de la lumière visible est émise.

Les aurores boréales sont visibles en Alaska, au Canada et dans le nord de l'Europe, en raison de la proximité du pôle magnétique. Mais en raison de la migration de ceux-ci, il est possible qu'au fil du temps, ils deviennent plus visibles vers le nord de la Russie.

Cela ne semble pas être le cas pour le moment, car les aurores ne suivent pas exactement le nord magnétique erratique.

Déclinaison magnétique et navigation

Pour la navigation, en particulier sur les très longs trajets, il est extrêmement important de connaître la déclinaison magnétique, afin de faire la correction nécessaire et de trouver le vrai nord.

Ceci est réalisé au moyen de cartes qui indiquent les lignes de déclinaison égale (isogonale), car la déclinaison varie fortement en fonction de l'emplacement géographique. Cela est dû au fait que le champ magnétique subit des variations locales en continu.

Les grands nombres peints sur les pistes sont les directions en degrés par rapport au nord magnétique, divisées par 10 et arrondies.

Les gars du nord

Aussi déroutant que cela puisse paraître, il existe plusieurs types de nord, définis par des critères particuliers. Ainsi, on peut trouver:

Le nord magnétique est le point sur Terre où le champ magnétique est perpendiculaire à la surface. Là, la boussole pointe, et d'ailleurs, elle n'est pas antipodale (diamétralement opposée) avec le sud magnétique.

Le nord géomagnétique, est l'endroit où l'axe du dipôle magnétique remonte à la surface (voir figure 1). Le champ magnétique terrestre étant un peu plus complexe que le champ dipolaire, ce point ne coïncide pas exactement avec le nord magnétique.

Au nord géographique, l'axe de rotation de la terre passe par là.

Au nord de Lambert ou de la grille, se trouve le point de convergence des méridiens des cartes. Il ne coïncide pas exactement avec le nord vrai ou géographique, car la surface sphérique de la Terre est déformée lorsqu'elle est projetée sur un plan.

Figure 4. Divers nord et leur emplacement. Source: Wikimedia Commons. Cavit

Inversion du champ magnétique

Il y a un fait déroutant: les pôles magnétiques peuvent changer de position en quelques milliers d'années, et cela se produit actuellement. En fait, on sait que cela s'est produit 171 fois auparavant, au cours des 17 derniers millions d'années.

La preuve se trouve dans des roches émergeant d'une faille au milieu de l'océan Atlantique. En sortant, la roche se refroidit et se solidifie, définissant la direction de la magnétisation de la Terre pour le moment, qui est conservée.

Mais jusqu'à présent, il n'y a pas d'explication satisfaisante de la raison pour laquelle cela se produit, ni la source d'énergie nécessaire pour inverser le champ.

Comme indiqué précédemment, le nord magnétique se déplace actuellement rapidement vers la Sibérie, et le sud se déplace également, bien que plus lentement.

Certains experts pensent que cela est dû à un écoulement à haute vitesse de fer liquide juste en dessous du Canada qui affaiblit le champ. Cela peut aussi être le début d'une inversion magnétique. Le dernier qui s'est produit remonte à 700 000 ans.

Il se peut que la dynamo qui donne naissance au magnétisme terrestre s'éteigne pendant un certain temps, soit spontanément, soit par une intervention extérieure, comme l'approche d'une comète par exemple, bien qu'il n'y ait aucune preuve de cette dernière.

Lorsque la dynamo redémarre, les pôles magnétiques ont changé de place. Mais il peut aussi arriver que l'inversion ne soit pas complète, mais une variation temporaire de l'axe dipolaire, qui reviendra finalement à sa position d'origine.

Expérience

Il est réalisé avec des bobines de Helmholtz: deux bobines circulaires identiques et concentriques, à travers lesquelles la même intensité de courant passe. Le champ magnétique des bobines interagit avec celui de la Terre, donnant lieu à un champ magnétique résultant.

Figure 5. Expérience pour déterminer la valeur du champ magnétique terrestre. Source: F. Zapata.

Un champ magnétique approximativement uniforme est créé à l'intérieur des bobines, dont la magnitude est:

-I est l'intensité du courant

-μ _o est la perméabilité magnétique du vide

-R est le rayon des bobines

Processus

Avec une boussole placée dans l'axe axial de la bobine, de déterminer la direction du champ magnétique terrestre B _T.

-Oriente l'axe des bobines à être perpendiculaire à B _T. Ainsi, le champ B _H généré est transmis en tant que courant, sera perpendiculaire à B _T. Dans ce cas:

Figure 6. Le champ résultant est ce que l'aiguille de la boussole marquera. Source: F. Zapata.

-B _H est proportionnel au courant passé dans les bobines, de sorte que B _H = kI, où k est une constante qui dépend de la géométrie desdites bobines: rayon et nombre de spires. Un courant de mesure, peut avoir la valeur de B _H. De sorte que:

Donc:

-Divers courants sont passés à travers les bobines et les paires (I, tg θ) sont enregistrées dans un tableau.

-Le graphique I vs. tg θ. Puisque la dépendance est linéaire, on s'attend à obtenir une droite, dont la pente m est:

-Enfin, à partir de la ligne droite - ligne d' ajustement des moindres carrés ou un réglage visuel, il procède à la détermination de la valeur de B _T.

Références

1. Champ magnétique terrestre. Récupéré de: web.ua.es
2. Groupe de magnéto-hydrodynamique de l'Université de Navarre. Effet dynamo: histoire. Récupéré de: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6e édition abrégée. Apprentissage Cengage.
4. POT. Champ magnétique terrestre et ses changements dans le temps. Récupéré de: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Le pôle nord magnétique de la Terre se déplace. Récupéré de: ngenespanol.com.
6. Américain scientifique. La Terre a plus d'un pôle Nord. Récupéré de: scientificamerican.com.
7. Wikipédia. Pôle géomagnétique. Récupéré de: en.wikipedia.org.