• La boussole et le champ magnétique terrestre.


    La boussole et le champ magnétique terrestre.      J’ai longtemps utilisé une boussole, quand j’allais me promener dans la nature, et j’en ai une dans ma voiture et lorsque je pilotais un avion, j’avais un « compas » à coté des aides radio à la navigation.
        Je pense que mes petits enfants ne connaîtront plus ces instruments, car le GPS plus précis et plus automatisé les a remplacés.
        Néanmoins, le champ magnétique terrestre reste une réalité, mais peu de gens savent à quoi il est dû.
        Cela a longtemps été une énigme et cela pose encore de nombreux problèmes aux physiciens et mathématiciens..

        Les premières expériences sur le champ magnétique terrestre sont attribuées à l’astronome Willam Gilbert, vers 1600, qui cherchait à comprendre l’alignement des boussoles et pensait que la Terre renfermait en son sein un immense aimant et il avait conçu un petit aimant sphérique qu’il appela « petite Terre », et la boussole que l’on approchait pointait vers le pôle nord de sa « Terrella » et s’inclinait légèrement vers le centre comme dans la réalité. 

        La boussole était beaucoup plus ancienne, car au 4ème siècle avant notre ère, les Chinois utilisaient un « indicateur astral » pour se repérer. C’était une cuillère en magnétite (un oxyde de fer à aimantation permanent) dont la queue pointait vers le sud. L’usage de boussoles pour la navigation s’est propagé en Europe vers 1190.

        Mais vers 1634, Henry Gellibrant, astronome à Londres, montra que l’angle entre le pôle nord magnétique et le pôle nord géographique (la »déclinaison), qui était de 6 degré en 1622, était passé à 4,1 deg. et que cette évolution n’était pas possible avec un simple dipôle.
        L’augmentation de l’intensité du champ magnétique terrestre avec la latitude avait été établie dès la fin du XVIIIème siècle par De Rossel lors de l’expédition d’Entrecasteaux (1791-1794), à bord de la Recherche et de l’Espérance, et peut-être déjà par Robert de Paul, chevalier de Lamanon, lors de l’expédition malheureuse de La Pérouse (1785-1788), à bord de la Boussole et de l’Astrolabe.
        La première carte de l’intensité du champ magnétique terrestre fut publiée en 1825 par Christopher Hansteen

        La première représentation du champ magnétique terrestre sous forme mathématique fut proposée par Karl Friedrich Gauss en 1838. Son modèle, calculé à partir des valeurs de déclinaison, d’inclinaison et d’intensité extraites des cartes magnétiques alors disponibles, est remarquablement performant et proche des modèles actuels. Le modèle de Gauss confirme la nature dipolaire et géocentrique du champ magnétique terrestre qui, en première approximation, peut être assimilé à celui d’un aimant placé au centre de la Terre suivant une direction faisant un angle de 11°30’ avec l’axe de rotation de la Terre. Le modèle montre également que la partie principale du champ, soit plus de 90%, provient de sources situées à l’intérieur du globe terrestre.
    Le modèle simplifié permet de calculer de façon précise la position sur le globe de pôles géographique (l’axe de la terre)  et géomagnétique, mais ne permet pas de connaître la position des pôles magnétiques vrais Nord et Sud, c’est-à-dire les coordonnées des points pour lesquels l’inclinaison est verticale et la déclinaison indéterminée.
        Gauss a fait des mesures précises du champ en se servant de l’analogie avec un pendule dans le champ de gravité terrestre qui oscille avec une période T = 2π √ l/g  ou l est la longueur du pendule et g la valeur du champ de gravité -vous avez dû faire cette manipulation en terminale !. Il a montré que lorsqu’on écarte une boussole de sa position d’équilibre, elle oscille de la même façon avec une période qui ne dépend que du champ local.

        En 1895, Pierre Curie montra qu’au delà d’une température de quelques centaines de degrés (dite température de Curie), les matériaux ferromagnétiques perdent leur magnétisme, en raison de l’agitation thermique. La température augment de façon très importante lorsqu’on pénètre dans la Terre et l’hypothèse d’un définitivement écartée.
        Les physiciens Orsted et Ampère avaient montré en 1820 la relation entre courants électriques et champ magnétique, et Ampère proposa l’hypothèse d’un courant électrique se propageant dans la Terre perpendiculairement au méridien magnétique.   
    Mais l’origine en restait inconnue et par ailleurs, ce courant non entretenu se dissiperait, en raison de la résistivité, en quelques milliers d’années.
        Or certaines coulées volcaniques contiennent des éléments ferromagnétiques, qui s’alignent dans le champ magnétique terrestre du moment, et ils montrent que le champ magnétique terrestre existe depuis plusieurs milliards d’années.
        De plus, en 1906, le géophysicien Bernard Brunhes a découvert grâce à ces fossiles, que le champ magnétique terrestre s’était inversé au cours des époques très lointaines, la dernière inversion remontant à 773 000 ans.
        Depuis ce phénomène a été étudié et le schéma ci-dessous montre les dates de cette évolution (en millions d’années avant notre ère. Les périodes d’inversion correspondaient à une décroissance plus rapide de la déclinaison , l’inversion mettant quelques milliers d’années à se produire.
    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Numeriser-copie-2.jpg    Le Le phénomène de production du champ magnétique est donc très complexe et en 1919 le physicien Joseph Larmor, de l’université de Cambridge proposa un mécanisme où une partie de l’énergie mécanique d’un fluide conducteur et convertie en courant électrique et en champ magnétique, sans qu’aucun aimant ne soit nécessaire pour initier ce phénomène, qui repose sur une instabilité. C’est ce que l’on appelle « l’effet dynamo » que je vais expliquer.

        Dans une dynamo de vélo la roue fait tourner un aimant permanent dans un bobinage, ce qui crée un courant électrique. de même si l’on fait tourner un disque dans le champ d’un aimant, ou si on remplace l’aimant par un bobinage parcouru par un courant (voir schéma ci-dessous).
    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Numeriser3.jpg
        Le courant produit dans le bobinage interne produit lui même un champ et si le bobinage externe est dans le bon sens, le courant qui le parcourt va augmenter, lequel augmentera le champ induit….. On a ainsi une auto-augmentation des champs et des courants : c’est l’effet dynamo.
        Pour amorcer le phénomène, il suffit d’une petite instabilité électrique ou magnétique si petite soit elle, car elle est très fortement amplifiée; C’est une instabilité.
        Un autre exemple d’instabilité est l’effet « Larsen » bien connu. Quand un micro et un haut parleur sont branchés sur un amplificateur, et que ke gain de celui-ci est trop important, il suffit du moindre petit bruit (une instabilité) pour provoquer l’équivalent de l’effet dynamo, et un son strident dans le haut parleur, que l’on ne peut arrêter qu’en diminuant le gain de l’amplificateur.   
    La boussole et le champ magnétique terrestre.    En 2006, Von Karman, à Cadarache a montré en pratique cet effet dynamo en faisant tourner du sodium fondu, contenu dans un cylindre et brassé aux deux extrémités par deux disques munis de pales tournant en sens inverse (voir figure).
        Un champ magnétique est apparu et, en faisant tourner les disques à des vitesses différentes, on a réussi à créer une inversion progressive du champ magnétique.   

        Vous avez maintenant les éléments théoriques pour comprendre ce qui se passe sous nos pieds, au centre de la Terre et qui explique le magnétisme terrestre..
        Demain je décrirai l’application de l’effet dynamo au centre de la terre dans un noyau constitué à 80% de fer liquide à haute pression et haute température.

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