Détection magnétique d'objets
Utiliser le magnétomètre de Fizziq comme détecteur de métal
Description détaillée
Cette manipulation permet aux élèves d’explorer l’interaction entre les matériaux et le champ magnétique terrestre, en observant comment les objets ferromagnétiques modifient localement les mesures du magnétomètre. Elle illustre des concepts du magnétisme et introduit des applications pratiques du magnétomètre, comme l'archéologie sous-marine ou la prospection géophysique. FizziQ permet de mesurer en direct le champ magnétique avec l'instrument Magnétomètre et de consigner les observations dans le cahier d'expérience.
Objectifs pédagogiques
- Utiliser un magnétomètre pour détecter la présence d’objets métalliques cachés
- Comprendre que certains matériaux modifient localement le champ magnétique terrestre
- Comparer les effets de différents objets sur les mesures du magnétomètre
- Adopter une méthode de recherche organisée à partir de mesures expérimentales
- Relier une mesure physique à une application concrète de détection
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Magnétomètre
Capteurs
- Magnétomètre
Fonctionnalités FizziQ
- Cahier d'expérience — Consigner la valeur de référence, les distances de détection et les objets testés pendant la chasse au trésor.
Matériel nécessaire
- Smartphone ou tablette avec l'application FizziQ, utilisant l'instrument Magnétomètre pour l'acquisition des données du capteur magnétomètre du smartphone
- Divers objets métalliques de tailles et compositions différentes
- Objets non métalliques pour comparaison
- Couverture, tissu épais ou bac à sable pour cacher les objets
- Espace de recherche dégagé
- Cahier d'expérience FizziQ pour noter les observations
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil de mesure comparable.
Protocole expérimental
Ouvre FizziQ et sélectionne l'instrument Magnétomètre dans le menu Mesures.
Observe la valeur du champ magnétique affichée. Note cette valeur de référence quand tu es loin de tout objet métallique.
Cache un objet métallique contenant du fer ou de l'acier (clés, trombones, pièces de 1, 2 ou 5 centimes d'euro, qui sont en acier cuivré) sous une couverture, dans une boîte ou dans le sable. Attention : les pièces de 10 à 50 centimes sont en « or nordique », un alliage de cuivre non magnétique — tu pourras d'ailleurs le vérifier plus tard !
Approche lentement ton smartphone de la zone où se trouve l'objet caché.
Observe les variations du champ magnétique. À quelle distance détectes-tu une variation significative ?
Note la valeur maximale du champ magnétique mesurée et la distance à laquelle tu l'as détectée.
Répète l'expérience avec différents objets métalliques. Tous produisent-ils le même effet ?
Essaie de cacher plusieurs objets et demande à un camarade de les retrouver avec le magnétomètre.
Documente tes observations dans ton cahier d'expérience FizziQ.
Résultats attendus
Lorsque le smartphone s’approche d’un objet ferromagnétique caché, la valeur mesurée par le magnétomètre varie de manière notable par rapport à la valeur de fond. Cette variation est généralement plus forte pour les objets contenant du fer ou de l’acier que pour les objets en aluminium, en cuivre ou en plastique. Les objets plus gros ou plus proches du capteur produisent en général une perturbation plus importante. Si l’objet est trop profond ou trop petit, la variation peut devenir difficile à distinguer du bruit de mesure. Des perturbations parasites peuvent aussi apparaître en présence d’autres objets métalliques proches, d’aimants ou d’appareils électriques. L’élève constate ainsi que la détection dépend à la fois de la nature de l’objet et des conditions expérimentales.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi certains objets métalliques sont-ils plus faciles à détecter que d’autres ?
- Pourquoi un objet en plastique ou en bois ne perturbe-t-il presque pas la mesure ?
- Comment la distance entre l’objet et le smartphone influence-t-elle la détection ?
- Pourquoi faut-il balayer la zone de manière régulière et méthodique ?
- Quelles perturbations peuvent fausser les mesures du magnétomètre ?
- En quoi cette expérience ressemble-t-elle à la recherche d’une épave ou d’un objet enfoui ?
Explications scientifiques
Le magnétomètre d'un smartphone mesure le champ magnétique dans les trois directions de l'espace avec une sensibilité d'environ 0,1 μT. Les matériaux ferromagnétiques (contenant du fer, du nickel ou du cobalt) s'aimantent sous l'effet du champ magnétique terrestre (dont l'intensité vaut entre 25 et 65 µT selon le lieu, environ 47 µT en France). Cette aimantation induite déforme localement les lignes du champ terrestre, et beaucoup d'objets en acier conservent en plus une aimantation rémanente propre. C'est cette perturbation locale que le magnétomètre détecte. Cette propriété permet leur détection même sous une couche de sable ou de terre. La perturbation dépend de la masse du métal, de sa composition et de sa distance au capteur. Les objets en métaux non ferreux (aluminium, cuivre, or nordique des pièces de 10 à 50 centimes) sont pratiquement indétectables avec un magnétomètre : leur aimantation induite est trop faible pour être distinguée du bruit de mesure. C'est une différence importante avec les détecteurs de métaux classiques, qui fonctionnent par induction électromagnétique (courants de Foucault) et repèrent tous les métaux conducteurs, alors que le magnétomètre du smartphone ne « voit » que les matériaux ferromagnétiques. Cette technique est utilisée professionnellement pour la recherche d'épaves sous-marines, la détection de munitions enfouies et la prospection archéologique ou géologique. La principale limitation est la portée de détection : le champ créé par un objet aimanté décroît très vite avec la distance, approximativement comme celui d'un petit aimant (en 1/r³). Doubler la distance divise donc la perturbation par huit environ. En pratique, avec le magnétomètre d'un smartphone, un petit objet (trombone, clé) n'est détectable qu'à quelques centimètres, tandis qu'un objet massif en acier peut l'être à une ou plusieurs dizaines de centimètres — les valeurs exactes dépendent du capteur et de l'objet, et c'est précisément ce que l'élève mesure dans cette activité. Les magnétomètres professionnels, mille fois plus sensibles, détectent une épave à plusieurs mètres. Le magnétomètre des smartphones est parfois calibré automatiquement par le système d'exploitation, ce qui peut rendre les mesures difficiles lorsqu'on déplace l'appareil lentement. Pour contourner ce problème, FizziQ propose un accès direct aux données brutes du capteur.
**Pour aller plus loin :** - « Expériences avec un smartphone autour du magnétisme et de la tectonique des plaques », APBG Bulletin 4-2022 : télécharger - Fiche glossaire FizziQ « Magnétomètre » : consulter
Extensions possibles
- Comparer la détection d’objets en fer, en aluminium, en cuivre et en plastique
- Étudier l’effet de la profondeur en enterrant le même objet à différentes distances du capteur
- Réaliser une cartographie simple du champ magnétique sur une zone quadrillée
- Comparer la détection d’un objet compact et d’un objet allongé
- Organiser une chasse au trésor par équipes avec plusieurs objets cachés
Questions fréquentes
Qu'est-ce que le champ magnétique ?
Le champ magnétique est une grandeur vectorielle qui décrit l'influence magnétique d'un aimant, d'un courant électrique ou de la Terre elle-même. Il est caractérisé en chaque point par une direction et une intensité, mesurée en teslas (T). Le champ magnétique terrestre, très faible, se mesure en microteslas (µT) : environ 47 µT en France.
Comment fonctionne le magnétomètre du smartphone dans FizziQ ?
Le magnétomètre intégré mesure le champ magnétique selon trois axes en microteslas. FizziQ permet d'afficher l'intensité totale et chaque composante, ce qui est utile pour détecter des aimants, des courants ou étudier le champ magnétique terrestre.
Quelles sont les principales sources d'erreur ou limites de cette expérience ?
Le magnétomètre des smartphones est parfois calibré automatiquement par le système d'exploitation, ce qui peut rendre les mesures difficiles lorsqu'on déplace l'appareil lentement. Les mesures peuvent aussi être faussées par l'environnement : table à structure métallique, coque de téléphone contenant un aimant, chargeur ou enceinte à proximité. Il est conseillé de faire la mesure de référence loin de toute masse métallique et de retirer les accessoires aimantés du smartphone.
Prêt à commencer ?
Téléchargez FizziQ et lancez cette activité avec vos élèves.