Champ magnétique terrestre

Le champ magnétique terrestre est généré par les mouvements du noyau externe en fusion et agit comme un dipôle qui protège la Terre du vent solaire. Il se mesure en microteslas (µT) et comprend une composante horizontale, qui oriente la boussole, et une composante verticale.

Observer expérimentalement le champ magnétique terrestre

L’application FizziQ affiche les trois composantes du champ magnétique mesurées par le magnétomètre du smartphone, ainsi que la norme du champ total, en microteslas (µT).

Étapes :

• Se placer loin de toute structure métallique, de tout aimant et de tout appareil électrique : une table en bois au milieu de la salle, ou mieux, la cour de l’établissement.
• Calibrer le capteur en décrivant un grand 8 dans l’air avec le smartphone, puis sélectionner dans FizziQ le champ magnétique brut plutôt que le champ corrigé par le système.
• Relever la norme du champ total en faisant tourner lentement le smartphone dans toutes les orientations : elle doit rester à peu près constante, entre 45 et 50 µT en France métropolitaine.
• Poser le smartphone à plat et relever les composantes horizontales : leur combinaison donne la direction du nord magnétique.
• Approcher un aimant, un trousseau de clés puis un radiateur, et observer de combien la norme s’écarte de la valeur du champ terrestre.
• Refaire la mesure à plusieurs endroits de l’établissement et cartographier les écarts pour repérer les structures métalliques du bâtiment.

Activités scientifiques sur ce thème

L’étude du champ magnétique terrestre permet d’aborder à la fois les domaines de la géophysique et celui de l’électro-magnétisme. Pour cette étude, le smartphone est un outil scientifique idéal grâce au magnétomètre extrêmement sensible présents dans la plupart des appareils.

Voici trois expériences qui peuvent être facilement réalisées avec un smartphone ou une tablette, en classe, sur le terrain ou à la maison :

• Utiliser un magnétomètre comme boussole
• Déterminer la latitude magnétique
• Comment un courant électrique génère un champ magnétique

**Attention : **les smartphones récents ont des logiciels qui ajustent le champ magnétique en permanence pour compenser pour les éléments perturbateurs extérieurs (aimants, composés ferro-magnétiques, champs électriques, …). Pour mesurer le champ magnétique sans interférence, il faut vérifier que le champ affiché est bien le champ magnétique brut (voir notre article sur ce sujet).

En savoir plus

Un bouclier pour l’humanité

Le champ magnétique terrestre est une force invisible qui joue un rôle clé dans la protection de notre planète et dans notre capacité à nous orienter. Il est généré par les mouvements du noyau externe, composé de fer liquide en convection, qui agit comme une dynamo naturelle. Ce champ magnétique forme une structure similaire à celle d’un dipôle magnétique, comparable à un immense aimant situé au centre de la Terre.

Un champ en trois dimensions

Le champ magnétique terrestre est un champ vectoriel, ce qui signifie qu’il a une direction et une intensité qui varient selon la position sur Terre. Il se compose de deux éléments principaux :

• La composante horizontale : elle est essentielle pour la navigation car elle indique la direction du nord magnétique, utilisée par les boussoles.
• La composante verticale : elle représente l’inclinaison du champ magnétique, qui change avec la latitude. À l’équateur magnétique, le champ est parfaitement horizontal, tandis qu’aux pôles magnétiques, il est presque vertical.

Nord Géographique vs. Nord Magnétique

Le nord magnétique ne coïncide pas exactement avec le nord géographique (l’axe de rotation de la Terre). Il se déplace lentement en raison des variations dans le noyau terrestre. Cette différence s’appelle la déclinaison magnétique, qui varie selon l’endroit où l’on se trouve et doit être prise en compte en navigation.

Un Champ magnétique en évolution

Le champ magnétique terrestre n’est pas fixe : les pôles magnétiques nord et sud se déplacent au fil du temps, et des inversions magnétiques (où le nord et le sud s’inversent) ont déjà eu lieu plusieurs fois dans l’histoire de la Terre. Ces changements sont étudiés par les scientifiques pour mieux comprendre les dynamiques internes de notre planète. On peut suivre l’évolution du pôle magnétique en suivant ce lien vers le NOAA.

Anomalies du champ magnétique

Le champ magnétique terrestre n’est pas parfaitement homogène. Il présente des anomalies magnétiques, qui sont des variations locales du champ dues à la présence de matériaux magnétiques dans la croûte terrestre. La valeur moyenne du champ magnétique terrestre est de 50 µT mais certaines régions, comme l’Atlantique Sud, présentent une intensité magnétique très différentes, influençant la navigation et le fonctionnement des satellites. L’étude de ces anomalies permet aux géophysiciens de mieux comprendre la composition interne de la Terre et l’histoire du champ magnétique, notamment les inversions magnétiques passées.

Un champ qui protège la terre

En plus de son rôle dans l’orientation, le champ magnétique terrestre est un bouclier naturel contre les particules chargées du vent solaire. Sans lui, l’atmosphère terrestre serait progressivement érodée, comme cela s’est produit sur Mars, qui ne possède plus de champ magnétique global. Sur Mars on ne pourra pas utiliser sa boussole et d’ailleurs une de nos activités parle de ce challenge pour les robots martiens (voir l’activité)

Comment le Mesurer ?

Aujourd’hui, grâce aux magnétomètres intégrés dans les smartphones, il est possible de mesurer et analyser le champ magnétique terrestre facilement. Ces capteurs permettent d’étudier la direction du champ, son intensité et même de localiser les pôles magnétiques en fonction de l’inclinaison mesurée.

Ordres de grandeur

Intensité du champ terrestre : de 25 µT environ (Amérique du Sud, anomalie de l’Atlantique Sud) à 65 µT environ près des pôles magnétiques. En France métropolitaine : environ 47 µT, avec une composante horizontale d’environ 21 µT et une composante verticale d’environ 42 µT. Inclinaison : 0° à l’équateur magnétique, environ 64° en France, proche de 90° aux pôles magnétiques. À titre de comparaison, un aimant de réfrigérateur produit 5 000 à 10 000 µT à son contact, soit plus de cent fois le champ terrestre.

Formule

Le champ magnétique terrestre est un vecteur à trois composantes. Sa norme se calcule à partir des trois mesures du magnétomètre :

B = √(Bx² + By² + Bz²)

où :

• B : intensité du champ magnétique total (µT)
• Bx, By, Bz : composantes du champ selon les trois axes du smartphone (µT)

La composante horizontale H et la composante verticale Z se déduisent de l’inclinaison magnétique i :

H = B × cos(i) et Z = B × sin(i)

où :

• H : composante horizontale, celle qui oriente l’aiguille d’une boussole (µT)
• Z : composante verticale (µT)
• i : inclinaison magnétique, angle entre le champ et l’horizontale (°)

Dans le modèle du dipôle, l’inclinaison est reliée à la latitude magnétique L :

tan(i) = 2 × tan(L)

Exemples d’application

• Une boussole de randonnée s’oriente grâce à la seule composante horizontale du champ, environ 21 µT en France : c’est pourquoi elle devient inutilisable près des pôles, où cette composante s’annule.

• Les oiseaux migrateurs, les tortues marines et certaines bactéries détectent le champ terrestre et l’utilisent comme repère de navigation.

• Les prospecteurs miniers repèrent les gisements de fer par les anomalies magnétiques locales, qui peuvent dépasser de plusieurs centaines de µT le champ moyen.

• Les aurores boréales apparaissent là où les lignes de champ guident les particules du vent solaire vers la haute atmosphère, autour des pôles magnétiques.

• Les archéologues et les démineurs utilisent des magnétomètres pour localiser des objets ferreux enfouis sans creuser.

• Le paléomagnétisme lit dans les basaltes des fonds océaniques l’orientation du champ figée lors de leur refroidissement, ce qui a permis de démontrer la dérive des continents.

FAQ

Q : Le pôle nord magnétique est-il un pôle nord au sens de la physique ? R : Non, et c’est l’un des pièges les plus fréquents. Deux pôles de même nom se repoussent. Comme le pôle nord de l’aiguille d’une boussole est attiré vers le nord géographique, ce qui s’y trouve est physiquement un pôle SUD magnétique. On l’appelle « pôle nord magnétique » par convention géographique, parce qu’il est situé dans l’hémisphère nord.

Q : Quelle différence entre déclinaison et inclinaison magnétique ? R : Ce sont deux angles différents et ils sont souvent confondus. La déclinaison est un écart en azimut, mesuré dans le plan horizontal, entre le nord magnétique et le nord géographique. L’inclinaison est l’angle que fait le champ avec l’horizontale, mesuré dans le plan vertical.

Q : Pourquoi ma mesure varie-t-elle d’un endroit à l’autre de la salle ? R : Le magnétomètre mesure le champ total, pas seulement celui de la Terre. Les armatures métalliques des tables, les radiateurs, les câbles d’alimentation et les enceintes ajoutent leur propre champ. Il faut s’éloigner de toute masse métallique pour retrouver la valeur du champ terrestre.

Q : D’où vient le champ magnétique terrestre ? R : Des mouvements de convection du fer liquide du noyau externe, entre 2 900 et 5 100 km de profondeur. Ces courants de matière conductrice engendrent des courants électriques qui entretiennent le champ : c’est l’effet dynamo. Ce n’est pas un aimant permanent, car le fer perd toute aimantation au-dessus de sa température de Curie, très largement dépassée dans le noyau.

Q : Le champ terrestre est-il dangereux ou perceptible par l’homme ? R : Non. Avec ses 50 µT environ, il est dix mille fois plus faible que le champ d’un IRM médical et l’être humain ne le perçoit pas. Il est en revanche indispensable indirectement, puisqu’il dévie le vent solaire et protège l’atmosphère de l’érosion.

Concepts liés

Magnétomètre - Inclinaison magnétique - Déclinaison magnétique - Boussole - Champ magnétique - Dipôle magnétique - Effet dynamo - Vent solaire - Latitude magnétique