Magnétomètre

Un magnétomètre est un appareil utilisé pour mesurer les champs magnétiques. Dans un smartphone il est utilisé pour les applications de navigation mais également pour déterminer l’orientation des smartphones. En sciences le magnétomètre des smartphones peut être utilisé pour réaliser un grand nombre d’expériences sur l’électromagnétisme.

Observer expérimentalement le magnétomètre

FizziQ affiche les trois composantes du champ magnétique et sa norme en microteslas, et donne accès au champ brut, non retouché par le système d’exploitation.

Étapes :

• Localiser le magnétomètre dans le smartphone : promener un petit aimant le long des bords de l’appareil et repérer où la mesure s’emballe, généralement vers le haut du boîtier.
• Calibrer le capteur en décrivant un grand 8 dans l’air avec le smartphone, geste qui lui fait explorer toutes les orientations et lui permet de corriger son décalage de zéro.
• S’éloigner des tables métalliques, des radiateurs et des enceintes, puis relever la valeur de référence du champ terrestre, environ 47 µT en France métropolitaine.
• Approcher progressivement un aimant droit et tracer la décroissance du champ en fonction de la distance : elle est très rapide, en 1/d³ pour un dipôle, à distance grande devant la taille de l’aimant.
• Vérifier avec un objet en aluminium ou en cuivre que le capteur ne réagit pas : seuls les matériaux ferromagnétiques et les courants électriques modifient la mesure.

Activités scientifiques sur ce thème

Le magnétomètre dans les smartphones peut être délicat à utiliser car les systèmes d’exploitation des smartphones recalibrent en permanence les valeurs données par le capteur pour les adapter aux demandes de l’utilisateur. Pour cette raison, nous recommandons d’utiliser le champ magnétique brut accessible dans FizziQ pour faire des mesures sur la valeur du champ magnétique.

Un grand nombre d’expériences sont réalisables avec le magnétomètre du smartphone :

• Loi de Biot-Savart
• Détermination de la latitude magnétique
• Recherche d’objets métalliques enfouis dans le sable ou la détection de navires engloutis
• Comment fonctionne une boussole
• Mesurer une vitesse avec des jalons magnétiques

En savoir plus

Il existe plusieurs types de magnétomètres, chacun ayant des caractéristiques et des utilisations différentes. Les smartphones utilisent des magnétomètres à effet Hall ou magnétorésistifs. Dans un capteur à effet Hall, le champ magnétique dévie les porteurs de charge d’un courant traversant une fine plaque semi-conductrice, ce qui fait apparaître une tension transversale proportionnelle au champ. Dans un capteur magnétorésistif, c’est la résistance électrique d’un empilement de couches ferromagnétiques qui varie avec la direction du champ. Dans les deux cas, trois éléments orientés perpendiculairement permettent de mesurer les trois composantes du champ.

Les utilisations courantes du magnétomètre incluent :

• la navigation terrestre et maritime en utilisant les champs magnétiques terrestres pour déterminer la direction

• les études géologiques pour mesurer les champs magnétiques associés aux roches et aux minéraux

• l’analyse des propriétés magnétiques des matériaux pour les applications industrielles telles que les moteurs électriques, les aimants permanents et les dispositifs de stockage de données

• la recherche scientifique pour étudier les phénomènes magnétiques dans l’environnement naturel, comme les aurores boréales et les tempêtes solaires

Un capteur qui mesure tout, pas seulement la Terre

C’est le point qui fait rater le plus de mesures en classe. Le magnétomètre ne mesure pas « le champ terrestre » : il mesure la somme vectorielle de tous les champs présents à l’endroit du capteur. Le champ d’un pied de table métallique, d’un radiateur, d’une enceinte ou de l’aimant de rabat d’une coque de protection s’ajoute à celui de la Terre. Comme le champ terrestre ne vaut que 50 µT environ, un objet ferromagnétique proche le domine largement. D’où deux réflexes : s’éloigner des structures métalliques, et calibrer le capteur en décrivant un 8 dans l’air.

Ordres de grandeur

Champ terrestre : 25 à 65 µT selon la latitude, environ 47 µT en France. Résolution d’un magnétomètre de smartphone : elle peut atteindre 0,1 à 0,3 µT sur certains appareils, mais dépend fortement du capteur et du système. Étendue de mesure : quelques milliers de µT avant saturation. Aimant de réfrigérateur au contact : 5 000 à 10 000 µT. Aimant néodyme au contact : jusqu’à 500 000 µT. IRM médical : 1,5 à 3 T, soit 1,5 à 3 millions de µT. Champ d’un neurone dans le cerveau, mesuré en magnétoencéphalographie : de l’ordre de 10⁻⁸ µT, hors de portée d’un smartphone.

Formule

Le magnétomètre fournit trois mesures, une par axe. La norme du champ s’en déduit :

B = √(Bx² + By² + Bz²)

où :

• B : intensité du champ magnétique total (µT, avec 1 T = 10⁶ µT)
• Bx, By, Bz : composantes du champ selon les trois axes du capteur (µT)

Dans un capteur à effet Hall, la tension mesurée est proportionnelle au champ et au courant :

U_H = (R_H × I × B) / e

où :

• U_H : tension de Hall (V)
• R_H : constante de Hall du matériau (m³/C)
• I : courant traversant la plaque (A)
• B : composante du champ perpendiculaire à la plaque (T)
• e : épaisseur de la plaque (m)

L’azimut du nord magnétique, quand le smartphone est à plat, se calcule à partir des deux composantes horizontales :

θ = arctan(Bx / By)

La convention exacte dépend de l’orientation des axes de l’appareil ; avec les axes usuels (x vers la droite, y vers le haut de l’écran), l’azimut est nul quand le haut du téléphone pointe vers le nord.

Exemples d’application

• La boussole d’un smartphone combine le magnétomètre et l’accéléromètre : ce dernier repère la verticale, ce qui permet de projeter le champ mesuré dans le plan horizontal même quand l’appareil est incliné.

• Les magnétomètres des sondes spatiales ont cartographié le champ de Jupiter, dix mille fois plus intense que celui de la Terre, et démontré que Mars n’a plus de champ global.

• En archéologie, un magnétomètre traîné au-dessus d’un site révèle les fossés comblés et les fours de potiers, dont la terre cuite a gardé une aimantation rémanente, par des anomalies de quelques dizaines de nT.

• Les capteurs de fermeture d’un ordinateur portable ou d’une coque de tablette sont des capteurs à effet Hall qui détectent l’aimant du rabat.

• Un magnétomètre placé sous une route compte les véhicules en détectant la perturbation de plusieurs µT que produit leur masse métallique.

• En TP d’électromagnétisme, on vérifie la loi de Biot et Savart en mesurant le champ au centre d’une bobine : pour 100 spires de 5 cm de rayon parcourues par 0,5 A, on attend environ 630 µT, très au-dessus du champ terrestre.

FAQ

Q : Pourquoi faut-il faire un 8 avec son téléphone avant de mesurer ? R : Ce geste fait explorer au capteur toutes les orientations possibles. Le logiciel compare alors les valeurs obtenues et en déduit le décalage de zéro dû aux pièces métalliques du téléphone lui-même, qu’il soustrait ensuite. Sans cette calibration, la mesure peut être fausse de plusieurs dizaines de µT.

Q : Le magnétomètre mesure-t-il seulement le champ terrestre ? R : Non, il mesure le champ TOTAL en son point de mesure. Le champ de la Terre, celui des aimants proches, celui des masses métalliques et celui des courants électriques s’additionnent vectoriellement. C’est pourquoi il faut travailler loin de toute structure métallique si on veut caractériser le champ terrestre.

Q : Un aimant puissant peut-il abîmer le magnétomètre ? R : Le capteur lui-même n’est pas détruit, mais un aimant fort peut aimanter durablement les pièces métalliques voisines dans le téléphone et fausser toutes les mesures ultérieures. Une nouvelle calibration corrige généralement le problème.

Q : Pourquoi ma mesure ne change-t-elle pas quand j’approche une canette en aluminium ? R : Parce que l’aluminium n’est pas ferromagnétique. Seuls le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages, ainsi que les aimants et les courants électriques, produisent un champ détectable. C’est un bon moyen de faire trier aux élèves les métaux magnétiques et non magnétiques.

Q : Champ brut ou champ corrigé, lequel choisir ? R : Le champ corrigé, ou « calibré », est retouché en permanence par le système d’exploitation pour que la boussole reste stable ; il est bon pour s’orienter, mauvais pour mesurer. Pour toute expérience quantitative, il faut sélectionner dans FizziQ le champ magnétique brut.

Concepts liés

Champ magnétique - Champ magnétique terrestre - Effet Hall - Inclinaison magnétique - Déclinaison magnétique - Boussole - Téslamètre - Loi de Biot et Savart - Ferromagnétisme - MEMS