Pourquoi la boussole d'un smartphone n'est pas affectée par les aimants ?

Vous avez probablement déjà tenté de perturber une boussole en approchant un aimant, mais avez-vous essayé de faire la même chose avec la boussole électronique de votre smartphone ? Dans la vidéo ci-dessous, nous avons mené l’expérience, et le résultat est surprenant : la boussole du smartphone semble rester insensible à l’approche d’un aimant.

Pourquoi un tel comportement ? Et quelles en sont les implications pour la mesure des champs magnétiques avec un smartphone ? Peut-on avoir confiance dans les données du magnétomètre ? C’est ce que nous allons explorer dans cet article.

1. A quoi sert un magnétomètre dans un smartphone ?

Si l’accéléromètre a fait partie intégrante des smartphones dès les premières générations, avec pour fonction initiale de déterminer l'orientation horizontale ou verticale de l'appareil, les capteurs magnétiques (ou magnétomètres) n'ont été ajoutés que bien plus tard. Le HTC Dream, lancé en octobre 2008, est souvent considéré comme le premier smartphone Android à intégrer officiellement un capteur magnétique. Chez Apple, l’iPhone 3GS, sorti en juin 2009, est le premier iPhone à embarquer un magnétomètre.

Pourquoi un tel délai ? A l'époque la fonctionalité principale des magnétomètres dans les smartphones était la boussole numérique. Cette fonctionnalité était utile pour la navigation, qu’il s’agisse de randonnée ou de conduite automobile, mais elle ne suffisait pas à justifier à elle seule le surcoût et les efforts nécessaires à l'intégration de ce capteur. D'autant plus que le magnétomètre est très sensible aux éléments éxtérieurs et donc n'était pas toujours fiable.

Cependant avec l'augmentation des capacités de calcul des smartphones sont apparu de nouvelles applications, comme les jeux motion-based ou la réalité virtuelle et la réalité augmentée, qui demandent une nouvelle fonctionnalité : la capacité la capacité à suivre précisément la position du smartphone dans l’espace. Par exemple en bougeant son smartphone on peut piloter une voiture ou un vaisseau spatial ou observer les différentes face d'un objet virtuel. Ce sont ces applications qui ont poussé les constructeurs à intégrer dans les smartphones de nouveaux capteurs, dont en particulier le magnétomètre, pour le plus grand plaisir des jouers ... et des scientifiques.

2. S'orienter dans l'espace au meilleur coût

Pour déterminer la position d’un objet à un instant donné, deux approches sont possibles :

1. Utiliser un référentiel fixe : Cette méthode consiste à disposer d’un référentiel immobile et d’un instrument capable de mesurer l’orientation par rapport à ce référentiel.

2. Calculer les variations incrémentales : Partant d’une position connue, on mesure les changements successifs à travers les mesures d'accélération et de rotation pour déduire la nouvelle position.

Les sous-marins utilisent cette deuxième méthode. Grâce à des gyroscopes et des accéléromètres extrêmement précis, ils peuvent naviguer sans repères externes pendant plusieurs jours. Cependant, l'accumulation d’erreurs (dérive) peut entraîner des écarts de plusieurs kilomètres par rapport à leur position réelle.

Pour les smartphones, qui subissent des déplacements beaucoup plus limités, le magnétomètre est une alternative très avantageuse car le champ magnétique terrestre est un très bon référentiel local. Il offre plusieurs atouts :

• Simplicité des calculs : Les mesures sont directement liées au champ magnétique terrestre.

• Absence de dérive : Contrairement aux gyroscopes et accéléromètres, il n’y a pas d’accumulation d’erreurs.

• Faible consommation d’énergie : Un magnétomètre consomme entre 10 µA et 500 µA, tandis qu’un accéléromètre consomme environ 10 fois plus et un gyroscope jusqu’à 100 fois plus.

Étant donné les capacités limitées des batteries des smartphones, cette faible consommation est un atout majeur, car elle permet de préserver l’autonomie tout en assurant des mesures fiables et économiques.

3. La difficile mesure du champ magnétique

Si le magnétomètre semble être l’instrument idéal pour déterminer la position dans l’espace d’un smartphone, un obstacle majeur complique son utilisation : la faible intensité du champ magnétique terrestre.

Le champ magnétique terrestre a une intensité d’environ 50 microteslas, répartie entre une composante horizontale (utile pour déterminer le nord) et une composante verticale (indiquant la latitude magnétique). À titre de comparaison, un simple aimant naturel, comme la magnétite, peut générer un champ atteignant 0,05 tesla – soit mille fois plus intense. Cela signifie que le moindre champ magnétique parasite à proximité du capteur peut fausser totalement les mesures. Par exemple, une vidéo démontre que le magnétomètre d’un smartphone peut détecter le champ généré par une simple boussole en rotation, même à une distance de vingt centimètres.

Sensibilité du magnétomètre à la rotation d'une boussole

Les aimants ne sont pas les seuls responsables des erreurs : divers matériaux peuvent également perturber les mesures en modifiant ou en déformant le champ magnétique.

Matériaux ferromagnétiques (fer, nickel, cobalt, acier) : Ils s’aimantent durablement et interagissent fortement avec le champ magnétique.

Matériaux paramagnétiques (aluminium, platine, magnésium) : Faiblement attirés par le champ, car leurs électrons non appariés s’alignent temporairement avec lui.

Matériaux diamagnétiques (cuivre, or, graphite, eau) : Légèrement repoussés par le champ, car leurs électrons appariés créent un champ opposé.

En outre, les circuits internes du smartphone génèrent eux-mêmes des perturbations. Les courants électriques qui traversent les composants produisent des champs magnétiques proportionnels à l’intensité des courants et à la disposition des circuits. Ces champs varient en fonction des activités du smartphone, comme le processeur en fonctionnement ou les communications réseau. Par conséquent, ces champs parasites interfèrent directement avec les mesures du magnétomètre, rendant les données moins fiables si la calibration n’est pas rigoureuse.

Pour des mesures précises, il est donc nécessaire de calibrer le magnétomètre afin de compenser les influences des matériaux environnants et des champs parasites produits par le smartphone lui-même.

4. La calibration statique

Pour corriger les différents effets qui perturbent le champ magnétique ambiant et empêchent le magnétomètre de détecter correctement la direction et l’intensité du champ terrestre, les ingénieurs ont mis au point un mécanisme de calibration.

Deux grandes catégories de perturbations sont visées : l’effet hard iron, dû à des éléments aimantés en permanence (comme une vis ou un aimant de haut-parleur), et l’effet soft iron, qui résulte de matériaux non aimantés déformant localement les lignes du champ.

Pour compenser ces perturbations, on fait décrire au smartphone un large éventail de mouvements (par exemple la fameuse figure en « huit »). Avec cette figure, le magnétomètre est exposé à toutes les orientations, ce qui permet de corriger les erreurs de biais et d'échelle tout en compensant les perturbations locales.

En appliquant ces corrections, le système parvient à fournir une mesure beaucoup plus fiable du champ magnétique, indispensable pour indiquer précisément la direction du champ magnétioque terrestre, et le positionnement du smartphone dans l'espace.

5. La calibration dynamique

   
   

La calibration statique permet de déterminer l'ensemble des ajustements nécessaires pour isoler le champ magnétique terrestre de toutes les perturbations internes du smartphone. Mais que se passe-t-il lorsque l’on approche un aimant du téléphone, ou qu’on le place dans une voiture ? On sait que les mesures seront perturnées et que le magnétomètre sera inutile. Comment compenser ces éléments perturbateurs ?

Les premières versions de smartphones obligeaient l'utilisateurs à recalibrer l'appareil dès que l’environnement changeait, en décrivant le fameux huit de calibration.

Progressivement, les développeurs ont cependant mis au point des algorithmes plus sophistiqués, capables de détecter et compenser automatiquement les variations anormales du champ magnétique en mesurant en permanence le champ magnétique détecté et en le comparant à sa valeur théorique. Pour cela le système utilise l'accéléromètre et le gyroscope.

Ainsi, si le téléphone est posé sur une table et qu’on y approche un aimant, le logiciel va détecter le champ additionnel, mesurer la variation sur les trois axes et ajuster la calibration pour aligner la valeur sur le champ initial. Que se passe-t-il si, en même temps, on fait tourner le téléphone ? Le gyroscope et l’accéléromètre sont alors utilisé pour pour calculer la rotation du smartphone, estimer le champ magnétique « théorique » sans l’aimant, et adapter la correction en conséquence.

6. Le problème de la fusion des capteurs

Aujourd’hui, dans un smartphone, il est difficile de dissocier les trois capteurs de positionnement que sont le magnétomètre, le gyroscope et l’accéléromètre. Ces capteurs fonctionnent en synergie pour fournir des informations de positionnement précises tout en minimisant la consommation énergétique.

Cette intégration des capteurs, combinée à d’autres comme le GPS, est appelée fusion des capteurs. Le système d’exploitation du smartphone analyse en permanence les données de ces capteurs et effectue des ajustements en fonction des objectifs ou des fonctionnalités utilisées. Par exemple, pour économiser de l’énergie, le smartphone privilégiera le magnétomètre ou l’accéléromètre dans certaines situations, et activera le GPS uniquement si nécessaire.

Si cette fusion est bénéfique pour l’utilisateur et les applications spécialisées, elle pose un défi pour les scientifiques et les enseignants. En effet, les données brutes des capteurs sont plus difficiles à récupérer, et les données en libre accès sont souvent altérées par les ajustements constants du système, comme la calibration automatique. Ces modifications compliquent l’interprétation des données pour des expériences ou des analyses précises.

Ceci est particulièrement vrai dans le cas du magnétomètre. La quasi totalité des applications qui proposent des mesurent du champ magnétique utilisent des données compensées qui ne reflètent pas la réalité et donc avec lesquels il est difficile de faire des mesures fiables.

7. Mesurer le champ magnétique réel

Pour mesurer le champ magnétique réel, il faut donc à la fois accéder aux données brutes du magnétomètre, puis tenir compte des composants internes du smartphone (effets hard iron et soft iron). C’est ce que propose FizziQ avec la fonction « Champ Magnétique Brut ».

Cette fonction fait partie d'un ensemble de mesures que nous avons développé dans FizziQ et qui permettent un accès direct aux valeurs brutes des accéléromètres. L'enseignant dispose ainsi de plusieurs outils permettant de mener une grande variété d’expériences en classe sur le magnétisme sans utiliser d'appareil extérieur autre qu'un smartphone :

a. Champ Magnétique Automatique

• C’est la valeur calibrée fournie par le smartphone, adaptée à une utilisation type boussole.

  
  

b. Champ Magnétique Brut

• Il s’agit de la lecture directe du magnétomètre, sans ajustement.

• On peut l’aligner avec la valeur théorique en appuyant sur « Calibration », ce qui calcule des correctifs statiques (hard iron et soft iron) sans les réactualiser en continu. De cette manière, la mesure reste cohérente pour analyser le champ magnétique réel.

  
  

c. Champ Y & Déviation du Nord Magnétique

• FizziQ calcule le champ magnétique réel selon l’axe Y, ainsi que l’angle entre le champ mesuré et le Nord magnétique.

• On retrouve bien qu'un aimant affecte le champ magnétique et la direction de la boussole.

  
  

8. Expériences en classes sur le champ magnétique

   
   

Correctement utilisé, le magnétomètre présent dans les smartphones est un outil extrèmement pratique pour les enseignants qui peuvent illustrer rapidement différentes notions liées au champ magnétique terrestre, aux lois de Biot-Savart et aux propriétés des dipôles magnétiques :

a. Champ magnétique terrestre

• En observant la composante y du champ magnétique, les élèves peuvent déterminer la composante horizontale de ce champ et vérifier correspondant à la direction Nord pour la boussole. ➡️ Consulter cette activité

• Ils peuvent ainsi mettre en évidence de l'inclinaison magnétique (angle du champ magnétique avec le plan horizontal) la dépendance de cet angle à la latitude et vérifier le lien entre l’orientation du champ terrestre et la géographie. ➡️ Consulter cette activité

  
  

b. L'effet Oersted

• En plaçant un smartphone au cœur d’une bobine parcourue par un courant, on peut vérifier expérimentalement les lois de Biot-Savart et d’Ampère. ➡️ Consulter l'activité sur la loi de Biot-Savart

• Cette approche permet de mieux comprendre comment un champ magnétique se crée et se distribue autour d’un conducteur enroulé.

  
  

c. Dipôle magnétique

• Grâce au magnétomètre, il est possible de cartographier la valeur du champ produit par un aimant droit (dipôle) en différents points de l’espace.

• On vérifie alors la loi de Coulomb adaptée au magnétisme, qui prévoit une décroissance en 1/d31/d3 de l’intensité du champ avec la distance.

  
  

d. Propriétés magnétiques des matériaux

• À l’aide du magnétomètre, on met en évidence la façon dont différents métaux (ferromagnétiques, paramagnétiques ou diamagnétiques) interagissent avec un champ magnétique.

• Les résultats obtenus peuvent servir à illustrer des applications concrètes, comme la recherche d’objets métalliques enfouis dans le sable ou la détection de navires engloutis. ➡️ Consulter l'activité Chasse au Trésor Magnétique

9. Conclusion

Le magnétomètre est un composant essentiel des smartphones, à la fois pour la navigation (en identifiant la direction du champ magnétique terrestre) et pour fournir, avec une consommation électrique minimale, une mesure fiable de l’orientation du téléphone dans l’espace. Cette précision est particulièrement utile pour les jeux interactifs et les applications de réalité virtuelle ou augmentée.

Cependant, utiliser ce capteur en classe nécessite une compréhension approfondie de son fonctionnement, notamment des mécanismes d’acquisition des données et des biais introduits par les processus de calibration automatiques des smartphones qui perturbent les mesures.

C’est dans cette optique que nous avons développé, au sein de FizziQ, un module d’instruments dédié à la mesure du champ magnétique. Ce module permet aux enseignants de proposer une grande variété d’expériences en classe, comme l’étude du champ magnétique terrestre, des dipôles magnétiques, de l’effet Oersted ou encore des propriétés magnétiques de différents matériaux.