Chasse au trésor

Utiliser le magnétomètre de Fizziq comme détecteur de métal

Le champ magnétique terrestre nous entoure en permanence, même si nous ne le percevons pas directement. Certains objets métalliques, en particulier ceux qui contiennent du fer ou de l’acier, modifient localement ce champ. Cette propriété est utilisée dans de nombreux domaines, comme la prospection géophysique, la sécurité ou la recherche d’épaves sous-marines. Les smartphones possèdent un magnétomètre, un capteur capable de mesurer l’intensité et la direction du champ magnétique. Dans cette activité, l’élève transforme son smartphone en détecteur d’objets métalliques cachés. Il explore une zone, observe les variations du champ magnétique et apprend à relier ces variations à la présence d’un objet ferromagnétique. L’activité permet de découvrir le magnétisme de façon concrète et ludique. Elle initie aussi à une démarche scientifique fondée sur l’observation, l’hypothèse et l’interprétation de mesures.

Résumé :

L'élève utilise le magnétomètre de son smartphone pour détecter des objets métalliques cachés sous une couverture ou dans du sable, en utilisant le magnétomètre de FizziQ. Activité adaptée au Cycle 3, Collège.

Niveau :

Auteur :

Durée :

5e–3e

FizziQ

30-50 minutes

Objectif pédagogique :

- 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 :

- Champ magnétique terrestre
- Magnétomètre
- Ferromagnétisme
- Intensité du champ magnétique
- Perturbation locale du champ
- Métaux ferromagnétiques et non ferromagnétiques
- Détection indirecte
- Mesure expérimentale

Capteurs :

- Magnétomètre

Matériel :

- Smartphone ou tablette avec l'application FizziQ (ou une application équivalente comme Physics Toolbox permettant 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 pour noter les observations

Protocole expérimental :

Notions abordées dans cette activité

✔ Champ magnétique et interactions avec les matériaux : comprendre comment certains objets influencent le champ magnétique.

✔ Fonctionnement d’un magnétomètre : apprendre à utiliser un capteur pour mesurer des variations de champ magnétique.

✔ Méthodologie scientifique : formuler des hypothèses, collecter des données et analyser des résultats.

✔ Applications en exploration et prospection : découvrir comment cette technique est utilisée pour rechercher des objets cachés, comme des épaves en mer.

Manipulation effectuée par l’élève

Sélectionner et cacher un objet métallique sous une couverture ou dans du sable.
Calibrer le magnétomètre de l’application FizziQ pour s’assurer de mesures précises.
Explorer la zone en balayant méthodiquement et en observant les variations du champ magnétique.
Noter les changements détectés, comparer l’intensité des mesures selon le type et la taille des objets.
Répéter l’expérience avec différents objets pour analyser leurs effets sur le champ magnétique.
Interpréter les résultats pour comprendre quels objets sont les plus facilement détectables et pourquoi.
Faire un parallèle avec la recherche d’épaves et consigner les observations dans le cahier d’expérience.

Explication scientifique pour l’enseignant

1. Le champ magnétique et ses interactions avec la matière

Le champ magnétique terrestre est en permanence modifié par la présence de certains objets métalliques. Les matériaux ferromagnétiques (fer, acier, nickel, cobalt) influencent fortement ce champ, tandis que les matériaux non magnétiques(aluminium, cuivre, or) n’ont quasiment aucun effet détectable.

2. Fonctionnement du magnétomètre

Un magnétomètre mesure la force et l’orientation du champ magnétique environnant. Dans un smartphone, il repose sur l’effet Hall ou la résonance magnétique nucléaire, permettant de détecter des variations fines du champ terrestre. Lorsqu’un objet métallique est proche, il modifie localement ce champ, ce qui entraîne des variations mesurables par le capteur.

3. Applications pratiques et scientifiques

Cette technique est utilisée dans plusieurs domaines :

Archéologie sous-marine : détection d’épaves et d’objets métalliques sous l’eau.
Prospection géophysique : cartographie des anomalies magnétiques pour identifier des gisements minéraux.
Sécurité et déminage : localisation d’objets métalliques enfouis dans le sol.

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 :

- 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 ?

Analyse scientifique

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, nickel ou cobalt) perturbent significativement le champ magnétique terrestre (d'environ 25-65 μT) en créant leurs propres champs magnétiques locaux. 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) sont moins détectables car ils ne sont pas magnétisables. Cette technique est utilisée professionnellement pour la détection d'épaves sous-marines, de mines terrestres ou d'objets archéologiques. La principale limitation est la profondeur de détection qui diminue avec la taille de l'objet selon une relation approximative de 10 fois le diamètre de l'objet. 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.

Variantes 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

Activités et ressources associées

- Oriente-toi avec un magnétomètre ! : Trouver la direction du nord en utilisant un magnétomètre

- Règle magnétique : Mesurer la vitesse d'un objet mobile grâce à des aimants placés à intervalles réguliers et au magnétomètre du smartphone.

- Plus léger : Est-on moins lourd en avion ?

- Loi de Biot-Savart : Etude de la loi de Biot-Savart pour une bobine

Pour aller plus loin :

Pourquoi la boussole d'un smartphone n'est pas affectée par les aimants ? Coment fonctionne un magnétomètre et comment les magnétomètres d'un smartphone sont calibrés. On y découvre notamment que la plupart des applications utilisant les mgnétomètres de smartphones peuvent facilement donner des résultats incohérents.
Technologies de l'archéologie sous-marine - The Conversation / DRASSM Article du DRASSM expliquant le protocole réel de prospection : le magnétomètre est tracté par un navire au-dessus du fond et détecte les anomalies magnétiques générées par les masses métalliques d'une épave ; la cartographie de ces anomalies précède l'inspection visuelle par ROV ou plongeur.
Géophysique marine - SHOM Le Service Hydrographique de la Marine décrit comment le magnétomètre Seaspy mesure en permanence l'intensité du champ magnétique total (contributions interne, externe et lithosphérique) pour détecter les épaves et munitions enfouies sur le fond marin — directement liée à la sécurité de la navigation.
Ferromagnétisme - Wikipédia Article expliquant pourquoi seuls les métaux ferromagnétiques (fer, nickel, cobalt) perturbent le champ magnétique environnant — ce qui justifie que l'or, l'argent et le cuivre ne soient pas détectables au magnétomètre, une limite directement rencontrée dans l'activité.

FAQ

Q: Qu'est-ce que le champ magnétique ?
R: La principale limitation est la profondeur de détection qui diminue avec la taille de l'objet selon une relation approximative de 10 fois le diamètre de l'objet.

Q: Comment fonctionne le magnétomètre du smartphone dans FizziQ ?
R: 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.

Q: Quelles sont les principales sources d'erreur ou limites de cette expérience ?
R: 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.