Chapitre 3 · Magnétisme : pôles, lignes de champ et boussole
Aimants et champ terrestre
Pôles et lignes de champ
Un morceau de magnétite, un aimant naturel fait du minéral du même nom, repose dans la scène pendant que la limaille de fer se dépose autour. Elle s’aligne en courbes qui vont d’un bout, le pôle nord, jusqu’à l’autre, le pôle sud. Ces courbes sont les lignes de champ, et le champ est le plus fort là où elles se serrent. Coupez un aimant en deux et vous n’obtenez pas un nord seul et un sud seul, mais deux aimants plus petits, chacun avec ses deux pôles. Un pôle magnétique isolé n’a jamais été observé.
Aimants face à aimants
Approchez deux aimants. Nord contre nord se repousse, nord contre sud s’attire : les pôles identiques se repoussent et les pôles opposés s’attirent. La force augmente vite quand l’écart diminue. Un aimant de réfrigérateur typique crée à sa surface un champ d’environ 5 mT, alors que le champ terrestre au sol est d’environ 50 µT et varie entre 25 et 65 µT. Divisez : 5 × 10⁻³ / 50 × 10⁻⁶ = 100. L’aimant de frigo est une centaine de fois plus fort que la planète, mais seulement à quelques centimètres, car son champ s’affaiblit vite avec la distance.
La boussole
Une aiguille aimantée sur un pivot se tourne pour indiquer à peu près le nord. Des auteurs chinois décrivent des aiguilles aimantées au XIᵉ siècle, et les Notes du ruisseau des rêves de Shen Kuo, vers 1088, remarquent qu’une telle aiguille ne pointe pas exactement vers le nord et le sud. Les navires ont emporté des boussoles peu après. La Terre elle-même est un aimant, et les scientifiques pensent que son champ naît du fer liquide en mouvement dans le noyau externe. Une boussole trouve le nord magnétique, qui n’est pas le nord géographique de l’axe de rotation. L’écart s’appelle la déclinaison : à 10°, une marche de 5 km suivant le cap de la boussole finit à 5 × tan 10° ≈ 0,9 km sur le côté.
Des domaines dans le fer
Zoomez dans le fer et la scène montre de minuscules régions appelées domaines, chacune une foule d’atomes dont les petits aimants pointent dans le même sens. Dans un clou ordinaire, les domaines pointent dans tous les sens et s’annulent. Un aimant est un fer dont les domaines se sont alignés. Le marteler ou le chauffer les désaligne. Au-dessus du point de Curie, que Pierre Curie a étudié dans les années 1890, le fer cesse d’être magnétique. Pour le fer, il se situe vers 770 °C, soit 770 + 273,15 ≈ 1 043 K. Une fois refroidis, les domaines ne se réalignent en général pas d’eux-mêmes.
Un bouclier autour de la planète
Le champ terrestre s’étend loin dans l’espace et forme la magnétosphère. Il dévie autour de la planète les particules chargées du vent solaire. Les scientifiques pensent que Mars, qui a perdu son champ global il y a longtemps, a aussi perdu une grande part de son air à cause du vent solaire. Certaines particules descendent en spirale le long des lignes de champ près des pôles et rencontrent la mince haute atmosphère, où elles forment les rideaux lumineux de l’aurore. Dans la scène, les lignes de champ enveloppent le globe comme les pelures d’un oignon, pendant qu’un flot de particules glisse à côté.
Des bandes dans la roche
La lave qui refroidit sur le fond marin fige la direction du champ de ce moment-là. Les cartes des fonds océaniques des années 1950 et 1960 ont montré des bandes de roche aimantées en sens alternés de part et d’autre des dorsales océaniques. La meilleure explication, publiée en 1963 par Fred Vine et Drummond Matthews et, indépendamment, par Lawrence Morley, est que le champ s’est renversé bien des fois pendant que le plancher océanique s’écartait comme deux tapis roulants. Le dernier renversement complet date d’environ 780 000 ans. À 2 cm par an, le plancher s’est éloigné de la dorsale de 0,02 × 780 000 = 15 600 m, soit environ 16 km, depuis lors.
En chiffres
- ≈ 770 °C
- point de Curie du fer : il perd son magnétisme
- ≈ 50 µT
- le champ terrestre au sol (25–65 µT)
- ≈ 780 000 ans
- depuis le dernier renversement complet du champ