Reçu aujourd’hui :  » Pourriez-vous nous faire un petit topo sur le champ magnétique terrestre et préciser en particulier la différence entre Nord magnétique et Nord géographique ?
La classe de BCPST1 vous en serait très reconnaissante…  »

Vous êtes de plus en plus durs avec moi … c’est le bizutage ou quoi ? un »petit topo » sur le champ magnétique terrestre, rien que ça.

Bon, alors évidemment, je vais commence par dire tout le mal que je pense de ces programmes pas coordonnés : le champ magnétique n’est pas au programme de physique de la bcpst. C’est clair. Et de ce fait, aucun phénomène lié au magnétisme, terrestre ou autre, n’est au programme.

Je suis pas spécialiste du magnétisme, et je manque un peu de temps pour répondre avec toute la précision souhaitable, mais bon.

1) Si on considère les choses au point de vue atomique, le magnétisme est lié à l’existence du spin des particules, et sur Terre, au spin des atomes. Je vais pas m’étendre, parce qu’on arrive très vite à des choses horribles (de physique quantique, évidemment, toujours la même bonne excuse).

2) Une masse est responsable d’une force attractive sur une autre masse, qu’on peut modéliser par un champ (le champ de gravitation). Une charge électrique est responsable d’une force attractive ou répulsive sur une autre charge, qu’on peut modéliser par un champ (le champ électrique).
De la même façon, certains matériaux « aimantés » sont responsable d’une force magnétique qu’on peut modéliser par un champ (le champ magnétique). Mais là, c’est pas si simple que dans les deux cas précédents. Ce champ magnétique peut interagir sur un autre matériau magnétique (il peut alors y avoir attraction ou répulsion selon l’orientation de ce second matériau dans le champ). Ce champ peut également agir sur les particules chargées en mouvement. Ainsi, le champ magnétique terrestre dévie-t-il une grande partie des particules chargées (protons par exemple) dont le Soleil nous bombarde.
Là où ça se complique vraiment c’est qu’un champ magnétique peut aussi être créé par un courant électrique. Un fil parcouru par un courant a, dans son voisinage un champ magnétique. Inversement, un champ magnétique peut provoquer la circulation d’un courant électrique. C’est le phénomène d’induction électromagnétique. En fait, électricité et magnétisme sont deux phénomènes qui sont liés. La théorie de l’électromagnétisme a été achevée vers 1875 avec l’énoncé de 5 postulats de base, appelées les relations de Maxwell (qui sont parmi les énoncés les plus abstraits de la physique classique).

3) Il faut bien comprendre une chose très importante. Une masse crée un champ de gravitation orienté vers elle ; une charge crée un champ électrique orienté vers elle. Ces champs sont radiaux, ils sont dans la direction du vecteur unitaire ur en coordonnées sphériques. Ces champs induisent des phénomènes dont la symétrie est sphérique.
Pour le champ magnétique, ce n’est pas le cas. Un champ magnétique induit des phénomènes à symétrie cylindrique, avec un axe privilégié (l’axe uz).

4) On peut faire une analogie, mais à prendre avec précaution, ce n’est qu’une analogie. Un dipôle électrostatique, par exemple une liaison polarisée, est par essence dissymétrique. Il y a un côté + et un côté -, et il ne va pas arriver la même chose à une charge extérieure qui se trouve du côté + du dipôle ou du côté – du dipôle : par exemple une charge + qui se présente du côté + du dipôle est repoussée, alors que si elle se présente du côté -, elle est attirée.
Il en est de même pour un champ magnétique créé par un matériau magnétique. Ce matériau a deux « pôles », un pôle nord et un pôle sud. Il n’arrive pas la même chose à un machin sensible au champ magnétique (autre matériau magnétique, particule chargée en mouvement), s’il se présente du côté du pôle nord ou du côté du pôle sud. Ainsi, tous ceux qui ont joué avec des aimants (genre wagons de légo qu’on attache les uns aux autres), savent qu’on ne peut pas les mettre dans n’importe quel sens. Les pôles identiques se repoussent et les pôles opposés s’attirent.

5) Bon alors, on en vient à la Terre. Elle est pleine de matériaux qui induisent un champ magnétique. Ce champ magnétique a une certaine orientation, approximativement sud-nord, mais c’est seulement approximatif, c’est-à-dire que l’axe du champ magnétique terrestre (qui va du pôle sud magnétique au pôle nord magnétique) n’est pas confondu avec l’axe de rotation de la Terre (qui définit les pôles nord et sud géographiques). En fait, l’axe du champ magnétique terrestre est fluctuant par rapport à l’axe de rotation de la Terre. On sait même qu’il s’est inversé plusieurs fois depuis la formation de la Terre, autrement dit, à certaines époques, les boussoles indiquaient le sud. Ce retournement se faisait assez rapidement (à l’échelle géologique bien sûr, quelques centaines de milliers d’années). Il y a des traces de ces retournements dans certaines roches riches en fer, par exemple du côté du Lac Salagou près de Montpellier. Ce retournement est d’ailleurs à la base de certaines méthodes de datation.
Voilà pour la différence entre nord magnétique et geographique.

6 ) Sur le champ magnétique terrestre, je suis pas trop sûr, et je crois me souvenir que son origine n’est pas encore vraiment éclaircie (mais j’avoue que je ne me suis jamais intéressé de très près au problème). Il a à voir avec le noyau, riche en fer et en nickel, qui sont justement les éléments de base de tous les aimants. Parenthèse ici : on ne peut pas faire des aimants avec n’importe quoi, une application bien connue est celle des tables de cuisson à induction, qui nécessite des casseroles à base de fer (à la poubelle les casserole en aluminium de grand’mère).
Mais je crois me rappeler qu’il y a aussi une histoire de rotation du noyau liquide, qui ne se fait pas à la même vitesse que la rotation terrestre (autrement dit, c’est un problème de vitesse relative, donc d’induction). Les inversions du sens du champ magnétique seraient liés à des changement dans le signe de la vitesse relative de rotation du noyau liquide par rapport à la rotation globale de la Terre sur elle-même.
Pour faciliter les explications, bien sûr, la rotation n’est pas au programme mécanique de bcpst …………

Là, si quelqu’un qui passe par là a des lumières, je lui ouvre tout grand mon espace commentaires. Je suis à la limite de mes connaissances …