sommaire

SOMMAIRE
Le Magnétisme
Définition et historique du magnétisme
2
Aimantation : pôles et champ magnétiques
4
Susceptibilité magnétique et courbes d’aimantation
7
Les matériaux magnétiques et leurs utilisations
11
L’effet Hall
13
Le magnétisme et les organismes vivants
15
Le Magnétisme terrestre
Origine et intensité du champ magnétique terrestre
16
Déclinaison et inclinaison magnétiques
17
Champ magnétique terrestre dans l’espace et la magnétosphère
19
Variation au cours du temps du champ magnétique terrestre
20
Le Paléomagnétisme
22
Les inversions du magnétisme terrestre
25
Anomalies et prospections magnétiques
27
Les anomalies magnétiques des planchers océaniques
28
Activités
Mise en évidence de l’action du champ magnétique
30
Le spectre magnétique et les lignes de champ
31
Action d’un champ magnétique sur un faisceau d’électrons
Action d’un champ électrique sur un faisceau d’électrons
33
34
1
DÉFINITION ET HISTORIQUE DU MAGNÉTISME
I Définition
Le magnétisme désigne à la fois l’ensemble des phénomènes que représentent les matériaux
aimantés et la branche de la physique qui étudie les propriétés de la matière aimantée, des
aimants.
II Historique en quelques dates
-
Thalès de Milet (VIe siècle av. JC),le premier, aurait signalé les propriétés d’une pierre
(pierre d’aimant) trouvée en Magnésie (Thessalie) et appelée pour cette raison
magnétite : elle attire le fer ou les pierres de même espèce. Platon savait que cette
propriété se transmettait au fer.
-
L’application des aiguilles aimantées à la navigation est attribuée aux Arabes (XIe s.).
-
La première étude scientifique de la pierre d’aimant est due à Pierre le Pèlerin de
Maricourt (1269) : il définit les pôles, donne les lois qualitatives des attractions et des
répulsions et décrit l’expérience de l’aimant brisé. Ces expériences sont complétées
par William Gilbert qui, dans son ouvrage De magnete (1600), introduit la notion de
lignes de force, indique le rôle des pièces polaires, remarque que le fer, porté au rouge,
se désaimante et décrit plusieurs méthodes d’aimantation. Abordant le magnétisme
terrestre, il suppose le premier que la Terre est un gros aimant.
-
Avec C. A. de Coulomb commence l’étude quantitative du magnétisme. A l’aide de la
balance de torsion, il établit les lois d’attraction et de répulsion des masses
magnétiques en raison inverse du carré de la distance ; il introduit la notion de moment
magnétique.
-
Oersted, en 1820, établit un lien entre les phénomènes électriques et magnétiques,
suivi par Ampère, Arago, Biot et Savart, qui créent les bases de l’électromagnétisme
-
Poisson établit, en 1824, les lois de la magnétostatique : aimantation par influence,
théorie du potentiel magnétique.
-
En 1832, Gauss est à l’origine du magnétomètre et donne aussi le nom à l’unité
d’induction.
-
Faraday découvre, en 1845, le diamagnétisme, distingue paramagnétisme et
ferromagnétisme, met en évidence l’action des aimants sur la lumière dans le
phénomène de la polarisation rotatoire magnétique, premier lien entre l’optique et
l’électromagnétisme.
-
Pierre Curie, dans des expériences conduites de 1892 à 1895, établit les variations des
propriétés magnétiques avec la température : susceptibilité des corps diamagnétiques
indépendante de la température, susceptibilité des corps paramagnétiques inversement
proportionnelle à la température absolue T, transformation des corps ferromagnétiques
en corps paramagnétiques au-dessus d’une température (appelée depuis « Point de
Curie »).
2
-
S’appuyant sur les travaux de Curie, P. Langevin, en 1905, édifie la première théorie
quantitative des propriétés magnétiques de la matière : il part du modèle atomique de
l’époque (charge positive et charges négatives [électrons] en mouvement) pour
élaborer une théorie cinétique du diamagnétisme et du paramagnétisme avec laquelle il
retrouve la loi de Curie.
-
P.Weiss introduit la notion de domaine élémentaire, petite région possédant une
aimantation spontanée saturée, et donne une explication du ferromagnétisme.
-
En 1925, S.A.Goudsmit et G.E.Uhlenbeck montrent qu ‘en dehors de son moment
orbital l’électron possède un moment propre : le spin.
-
L. Brillouin (1927) et surtout J. H. Van Vleck (1932) établissent la théorie quantique
définitive du diamagnétisme et du paramagnétisme.
-
En 1928, Heisenberg montre que les interactions ferromagnétiques sont dues à des
échanges électroniques entre les atomes.
-
F. Bloch, en 1930, décrit la structure des parois séparant les domaines élémentaires de
Weiss.
-
L. Néel établit et explique les notions d’antiferromagnétisme et de ferrimagnétisme.
III Quelques ordres de grandeur du magnétisme et unités
Le champ magnétique est noté B et ce vecteur est appelé induction magnétique pour les
physiciens. Il s’exprime dans le système d’unités internationales, en Teslas (abréviation T), du
nom du physicien américain, d’origine yougoslave, Nikola Tesla.
La composante horizontale du champ magnétique de la Terre vaut environ BT = 2 x 10-5 T.
Par exemple, à l’intérieur d’une bobine parcourue par un courant de quelques ampères
(comme la bobine de Helmholtz utilisée lors de l’activité III), le champ magnétique est
quelques dizaines de fois plus intense.
De même, dans un accélérateur de particules, on atteint des champs magnétiques de l’ordre de
quelques Teslas.
Source de champ magnétique
Espace interstellaire
Corps humain
Téléviseur
Aimant en céramique
Electroaimant
Bobines supraconductrices
Tache solaire (surface)
Etoile à neutrons
Noyau atomique
Valeur de ce champ (en T)
100 x 10 – 100 x 10-9
3 x 10-4
10-4
0,02
1à5
10 à 40
10
108
1012
-12
3
AIMANTATION : PÔLES ET CHAMP MAGNÉTIQUES
I Les pôles magnétiques
Dans un aimant en forme de barreau, l’action magnétique est localisée à ses extrémités : on
parle de ses pôles magnétiques. L’axe dipolaire relie ces deux pôles.
L’aimant, libre de se mouvoir (flottement à la surface de l’eau, mobile sur un pivot), tourne
sur lui-même. L’une de ses extrémités indique le pôle Nord terrestre. C’est par définition le
pôle Nord de l’aimant, l’autre extrémité étant le pôle Sud.
Cette propriété fut mise à profit par les Chinois, à partir du XI ème siècle par la navigation.
Quand on approche le pôle Nord d’un aimant du pôle Sud d’un autre aimant, les deux aimants
s’attirent. Au contraire, si l’on approche les deux pôles Nord ou les deux pôles Sud
(phénomènes d’attraction et de répulsion) : ils se repoussent
On pourrait pareillement penser séparer pôle Nord du pôle Sud en brisant un aimant en son
milieu. Des expériences ont montré qu’il n’en est rien : il y a obtention de deux nouveaux
aimants ayant chacun deux pôles aussi intenses que l’aimant initial.
Cette expérience peut être répétée jusqu’à l’échelle atomique (chaque atome est un aimant
minuscule avec deux pôles contraires). Certains théoriciens suggèrent aujourd’hui la
possibilité de l’existence de pôles magnétiques séparés mais jusqu’à présent, il s ‘est avéré
impossible d’isoler un pôle magnétique.
4
II Le champ magnétique et les lignes de champ
Dans toute région de l’espace où s’exercent des forces magnétiques, on dit qu’il règne un
champ magnétique.
Si l’on saupoudre de limaille de fer une plaque de verre sur laquelle est placé un aimant, les
grains s’aimantent puis tendent à s’orienter dans la direction du champ magnétique
(activité II).
on dit que l’ensemble des grains dessine les lignes de force ou lignes de champ magnétique.
La figure obtenue est appelée spectre magnétique.
Ces lignes de champ permettent ainsi de visualiser le champ magnétique créé. Ces lignes
fermées sur elle-même n’ont ni début ni fin. Elles entourent le conducteur de courant créateur
du champ.
Comme il sera montré au cours de l’activité II, plus les lignes de champ sont rapprochées,
plus le champ est intense. Quand les lignes se resserrent, la valeur du champ augmente.
Exemples de spectres magnétiques
5
Entre les branches d’un aimant à cheval, les lignes de champ sont parallèles et le champ a
sensiblement la même intensité en tous points. Dans ce cas particulier, le champ est dit
uniforme.
Sur une surface de moyenne dimension, le champ magnétique terrestre est également
sensiblement uniforme. Dans un tel champ, un aimant est soumis à deux forces égales et
opposées : il s’oriente mais ne se déplace pas.
La recherche d’un pôle magnétique unique ou monopole s’est révélé vaine.
Parallèlement, il faut enfin souligner que les aimants sont plus ou moins forts mais les deux
pôles d’un aimant sont de forces égales.
6
SUSCEPTIBILITÉ MAGNÉTIQUE ET COURBES D’AIMANTATION
I Susceptibilité magnétique
La susceptibilité magnétique d’un matériau reflète sa réponse à un champ magnétique
extérieur. Trois types de réponses s’observent dans la nature :
•
le diamagnétisme dans lequel la susceptibilité, en général très faible, est négative (corps
repoussés par les aimants) . Quand on applique un champ magnétique à un atome, le
champ électrique induit modifie le mouvement orbital des électrons et ce phénomène se
traduit par une aimantation opposée au champ.
•
le paramagnétisme dans lequel la susceptibilité est positive (corps attirés par aimants). Il
concerne les corps dont les atomes possèdent déjà un moment magnétique en raison par
exemple d’électrons non appariés. Les corps ferromagnétiques ont tendance à canaliser les
lignes de champ.
Ce phénomène est mis à profit dans les électroaimants ou les têtes de lecture et
d’enregistrement des magnétophones. L’intensité du champ dans l’entrefer (ouverture du
circuit) se trouve proportionnelle à l’intensité du courant circulant dans la bobine entourant le
circuit.
entrefer
•
le ferromagnétisme dans lequel les corps ont une aimantation spontanée en l’absence de
champ extérieur : il disparaît pour une température supérieure à une température dite point
de Curie.
7
Le fer et l’acier sont des matériaux ferromagnétiques. L’alignement des moments
magnétiques s’y produit à l’intérieur de points domaines selon une orientation aléatoire.
Lorsqu’un champ extérieur est appliqué, chaque domaines tend à aligner son moment avec le
champ :
Tableau d’exemples de susceptibilités magnétiques
8
II Courbes d’aimantation
Au lieu d’utiliser leur susceptibilité, on préfère caractériser ces substances par leur courbe
d’aimantation.
On utilise une substance ferromagnétique vierge (n’ayant jamais été aimantée) placée dans un
champ magnétique variable que l’on fait partir de la valeur nulle.
L’aimantation magnétique augmente jusqu’à une valeur Ms (aimantation à saturation) ; c’est
la courbe de première aimantation.
-Si l’on fait alors diminuer la valeur du champ, l’aimantation diminue mais avec des valeurs
supérieures aux valeurs de la courbe initiale.
-Pour H=0 (champ magnétique nul) il reste une aimantation dite aimantation rémanente. Le
matériau est alors un aimant permanent.
-Si H continue à diminuer, l’aimantation s’annule pour H = - Hc, champ coercitif : il constitue
le champ antagoniste qu’il faut appliquer pour annuler l’aimantation rémanente.
L’aimantation continue à diminuer jusqu’à une valeur à saturation M = - Ms .
-Si l’on fait croître à nouveau H, M augmente et s’annule pour H = + Hc puis augmente
encore jusqu’à Ms.
La courbe obtenue est le cycle d’Hystérésis montrant les variations de l’aimantation en
fonction du champ appliqué.
L’aire intérieure de cette courbe exprime numériquement l’énergie nécessaire à la réalisation
du cycle. Cette énergie se transforme en chaleur dans le corps.
La forme du cycle dépend de la substance.
On distingue deux cas principaux selon que cette courbe est réversible ou pas.
9
•
•
Le fer utilisé pour les machines tournantes et les transformateurs est magnétiquement
« doux » ; son cycle d’hystérésis est très étroit et donc des pertes d’énergie très faibles.
Ceci correspond à un facile déplacement des zones de transition entre domaines
élémentaires.
Le deuxième cas correspond à un déplacement irréversible des parois de Bloch : il y a une
forte hystérésis et le matériau est « dur ». Par exemple, les mémoires magnétiques des
ordinateurs ont des cycles larges avec un champ coercitif élevé.
En conclusion, la désaimantation d’un aimant ferromagnétique s’effectue en plaçant l’aimant
dans un champ magnétique variable dont on fait diminuer la valeur de façon continue.
Le cycle d’hystérésis se rétracte jusqu’à disparition finale.
10
LES MATÉRIAUX MAGNÉTIQUES ET LEURS UTILISATIONS
I Application des matériaux magnétiques
Lorsqu’il s’agit d’aimanter un barreau de fer ou d’un de ses alliages, les différents procédés
exploitent les champs magnétiques existant dans la nature ou créés.
En voici quelques exemples :
•
l’action du magnétisme terrestre : il suffit alors de frapper le barreau aimanté
verticalement. Le choc mécanique tend à aligner les domaines dans le sens du
magnétisme. De même, les tiges de fer sur les bâtiments (paratonnerres, girouettes)
s’aimantent lentement au cours du temps par suite des variations de température.
•
l’action d’un aimant : on frappe le barreau à l’une des extrémités de l’aimant (aimantation
plus forte que précédemment).
•
l’action de deux aimants : on frotte simultanément chaque moitié du barreau, du milieu
vers l’extrémité, avec un pôle différent de chaque aimant (méthode de la double touche
utilisée jusqu’au XIXe ).
•
l’action d’une bobine électrique (méthode usitée aujourd’hui) : placé à l’intérieur d’une
bobine et si celle-ci est parcourue par un courant suffisamment élevé, le barreau s’aimante
à saturation.
Actuellement cette technique est utilisée pour fabriquer des électroaimants (barreau de fer
doux) et des aimants permanents.
Leur désaimantation due au vieillissement ou à l’action d’un champ magnétique extérieur
peut être considérée comme négligeable.
II Leurs utilisations
Le magnétisme constitue un domaine de la physique depuis toujours, étroitement lié à des
applications pratiques : des compas de marine jusqu’au XIXe , aux dynamos et moteurs depuis
la fin du siècle dernier à l’enregistrement magnétique du son ou encore à l’informatique.
* Les matériaux durs (alliages fer cobalt, terres rares, ferrites) sont utilisés pour fabriquer les
aimants permanents : fermetures magnétiques, appareils de mesures, moteurs et générateurs,
alternateurs, haut-parleurs, microphones ….
* Les matériaux doux (alliages de fer et de silicium, fer et nickel ou permimphy) sont utilisés
dans les électro-aimants, transformateurs électriques, cartes et tickets magnétiques.
* Les mémoires magnétiques d’ordinateur et les disquettes magnétiques sont formées de
particules pouvant s’orienter dans un sens ou dans le sens opposé (caractérisant ainsi deux
états définissant le 0 et le 1).
11
* La résonance magnétique nucléaire (RMN), technique d’imagerie médicale, fait intervenir
les caractéristiques magnétiques des noyaux atomiques du corps étudié. Permettant de
déterminer le champ magnétique à l’échelle des molécules et de visualiser en particulier
l’hydrogène de l’eau très abondant dans le corps humain, elle ne présente aucun dommage
pour les tissus vivants.
* La magnétohydrodynamique (MHD) étudie le comportement d’un liquide ou d’un gaz
conducteur d’électricité, en mouvement dans un champ magnétique, reposant donc à la fois
sur les lois de l’électromagnétisme et sur celles de la dynamique des fluides.
Dans les années 1960, des recherches intensives furent menées en vue d’une production
d’électricité grâce à la circulation d’un gaz à haute température dans un champ magnétique.
Mais ces mesures se heurtèrent à des problèmes techniques trop ardus. De nouveaux espoirs
se fondèrent au début des années 1990 : propulsion des navires (sous-marins essentiellement)
par l’utilisation de la faible conductivité de l’eau de mer sous l’action de puissants aimants
supraconducteurs.
12
L’EFFET HALL
I Principe de l’effet Hall
Le phénomène de l’effet Hall fut découvert par le scientifique Edwin Hall (1855 – 1938)
en1879 qui lui donna son nom.
Β
Io
Vh
Si un courant Io traverse Gun barreau conducteur ou semi-conducteur et si un champ
magnétique d’induction B est appliqué perpendiculairement au sens de passage du courant
une tension Vh, proportionnelle au champ magnétique et au courant Io apparaît sur les faces
latérales du barreau.
Vh = Kh x B x Io
avec Kh constante de Hall qui dépend du matériau utilisé.
Remarque : Plus la valeur de la tension est importante, plus les électrons sont déviés.
Or plus les électrons sont déviés, plus la mesure du champ magnétique est grande.
Ainsi la tension permet une mesure indirecte du champ magnétique.
II Causes de l’effet Hall
G
B
I
d
+++++++
+
G
FLorentz
G
E
Uh tension
de Hall
--------------ChampGélectrique
créé E
Force de Lorentz
13
Soit un élément placé dans un champ magnétique : les charges en déplacement subissent la
force de Lorentz, découverte par Hendrik Artoon Lorentz (1853 – 1928) (force magnétique).
Il en résulte un déplacement vers les bords, des charges négatives d’un côté, des charges
positives (par déficit) de l’autre, d’où un champ électrique.
C’est par conséquent la force magnétique (par suite du déplacement des charges à cause de
cette force) qui est responsable de l’apparition du champ électrique.
Au bout d’un certain temps, un régime permanent s’établit quand les forces magnétiques
(Lorentz) et électriques (Coulomb) se compensent.
La différence de potentiel appelé Tension de Hall Uh entre les bords de l’élément conducteur
résultant de la déviation des électrons par le champ magnétique s’écrit :
Uh = IB / (qnd) = Ah (IB/d)
avec d : longueur de conducteur parallèle au champ et Ah coefficient de Hall.
Une petite « recette » pour mieux visualiser :
majeur
index
pouce
Le pouce est placé suivantGle déplacement des charges + (soit l’inverse de celui des électrons )
L’index est placé suivant B (induction du champ magnétique)
On constate que le majeur est placé suivant la force magnétique.
III Utilisation et description
Une telle plaquette munie de fils de connexion constitue une véritable sonde de Hall : un
teslamètre.
Les applications diverses de l’effet Hall vont de l’allumage électronique des automobiles aux
claviers d’ordinateurs.
Un capteur à effet Hall donne un signal lorsqu’il détecte un champ magnétique ou une pièce
métallique. La tension de Hall est amplifiée dans le capteur.
14
LE MAGNÉTISME ET LES ORGANISMES VIVANTS
Ce qu'on a appelé jusqu'à la fin du siècle dernier «magnétisme animal» désigne les
attouchements ou les impositions, avec ou sans aimants, censés guérir toutes sortes de
maladies. Cette propriété du corps animal le rendrait réceptif à l’influence des corps célestes
et à celle des corps qui l’environnent, de même qu’il exercerait la sienne sur ces derniers.
A la veille de la Révolution française, un médecin, l'Allemand Franz Mesmer, installé à Paris
en 1778, consacra d'importants travaux au magnétisme animal.
L’influence des corps célestes, analogue à celle de l’aimant, s’exerce, selon Mesmer, par le
moyen d’un fluide où sont plongés tous les êtres. L’homme peut concentrer ce fluide et en
diriger les courants sur ses semblables, soit par le contact immédiat, soit à distance.
Les maladies, qui ont pour cause une insuffisance ou un blocage du fluide dans l’organisme,
peuvent être soignées par une thérapie de recharge ou de déblocage, dont la crise est le
symptôme.
Une commission nommée par l'Académie des sciences, comprenant le chimiste Antoine
Laurent de Lavoisier et le naturaliste Antoine Laurent de Jussieu, conclut alors à
«un pur effet de l'imagination», puis peu à peu la théorie du magnétisme animal fut appliquée
à l’explication de phénomènes paranormaux : les possessions réputées diaboliques, la
voyance, l’hypnose, le prophétisme …
Un magnétisme, très faible, existe cependant dans les corps vivants. Avec des détecteurs très
sensibles, comme les sondes à effet Hall ou les SQUID supraconducteurs, on a pu évaluer, par
la technique de « magnétocardiographie », le champ magnétique du coeur humain à environ
un millionième du champ magnétique terrestre.
L'orientation des oiseaux migrateurs pourrait se faire en partie grâce aux faibles quantités de
magnétite détectées dans leur cerveau : le champ géomagnétique est le plus fiable des repères
géographiques car, contrairement à la position du soleil et à la direction du vent, il est très
stable et quasi-insensible aux perturbations météorologiques.
15
ORIGINE ET INTENSITÉ DU CHAMP MAGNÉTIQUE TERRESTRE
I Origine du champ magnétique terrestre
L’origine du champ magnétique terrestre est encore aujourd’hui peu connue.
Comme tous les champs magnétiques, celui de la Terre serait dû à des courants électriques.
On pense que les courants sont déterminés par des mouvements de convection dans le noyau
externe fluide conducteur (entre 2900 et 5100 km de profondeur).
En effet, le centre du globe, noyau métallique de 3500 kilomètres de rayon comporte une
partie centrale solide et une partie externe fluide.
Les particules chargées se trouvant dans cette couche liquide à haute température créeraient
un effet comparable à celui d’une dynamo.
Néanmoins, le problème est loin d’être résolu car les effets des roches magnétiques situées à
faible profondeur se superposent à ce champ magnétique global.
II Intensité
Lorsqu’une boussole est écartée de sa position d’équilibre, elle oscille. La mesure de la
période de ces oscillations permet de déterminer l’intensité du champ magnétique auquel est
soumise l’aiguille.
Le mathématicien allemand Carl Friedrich Gauss montra le premier dans les années 1830
comment mesurer le champ magnétique terrestre de manière à pouvoir comparer les mesures
faites en différents endroits.
Un réseau international d’observation fut créé afin de vérifier si le champ magnétique terrestre
correspondait bien à ses calculs théoriques. Il établit en effet que le globe terrestre peut être
représenté par un aimant situé au centre de la Terre (hypothèse admise par de nombreux
autres scientifiques) et orienté suivant un axe voisin de celui des pôles.
La valeur du champ magnétique terrestre passe de 31,2 µT à l’équateur magnétique au double
aux pôles. La valeur moyenne adoptée est de 2 x 10-5 T. Par exemple, le champ terrestre vaut :
à Nouméa 0,048 mT
à Paris 0,046 mT
Les isodynames relient sur une carte les lieux d’égale composante horizontale du champ
magnétique terrestre.
Il faut enfin souligner qu’une série d’autres sources magnétiques de directions variées,
beaucoup moins puissantes, s’ajoutent au champ magnétique terrestre.
16
DÉCLINAISON ET INCLINAISON MAGNÉTIQUES
L’angle formé par la direction du nord magnétique donné par la boussole et par celle du nord
géographique est la déclinaison magnétique (D).
Cet écart était connu des grands navigateurs du XVe siècle, qui espéraient pouvoir faire le
point en mer (surtout lors de longs voyages) grâce à la connaissance de la déclinaison. Mais
leur espoir fut déçu, car la déclinaison ne suit pas une loi parfaitement régulière : en effet, on
peut définir un axe magnétique de la Terre qui coupe sa surface aux pôles nord et sud
magnétiques, mais ceux-ci sont situés à environ 1500 km des pôles géographiques.
Ainsi, suivant les lieux, la déclinaison est positive ou négative (pôle Nord géographique à
l’est ou à l’ouest du pôle magnétique) et peut atteindre une vingtaine de degrés. De plus, les
hétérogénéités de l’écorce terrestre créent des variations locales plus ou moins importantes.
Il faut naturellement tenir compte de la déclinaison magnétique lorsqu’on fait le point en mer
avec une boussole. Les cartes marines et terrestres donnent la valeur de la déclinaison lors de
l’établissement de la carte.
La première carte de déclinaison fut établie en 1701 par Edmond Halley (1656 – 1742) pour
l’océan Atlantique et l’océan Indien.
* Les Isogones relient sur une carte les lieux d’égale déclinaison.
La déclinaison varie beaucoup d’un lieu à l’autre. Des anomalies locales (étudiées
ultérieurement) peuvent provoquer des erreurs d’indication pouvant atteindre 180°.
* On appelle agones les lignes de déclinaison nulle, soit au point où l’aiguille aimantée
indique précisément le nord.
L’aiguille d’une boussole mobile autour d’un pivot horizontal s’incline en formant un certain
angle avec le sol : le champ magnétique terrestre n’est pas horizontal tout comme les lignes de
champ ne sont pas parallèles. Cet angle s’appelle l’inclinaison (I).
17
* Les isoclines relient sur une carte les lieux d’égale inclinaison. Elles entourent la Terre
comme le font les parallèles mais ne coïncident pas avec eux et ne sont d’ailleurs pas
circulaires.
* L’isocline i=0° est l’équateur magnétique. Il passe en partie au Nord, en partie au Sud de
l’équateur géographique.
Aux pôles magnétiques, i=90°, l’aiguille aimantée y est verticale. On peut constater que les
deux pôles ne sont pas exactement les points d’intersection de l’axe dipolaire avec la surface
terrestre. Cela est une conséquence d’une part des anomalies magnétiques, d’autre part du fait
que l’axe dipolaire ne passe pas par le centre de la Terre mais à environ 1000 km.
A Nouméa (Nouvelle Calédonie) D = 12°49’ et i = - 48°25’
A Paris D = - 5° et i = 65°
L’inclinaison et la déclinaison témoignent toutes deux de variations séculaires dues à la
migration des pôles. On ne tient néanmoins pas compte de l’inclinaison en navigation, mais
elle permet, avec la déclinaison de caractériser la structure du champ magnétique terrestre.
Ce dernier, en un lieu et à un moment donnés, est aussi défini par son intensité (F).
18
CHAMP MAGNÉTIQUE TERRESTRE DANS L’ESPACE
LA MAGNÉTOSPHÈRE
Il a été longtemps pensé que le champ magnétique terrestre s’étendait dans l’espace
interplanétaire, vide de toute matière.
Cependant, depuis les années 1960, la mesure du champ magnétique à bord de sondes et de
satellites a révélé qu’il est limité à une certaine portée de l’espace entourant la Terre
(10 rayons terrestres dans la direction du soleil) qu’on a appelé magnétosphère
(il est bien sûr entendu que notre ballon ne l’atteindra pas, étant limité à la stratosphère).
La magnétosphère de la Terre s’étend très loin dans l’espace, ses lignes de champ ne sont pas
tout à fait celles d’un dipôle magnétique, du fait de la déformation du champ par le vent
solaire.
En effet, la Terre est plongée dans le vent solaire, formé de particules électriquement chargées
émises par le soleil en toutes directions.
Par endroit, les particules sont absorbées et des ceintures de radiation apparaissent.
C’est le vent solaire, qui contournant la Terre, déforme les lignes de champ et limite son
extension à l’intérieur de la magnétosphère, qui présente un volume en forme de larme
pointue.
A noter enfin que, dans le système solaire, seul Jupiter possède un champ magnétique
important.
19
VARIATION AU COURS DU TEMPS DU CHAMP MAGNÉTIQUE TERRESTRE
L’affirmation des variations du champ magnétique avec le temps date du XVIIe. Depuis lors,
physiciens, géologues, constructeurs d’instruments ont voulu déterminer si ces variations se
produisent de façon régulière, journalière, annuelle ou sur de plus longues périodes. Mais le
champ magnétique évolue de manière complexe.
Ses variations sont actuellement enregistrées en permanence dans plus de 200 « observatoires
magnétiques » répartis à la surface du globe.
Les moyennes annuelles du champ magnétique, en un endroit précis, varient peu d’une année
sur l’autre : le champ moyen varie donc lentement d’année en année et cette variation est
essentiellement due à l’évolution des courants à l’intérieur du globe.
Cependant, sur des échelles de temps plus importantes, les variations sont plus remarquables :
on parle du phénomène de variation géomagnétique séculaire.
Ainsi, l’intensité du magnétisme terrestre a diminué approximativement de moitié depuis 600
av. JC. A Paris, la déclinaison de 10° en 1600, passa à 22° ouest en 1800 puis à 4° ouest en
1980.
De même, des inversions des pôles magnétiques se sont produites au cours des temps
géologiques, quelques 300 fois depuis le Jurassique Supérieur (-100 Ma) (voir partie intitulée
Inversion du magnétisme terrestre).
En l’espace de quelques milliers d’années, le champ magnétique bascule puis reste stable
durant des périodes de 100 000 à quelques millions d’années.
L’étude de roches volcaniques ou de poteries archéologiques ont permis de déterminer ces
étonnantes variations. Les laves s’épanchant à une température supérieure au point de Curie,
se refroidissent. Les minéraux s’aimantent alors selon la direction et l’intensité du champ
magnétique terrestre local de l’époque.
Cette aimantation thermorémanente, « mémoire magnétique » évoquée par Melloni en 1853,
persévère tant que la pierre n’est pas réchauffée à une température qui pourrait faire perdre
leur propriété magnétique à ses grains ferromagnétiques.
Les roches renferment donc de précieux renseignements sur le champ magnétique (explication
dans la partie intitulée Inversions du champ magnétique terrestre).
Inversement, le paléomagnétisme, étude de l’aimantation fossilisée, renseigne les géologues
sur le passé de la Terre. La dérive des continents a été confirmée par l’étude comparée de
magnétisme ancien dans les roches de continents différents (voir chapitre suivant : le
Paléomagnétisme).
20
De surcroît, de petites variations se superposent au champ moyen. Ces dernières sont étudiées
avec des magnétomètres (à protons par exemple) qui mesurent l’intensité du champ
magnétique au dix millionième près.
Contrairement aux variations lentes du champ moyen, les petites variations résultent de causes
extérieures au globe terrestre, essentiellement à l’action du soleil.
Les variations diurnes constituent des variations régulières mais il existe aussi des variations
brutales et inattendues, dénommées « orages magnétiques » qui provoquent les aurores
boréales.
La cause centrale de ces variations réside dans les éruptions de la couronne solaire qui
perturbent le vent solaire.
L’évolution du champ magnétique terrestre en un mot
Les caractéristiques du champ magnétique terrestre (inclinaison, déclinaison, valeur) ne
demeurent pas constantes au cours du temps :
*Les modifications sur longue durée ont pour cause la migration des pôles magnétiques et
l’évolution des courants intérieurs au globe.
Ces migrations de pôles peuvent être établies par l’étude de la direction des champs
magnétiques des laves volcaniques.
Les laves solidifiées gardent la mémoire de l’orientation du champ. Grâce à la dotation,
l’histoire peut être reconstituée et l’échange des pôles arctique et antarctique à chaque million
d’année confirmé.
*Les modifications sur courte durée (de quelques secondes à plusieurs jours) proviennent
d’interaction entre le vent solaire et l’ionosphère terrestre (orages / tempêtes magnétiques).
21
LE PALÉOMAGNÉTISME
Bien que les Chinois aient découvert dès 1040 les premiers le magnétisme terrestre, il revient
à William Gilbert, physicien et médecin de la reine Elisabeth I d'Angleterre au début du 18e
siècle, d'avoir réalisé que si l'aiguille aimantée d'une boussole pointe invariablement vers le
Nord, c'est qu'il y a quelque chose, une sorte d'aimant placé au centre de la terre, et qu'il
devient possible de calculer la direction et l'intensité du champ magnétique en tout point de la
surface du globe.
Comme expliqué précédemment, la terre est supposée comme un dipôle magnétique, ou
encore comme un aimant. Les lignes de forces magnétiques établissent tout autour de la
planète un champ magnétique terrestre. C'est la raison pour laquelle l'aiguille d'une boussole
s'aligne automatiquement selon les lignes de force, dans une direction nord-sud.
Il fallut attendre près de deux siècles, soit vers la fin du 19e siècle, pour qu'on développe le
magnétomètre : un appareil capable de mesurer l'intensité du champ magnétique, ouvrant la
porte à l'exploration quantitative du champ magnétique terrestre.
On se rend compte alors qu'il y a des anomalies : c’est à dire des différences entre les
intensités mesurées en un lieu donné et les intensités théoriques calculées selon l'hypothèse de
Gilbert: anomalie positive (champ réel > champ théorique) et anomalie négative (champ réel
< champ théorique).
Macedonio Melloni (1853), physicien napolitain, découvre que chaque roche volcanique
possède sa propre aimantation. Il formule l'hypothèse que cette aimantation a été acquise lors
du refroidissement de la lave qui enregistre le champ magnétique terrestre de l'époque. Les
laves possèdent donc une "mémoire magnétique".
Deux chercheurs français, Brunhes (1906) et Mercanton (1910 à 1930), confortent la
découverte de Melloni en y apportant les fondements théoriques. Il a cependant fallu attendre
l'après-guerre pour voir une utilisation intensive de cette "mémoire magnétique".
22
En 1952, le physicien anglais Patrick Blackett, Prix Nobel en 1948, invente, au cours de
recherches sur les relations entre le magnétisme terrestre et la rotation de la terre, le
magnétomètre astatique, capable de mesurer des champs magnétiques extrêmement faibles.
En 1959, avec ses collaborateurs Keith Runcorn et Ted Irving, il utilise l'appareil pour
mesurer la mémoire magnétique des roches; c'est la naissance d'une discipline qu'on appelle
aujourd'hui le paléomagnétisme : étude du champ au cours des temps géologiques.
On se rend compte que grâce à cette mémoire, on peut déterminer la position des pôles
magnétiques pour diverses périodes géologiques à partir de roches dont l'âge est connu.
Runcorn propose de définir, époque par époque, la position d'un paléo-pôle magnétique pour
diverses régions, un travail minutieux qui consiste d'abord à définir pour l'Europe, une
trajectoire de la "promenade des pôles" (polar wandering) à travers les temps géologiques,
puis ensuite pour l'Amérique.
Cette carte présente une vue de l'hémisphère Nord centrée sur le pôle Nord magnétique, selon
la géographie actuelle :
.
E=Éocène (50 Ma); J=Jurassique (175 Ma); T=Trias (225 Ma); P=Permien (260 Ma);
Ca=Carbonifère (320 Ma); S=Silurien (420 Ma); Cb=Cambrien (530 Ma). Les âges absolus
(entre parenthèses) correspondent au milieu de la période mentionnée.
23
Deux choses sont apparues anormales:
* les trois trajectoires ne coïncident pas; il devrait pourtant n'y avoir qu'une seule trajectoire
puisqu'il n'y a qu'un seul pôle nord magnétique terrestre;
* plus on recule dans le temps, plus le pôle magnétique s'éloigne du pôle géographique; on
sait aujourd'hui que même si le pôle magnétique terrestre se déplace par rapport au pôle
géographique, ce déplacement est faible; les trajectoires représentées ici sont donc beaucoup
trop longues pour être réalistes.
Durant l'intervalle entre la découverte du paléomagnétisme et la formulation de la théorie de
la tectonique des plaques, on a cru à cette hypothèse du "polar wandering". Cependant,
aujourd'hui, on comprend bien que la seule façon de résoudre ce problème de l'apparente
promenade des pôles à travers les temps géologiques et de leur manque de concordance selon
que les données viennent d'un continent ou l'autre est de déplacer les masses continentales les
unes par rapport aux autres. C'est d'ailleurs ainsi qu'on parvient à reconstituer la position
relative des continents pour chaque époque géologique.
Mais les paléomagnéticiens ont reculé jusqu'au début du Paléozoïque pour se rendre compte
qu'il y a eu des dérives continentales plus anciennes, antérieures à 300 Ma. Mais, toutes ces
reconstitutions laissèrent sceptique la communauté scientifique des années 50-début 60; de
nombreuses objections seront soulevées.
En conclusion, on sait aujourd'hui, grâce à la théorie de la tectonique des plaques, que les
continents ont bougé tout au long de l'histoire géologique, et le paléomagnétisme est utilisé
comme outil de base pour reconstituer la position des continents aux diverses époques
géologiques.
24
LES INVERSIONS DU MAGNÉTISME TERRESTRE
En 1906, Brunhes découvre que non seulement les laves ont une mémoire magnétique, mais
aussi que certaines montrent des inversions de magnétisme; en d'autres termes, que le dipôle
Nord-Sud aurait été à certaines époques Sud-Nord.
A la même époque, le japonais Matuyama ajoute une notion temporelle à ces inversions : il
date diverses coulées de laves et conclut à l'existence d'inversions multiples à travers les
temps géologiques.
Le physicien américain J. Graham (1950) a fait redécouvrir un intérêt pour les inversions. Il
avait émis l'idée que les inversions de polarité magnétique ne sont pas dues à une inversion du
champ magnétique terrestre comme l'avait proposé Matuyama, mais à un phénomène bien
connu en physique des solides, l'auto-inversion, qui interviendrait lors de la cristallisation de
certains minéraux (fausse proposition qui remit néanmoins le paléomagnétisme au jour).
En 1960, John Reynolds du département de physique de Berkeley (Californie) et John
Verhoogen du département de géologie de la même université unissent leurs efforts pour
étudier des basaltes: l'un met au point une méthode de datation isotopique permettant d'avoir
des âges précis, l'autre s'applique à obtenir des mesures fiables d'orientation du
paléomagnétisme sur les mêmes échantillons. Ils démontrent rapidement le bien-fondé des
conclusions de Matuyama.
Walter Elsasser de l'Université Princeton et Ted Bullard de Cambridge en Grande Bretagne
développent l'idée d'une dynamo centrale située dans le noyau terrestre. Pour expliquer les
retournements épisodiques du champ magnétique, ils conçoivent que cette dynamo pourrait
présenter des comportements instables.
Finalement, la réalité des inversions du champ magnétique va être démontrée entre 1960 et
1966 par deux équipes issues de Berkeley: une équipe du USGS (United State Geological
Survey) en Californie composée d'Alan Cox, Richard Doell et Brant Dalrymple, et une équipe
de l'ANU (Australian National University) formée de Ian McDougall et François Chamalun.
A partir de laves relativement récentes, ils construisent ensemble une échelle des inversions
de la polarité magnétique pour les derniers 4 Ma, une échelle applicable aux U.S.A., à
l'Europe, au Pacifique et à l'Australie, et qui a valeur mondiale.
25
On peut établir une échelle magnétostratigraphique locale à partir d'un empilement de coulées
de laves, chacune bien datée. Les laves enregistrent, au moment de leur cristallisation, le
champ magnétique terrestre telle qu'il est à ce moment. Avec le temps, il se construit un
édifice stratifié, constitué de coulées de polarité, ou normale, ou inverse, et de plus en plus
jeunes vers le sommet de la pile. Si l’on réalise un forage carotté dans cet édifice; on datera
une suite d'échantillons prélevés sur la carotte et pour chacun, on mesurera la polarité du
paléomagnétisme. On reportera les données sur une échelle de temps géologique, en indiquant
la polarité (normale : orangée ; inverse : bleu). On obtiendra une échelle de ce type :
26
ANOMALIES ET PROSPECTION MAGNÉTIQUES
I Anomalies magnétiques
Par des mesures locales du champ magnétique, actuellement réalisées par avion, des
anomalies locales peuvent être mises en évidence. Ces anomalies résultent de l’existence dans
le sous sol de roches possédant différentes aimantations.
Certaines anomalies peuvent être importantes, essentiellement dans les régions volcaniques ou
dans le cas des gisements métallifères. Le Puy de Dôme en est un exemple : au sommet, la
déclinaison varie de 6° sur une distance de 150 mètres.
Un second facteur joue un rôle important : aux endroits où la foudre est tombée, les roches
sont souvent fortement aimantées par le champ magnétique créé par le courant électrique de la
décharge, ce qui entraîne de fortes anomalies locales.
II Prospection magnétique
La méthode magnétique participe, de façon intense, à la recherche des gisements de pétrole :
elle représente 97% du chiffre d’affaire de la prospection géophysique industrielle.
L’archéologie bénéficie également de cette méthode. Des mesures faites sur de petites
distances permettent de détecter des masses de terres cuites enterrées (fours, murs)
Une autre méthode de prospection utilise les variations rapides du champ magnétique
terrestre. Le sol étant légèrement conducteur, les variations du champ magnétique terrestre
induisent dans le sol des courants électriques de très faible intensité, appelés courants
telluriques. Le rapport entre les courants telluriques et les variations du champ magnétique
terrestre dépend naturellement de la conductibilité électrique du sous-sol.
De la nature du champ magnétique et des courants telluriques, on peut tirer des informations
sur la conductibilité du sol et du sous-sol, et par suite sur la composition de ce dernier. Ainsi,
il est possible de distinguer le socle cristallin, qui est en général moins bon conducteur que les
roches sédimentaires.
27
LES ANOMALIES MAGNÉTIQUES DES PLANCHERS OCÉANIQUES
Lors des premières phases de l'exploration des fonds océaniques, les relevés de l'intensité du
champ magnétique à l'aide d'un magnétomètre tiré par un bateau avaient montré l'existence,
sur ces fonds, d'une alternance de bandes parallèles de magnétisme faible et de magnétisme
élevé. Cette situation restait mal expliquée.
Au début des années 1960, Vine, Matthews et Morlay ont expliqué et montré que l'existence
de ces bandes d'anomalie magnétique venait supporter l'hypothèse de l'étalement des fonds
océaniques de Hesse.
Schéma de l’étalement des fonds océaniques (de Hesse)
La formation de lithosphère océanique à la dorsale enregistre la polarité du champ magnétique
terrestre au moment où cristallise le basalte. Le plancher océanique qui s'étale se comporte
comme la bande magnétique d'un magnétophone qui fixe le son (ici, la polarité du champ
magnétique) au fur et à mesure de son déroulement.
Ce sont ces différences de polarité magnétique qui sont responsables des anomalies de
l'intensité du champ. La polarité actuelle étant normale, les bandes d'intensité élevée
correspondent aux bandes de polarité normale, résultant d'un effet d'addition, alors que les
bandes d'intensité faible correspondent aux bandes de polarité inverse, résultant d'un effet de
soustraction.
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Les quatre schémas qui suivent montrent comment se construit dans le temps un plancher
océanique constitué de bandes parallèles, de polarités magnétiques alternant entre normales et
inverses, et symétriques de part et d'autre d'une dorsale.
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MISE EN ÉVIDENCE DE L’ACTION DU CHAMP MAGNÉTIQUE
Problématique : comment démontrer qu’un aimant exerce un champ magnétique dans
l’espace, l’environnement.
Expérience
Afin de démontrer ce phénomène, nous disposons huit aiguilles aimantées autour d’un aimant
droit.
Analyse
Nous pouvons observer la stabilisation des aiguilles dans des directions différentes après
quelques oscillations. Mais toutes les flèches sont pointées vers le Nord de l’aimant.
En effet, le pôle Nord de l’aimant repousse le pôle Nord de chacune des aiguilles aimantées.
A l’opposé, il attire leur pôle Sud.
L’aimant est donc à l’origine d’une action à distance (absence de contact) sur chacune des
aiguilles aimantées.
Les propriétés de l’espace environnant sont modifiées par la présence de l’aimant. Il est la
source d’un champ magnétique dans l’espace dont il est entouré.
L’aiguille aimantée joue le rôle de détecteur de champ magnétique.
Conclusion
Il apparaît au cours de cette expérience qu’en présence d’un champ magnétique une aiguille
aimantée subit des actions mécaniques.
Ainsi, la Terre est la source d’un champ magnétique qui est plus généralement appelé champ
géomagnétique, sous l’action de ce champ, l’aimant suspendu, ou l’aiguille suspendue,
s’oriente.
30
LE SPECTRE MAGNÉTIQUE ET LES LIGNES DE CHAMP
Problématique : comment faire apparaître un spectre magnétique
Expérience :
Dans le but de réaliser un spectre magnétique, nous utilisons une plaque transparente (de
préférence en plastique ou en verre) que nous plaçons sur un aimant.
Puis nous saupoudrons la plaque de limaille de fer avant de tapoter délicatement.
Observation
Les particules de limaille de fer se comportent de façon analogue aux aiguilles aimantées :
subissant une action magnétique, elles tendent à s’orienter dans le sens du champ
magnétique B créé par l’aimant.
En faisant sauter les particules, elles ne sont plus en contact avec le support. On a ainsi
éliminé les frottements qui s’opposent à l’action du champ magnétique.
En retombant, les grains se placent alors selon les lignes de champ : on obtient alors le spectre
magnétique produit par l’aimant.
Conclusion
Le vecteur B apparaît tangent à une ligne de champ en chaque point du champ magnétique.
De plus, les lignes de champ magnétique sont orientées dans le même sens que le vecteur B
en un point : cette observation a été matérialisée grâce à la limaille de fer.
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Remarques
Les lignes de champ ne se coupent pas. La raison contribuant à expliquer ce phénomène est
qu’en chaque point, il n’y a qu’un unique vecteur de champ magnétique.
Les lignes sortent en divergeant du pôle Nord et convergent vers le pôle Sud après avoir
contourné l’aimant en l’enveloppant dans tout l’espace. Enfin, les lignes de champ se
referment dans l’aimant.
Là où le champ est intense (près des pôles), les lignes de champ sont très resserrées et forment
un réseau dense. Au contraire, elles sont resserrées loin des pôles, dans les régions où le
champ est faible.
Les lignes sont ici observées dans un champ, mais en fait, le champ existe dans l’espace à
trois dimensions entourant l’aimant.
En chaque point de l’espace entourant l’aimant, une ligne de champ passe.
32
ACTION D’UN CHAMP MAGNÉTIQUE SUR UN FAISCEAU D’ÉLECTRONS
Problématique : comment la trajectoire d’une particule chargée est-elle influencée dans un
champs magnétique ?
Expérience : on utilise un tube à canon à électrons ainsi qu’une bobine de Helmholtz.
On branche un générateur 0 – 30V,puis un second. Le premier permet d’imposer une tension
pour accélérer les électrons, le second permet de faire passer un courant dans les bobines afin
de créer le champ. Un dernier générateur est utile pour faire passer un courant dans le filament
pour qu’il chauffe.
Observation et conclusion :
Les électrons issus du canon sont libérés dans la sphère. La chaleur émise par le filament
chauffée excite les électrons et ceux-ci s’éparpillent dans la sphère.
C’est à cet instant où il devient possible de visualiser l’enroulement des électrons dans la
sphère. En effet, le champ magnétique créé par les bobines attire les électrons donnant
naissance au « cercle » visualisé.
bobines
sphère
région où se regroupent les électrons
On observe également que si l’on bouge la sphère, les électrons subissent un nouveau
déplacement : ils s’enroulent formant une « spirale ».
Cette expérience permet de comprendre à petite échelle le principe des aurores boréales de la
haute atmosphère.
En conclusion, on constate que le champ magnétique va courber la trajectoire des particules
chargées : les électrons, qui serait en son absence rectiligne.
Le champ magnétique dévie donc la trajectoire des électrons.
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ACTION D’UN CHAMP ÉLECTRIQUE SUR UN FAISCEAU D’ÉLECTRONS
Problématique : comment la trajectoire d’une particule chargée est-elle influencée dans un
champ électrique.
Expérience : on utilise à nouveau un tube à canon à électrons se situant dans un déflectron.
On branche un générateur de tension avec deux sorties : l'une, continue, variant entre 0 à
700V, l'autre délivrant une tension de efficace 6,3 V pour chauffer le système. A nouveau,
trois générateurs sont requis : l’un pour chauffer le filament, le second pour accélérer les
électrons ais le troisième cette fois pour appliquer une tension électrique sur les plaques
horizontales ce qui les charges électriquement : d’où l’apparition d’une force électrique.
L’alimentation est reliée à la borne + tandis que le – est relié à une borne du filament derrière
la boule.
Afin de visualiser la déviation du faisceau, on relie le – en haut et le + en bas de la boule ou
inversement.
Observation et conclusion :
A l’origine, un faisceau lumineux horizontal apparaît
perpendiculairement à la plaque graduée verticale.
Puis après les derniers branchement, on peut observer la déviation
du faisceau. Il est matérialisé par un faisceau bleu décrivant une
courbe descendante si le + est relié au bas (cas 1) et une courbe ascendante si le + est relié au
haut de la boule (cas 2).
Vue de la plaque (cas 2)
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Vue de la plaque (cas1)
En conclusion, on peut observer que le champ électrique dévie lui aussi la trajectoire des
électrons.
Les champs électrique et magnétique dévient la trajectoire des électrons et chaque
champ va pouvoir dévier leur trajectoire dans deux sens opposés.
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SOURCES
I Dictionnaires
-
Le Petit Robert des Noms Communs 2001
-
Larousse Illustré 1998
II Encyclopédies
-
Encyclopédia Universalis Tomes 5 et 11
-
Tout l’Univers – Larousse
-
Encyclopédie Complète Larousse Théma Sciences
-
Grand Larousse Universel Tomes 3 et 9
-
Quid 2002 (D et M Frémy)
III Livres de Physique
-
Le Monde de la Physique (Livre de Poche – Hans Breuer)
-
Dictionnaire de Physique (E. Levy)
-
1ère S Physique (Collection
IV Multimédia
-
Encyclopédie Encarta – Microsoft 1999
-
Encyclopédie Hachette – Microsoft 1998
-
Divers sites Web :
o www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/magnetisme.terr.html
o http://fr.encyclopedia.yahoo.com/articles/kh/kh_797_p0.html
o http://alain.canduro.free.fr/magnetisme.htm
Manon Duez 2nde 2
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