Magnétisme

Les anciens grecs, ceux qui vivaient près de la ville de Magnésie, et aussi les premiers chinois, savaient que certaines pierres, étranges et rares (probablement des morceaux de minerai de fer frappés par la foudre), avaient le pouvoir d’attirer le fer. Une aiguille d’acier frottée avec un aimant naturel de ce genre devenait “magnétique”. Aux environs de l’an 1000, les chinois découvrent qu’une telle aiguille suspendue et libre de ses mouvements pointe toujours dans la direction Nord-Sud.

La boussole magnétique se répendit bientôt à travers l’Europe. Christophe Colomb l’utilisa quand il traversa l’océan atlantique, notant que non seulement l’aiguille déviait légèrement de la direction exacte du Nord (donnée par les étoiles) mais aussi que la déviation changeait durant le voyage. Aux environs de l’an 1600 William Gilbert, physicien de la reine Elizabeth I d’Angleterre, proposa une explication : la terre serait elle-même un gigantesque aimant avec ses pôles magnétiques situés à une certaine distance des pôles géographiques (c’est à dire près des points définissant l’axe autour duquel tourne la Terre).

La Magnétosphère

Sur terre, on a besoin d’une aiguille aimantée sensible pour détecter les forces magnétiques. Loin dans l’espace, celles-ci sont généralement beaucoup plus faibles, mais elles ont un rôle bien plus important. Cette région où les forces magnétiques dominent, est appelée la magnétosphère Terrestre. Elle est constituée d'un mélange de particules chargées électriquement : ce sont les phénomènes électriques et magnétiques (plus que la gravité) qui déterminent sa structure.

Seuls quelques phénomènes observables depuis le sol ont pour origine la magnétosphère : les fluctuations du champ magnétique connues sous les noms "orages magnétiques" et "sous-orages magnétiques", ainsi que les aurores polaires ou « aurores boréales  » apparaissant dans le ciel nocturne des régions comme l’Alaska ou la Norvège. Les satellites dans l’espace sont très sensibles à la ceinture de radiations, aux structures magnétiques, aux écoulements rapides de particules, ainsi qu'aux processus qui leur fournissent de l’énergie. Tous ces phénomènes sont décrits dans les pages qui suivent.

Mais qu’est-ce que le magnétisme ?

Jusqu’en 1821, un seul type de magnétisme était connu : celui produit par les aimants. A cette époque, un scientifique Danois, Hans Oersted, nota au cours d'une démonstration qu’un courant électrique dans un fil faisait tourner l’aiguille d’une boussole toute proche. Le nouveau phénomène fut étudié en France par André-Marie Ampère qui conclu que la nature du magnétisme n’était pas ce que l’on avait cru jusqu’alors. Il existait une force entre les courants électriques : deux courants parallèles s’attirent s’ils s’écoulent dans le même sens, mais se repoussent s’ils vont en sens contraires. Les aimants sont un cas très spécial qu’Ampère a également su expliquer.

Dans la nature, les champs magnétiques sont produits dans les gaz raréfiés de l’espace, dans la chaleur rayonnante des taches solaires et dans le noyau fondu de la terre. L'origine d'un tel magnétisme est nécessairement électrique. Mais comprendre comment ces courants électriques sont produits reste un défi majeur.

Les lignes de champ magnétique

Michel Faraday, connu pour ses découvertes fondamentales en électricité et magnétisme (on a appelé en son honneur une unité électrique le “Farad”), proposa une méthode largement utilisée depuis pour visualiser les lignes de champ magnétique. Imaginez que l’on place près d’un aimant ou d’un courant électrique, une aiguille de boussole suspendue et libre de se mouvoir dans les trois directions de l'espace. On peut tracer dans l’espace (ou du moins dans notre imagination !) les lignes que l’on obtient « en suivant la direction de l’aiguille de la boussole ». Faraday appela ces lignes les "lignes de forces", mais le terme "lignes de champ" est maintenant communément employé.

Les lignes de champ d’un aimant en forme de barre sont souvent visualisées à l'aide de limaille de fer saupoudrée sur une feuille de papier tenue au dessus de l’aimant. Comme pour l’aimant, les lignes de champ magnétique terrestre pointent vers les deux pôles magnétiques. Dans le cas de la Terre elles partent près du pôle sud géographique de la terre, s’incurvent dans l’espace et convergent près du pôle nord géographique.

Cependant, dans la magnétosphère terrestre, des courants électriques s’écoulent aussi à travers l’espace et modifient ce schéma : du côté faisant face au soleil (le côté "jour"), les lignes de champ sont comprimées tandis que du côté qui n’est pas éclairé par le soleil, le côté « nuit », elles sont étirées et forment une très longue « queue », comme celle d’une comète. Près de la Terre cependant, les lignes restent très proches du “schéma dipolaire”, celui du schéma à deux pôles que présente un aimant en forme de barre.

Lignes de champ magnétique à partir d’un modèle idéalisé.

Pour Faraday, les lignes de champ étaient principalement un artifice pour faire apparaître la structure de la force magnétique. En recherche spatiale cependant, elles ont une signification plus large, car électrons et ions ont tendance à rester liés les uns aux autres comme des perles sur un fil, jusqu’à être piégés quand les conditions le permettent. En raison de ces liaisons, les lignes de champ définissent une “direction facile” dans le gaz raréfié de l’espace, à l'instar des fibres dans un morceau de bois : une direction dans laquelle ions, électrons, et courant électrique (ainsi que certaines ondes radio), peuvent facilement se déplacer ; en revanche le mouvement d’une ligne à une autre est plus difficile.

Un coup d’œil sur une carte des lignes de champ magnétique de la magnétosphère, comme celle présentée ci-dessus (obtenue à partir d’un modèle mathématique de champ), montre comment les régions sont liées et donne quelques indications sur certaines propriétés importantes de la magnétosphère.

Ondes électromagnétiques

Faraday a non seulement vu l'espace autour d'un aimant comme empli de lignes de champ, mais il a aussi développé une notion intuitive (et peut-être mystique) qu'un tel espace est lui même modifié, même s'il est complètement vide. Un jeune contemporain, le grand physicien Écossais James Clerk Maxwell, a fait reposer cette idée sur un fondement mathématique en y incluant les forces électriques et magnétiques. Un tel espace modifié est appelé champ électromagnétique. De nos jours, les champs électromagnétiques (comme les autres champs) sont une pierre angulaire de la physique. Les équations de base du champ électromagnétique déduites par Maxwell lui ont suggéré qu'elles pouvaient traduire le comportement d'une onde se propageant à la vitesse de la lumière. Maxwell supposa à juste titre qu'il s'agissait là des équations gouvernant la lumière et que la lumière elle-même était en fait une onde électromagnetique.

En Allemagne, Heinrich Hertz produisit ensuite de telles ondes par des moyens électriques au cours de la première expérience de laboratoire sur les ondes radio. De nos jours, une large variété d'ondes électromagnétiques est connue, de la radio (de très longues ondes de fréquence relativement basse) aux micro-ondes, infra-rouge, lumière visible, ultra-violet, rayons X et rayons gamma (des ondes très courtes, de très haute fréquence). Les ondes Radio produites dans notre magnétosphère sont souvent modifiées par leur environnement et nous donnent des indications sur les particles qui y sont piégées. D'autres ondes ont été détectées en provenance des magnétosphères du Soleil, des planètes distantes, et de l'univers lointain. On observe aussi des rayons X en provenance de telles sources, rayons qui sont la signature de la présence d'électrons de haute énergie.

Plus sur les ondes électromagnetiques