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En
1906, à travers l'étude des propriétés magnétiques des laves, le
géophysicien français bernard Bruhnes découvre le phénomène de
l'inversion du champ magnétique terrestre. A la même époque le japonais
Matuyama suggère l'existence d'inversions répétées de ce champ au cours
des temps géologiques. En 1960, cette hypothèse est validée
expérimentalement à l'aide de datations isotopiques et d'études
magnétostatigraphiques.
Flutuations de la polatité du champ géomagnétique.
Les zones blanches correspondent à une polarité positive et les zones noires à une polarité négative.
Evolution de l'intensité relative du champ géomagnétique au cours des deux derniers millions d'années.
La valeur moyenne de l'intensité du champ magnétique terrestre a été choisie égale à l'unité durant la période de Brunhes.
Quelles informations sur les variations temporelles du champ magnétique apportent ces deux courbes ?
Les inversions du champ magnétique terrestre qui se produisent au cours des temps géologiques sont désordonnées.
Il en est de même de l'intensité de ce champ durant les périodes où il n'y a pas d'inversion ( polarité constante).
Enfin la durée d'une inversion est rapide par rapport à la durée pendant laquelle la polarité reste constante.
Représenter
l'allure de l'évolution du champ en tenant compte du signe de celui-ci
à partir des données fournies par ces deux graphes.
Observation expérimentale d'une dynamo turbulente.
L'expérience VKS2
observation d'une dynamo turbulente et des rensersements erratiques du
champ magnétique. Reflets de la physique, bulletin de la société
française de physique 2005.
Pourquoi cette expérience est-elle appelée VKS ?
Von Karman Sodium.
Quels phénomènes ont été mis en évidence dans cette expérience ?
Un écoulement turbulent de sodium liquide génère un champ magnétique ainsi que des inversions aléatoires de sa polarité.
Dégager, en quatre ou cinq étapes, la démarche scientifique mis en oeuvre dans cette expérience.
Quelle est l'origine du champ magnétique d'une planète ?
Choix d'un modèle : la dynamo.
Insuffisance des simulations numériques, d'où l'expérimentation.
Quelles caractéristiques principales doit avoir le fluide utilisé dans cette expérience ?
Le
sodium est bon conducteur de l'électricité, liquide à la température où
se déroule l'expérience ; enfin il posséde une viscosité et une masse
volumique permettant d'atteindre des nombres de Reynolds élévés.
Citer deux dangers principaux que présente le sodium.
Le sodium réagit viollement avec l'eau et brûle spontanément en présence d'air.
Quel
est le principe de fonctionnement des sondes de champ magnétique ?
Combien faut-il de sondes pour mesurer les trois composantes du champ
magnétique ?
Une sonde de champ magnétique utilise l'effet Hall. Trois sondes sont nécessaires, une par direction.
Les valeurs de champs magnétiques sont données en gauss ( G). Quelle relation y a-t-il entre un tesla et un gauss.
1 T = 10 000 G.
Pourquoi les chercheurs ont-ils fait tourner les turbines à des vitesses différentes ?
Il faut simuler la rotation de l'ensemble de la terre.
Quelles
caractéristiques de l'évolution du champ magnétique terrestre, données
par les figures ci-dessus, sont reproduites par cette expérience ?
L'insersion
de la polarité, les variations aléatoires du champ magnétique et la
rapidité de l'inversion de polarité par rapport à la durée pendant
laquelle la polarité ne change pas.
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Le nombre de Reynolds cinématique.
En négligeant les effets de la pesanteur, l'équation de Navier-Stokes dans le cas d'un fluide conducteur s'écrit :
où r est la masse volumique du fluide et h sa viscosité dynamique.
Donner l'interprétation physique des différents termes de cette équation.
(1) : accélération locale ; (2) : accélération convective ;
(3) : densité volumique des forces de pression ; (4) : densité volumique des forces de Laplace ;
(5) densité volumique des forces de viscosité.
Le nombre de Reynolds cinématique permet de comparer l'ordre de grandeur de deux termes de cette équation. Lesquels ?
Le nombre de Reynolds cinématique permet de comparer l'ordre de
grandeur des termes (2) : transport convectif de la quantité de
mouvement et (5) : transport diffusif de la quantité de mouvement.
Entre 100°C et 150°C, la viscosité dynamique et la masse volumique du sodium liquide valent approximativement h =6 10-4 Pa s et r = 9 102 kg m-3.
Evaluer l'ordre de grandeur du nombre de Reynolds cinématique dans l'expérience VKS.
Lréf = 0,3 m ; Vmoyenne ~ 2 p N / 60 Lréf ~ 2*3,14*1000 / 60 *0,3 ~ 30 m/s ;
Re = r Vmoyenne * Longueur de référence / viscosité dynamique.
Re = 9 102*30 *0,3 / (6 10-4 )~ 107.
Le nombre de Reynolds magnétique.
Dans le cas d'un conducteur en mouvement, la loi d'Ohm locale s'écrit :
où s est la conductivité électrique du fluide.
On admet que la perméabilité magnétique du sodium est la même que celle du vide.
Montrer que l'équation vérifiée par le champ magnétique peut s'écrire :
Dans les équations de Maxwell le terme  sera négligé devant  .
Le nombre de Reynolds magnétique permet de comparer l'ordre de grandeur de deux termes de cette équation. Lesquels ?
Le nombre de Reynolds magnétique permet de comparer l'ordre de
grandeur des termes (1) et (2).
Entre 100°C et 150°C, la viscosité dynamique et la conductivité électrique du sodium liquide vaut approximativement 107 S m-1.
Evaluer l'ordre de grandeur du nombre de Reynolds magnétique dans l'expérience VKS.
Rm = µ0 s Vmoyenne * Longueur de référence = 4 p 10-7 * 107 *30 *0,3 ~102.
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