Aurores

Électromagnétisme. Force de Lorentz
samedi 28 janvier 2006
par  Bernard Vuilleumier
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Lors de tempêtes solaires, lorsque le flux de particules émises par le soleil est particulièrement intense, un grand nombre de ces particules pénètrent dans l’atmosphère en suivant des trajectoires en hélice qui s’enroulent autour des lignes de champ des pôles géomagnétiques terrestres. Alors ces particules entrent en collision avec les atomes de la haute atmosphère et leur communiquent de l’énergie qu’ils libèrent sous forme de lumière, ce qui provoque les aurores polaires.

Le soleil émet continuellement un flux de particules chargées appelé « vent solaire ». En atteignant la terre, la majorité de ces particules sont déviées par le champ magnétique terrestre et poursuivent leur course dans l’espace. Mais, lors de tempêtes solaires, lorsque ce flux est particulièrement intense, un grand nombre de ces particules pénètrent dans l’atmosphère en suivant des trajectoires en hélice qui s’enroulent autour des lignes de champ des pôles géomagnétiques terrestres. Alors ces particules entrent en collision avec les atomes de la haute atmosphère et leur communiquent de l’énergie qu’ils libèrent sous forme de lumière, ce qui provoque les aurores polaires. Ce phénomène a frappé l’imagination des témoins au cours des siècles et on le trouve mentionné dans des textes qui remontent à la plus haute antiquité.

Dès le milieu du XXe siècle, la collecte d’une masse imposante de données, notamment à partir d’observations effectuées depuis des satellites, a permis une bonne compréhension des aurores polaires.

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Fig. : Photo réalisée par Dick Hutchinson. Pour d’autres photos voir son site.

Le champ magnétique terrestre peut être considérée, en première approximation, comme dipolaire. Il soumet les particules chargées à la force de Lorentz et leur mouvement global est la résultante de trois mouvements élémentaires. Le premier est une rotation autour du champ magnétique local. Le second est un mouvement de va-et-vient entre les deux hémisphères. Le troisième est une dérive longitudinale qui amène les particules à tourner autour de la Terre sur une coquille magnétique. Les périodes caractéristiques de ces différents mouvements sont très différentes.

Sources. Pour en savoir plus.
Photographies d’aurores polaires
Bobines de Helmholtz
Trajectoire d’une particule chargée dans un champ électromagnétique

Activités


1. Champ magnétique homogène

a) Une particule de charge q se délace à la vitesse Overscript[v, →] dans un champ Overscript[B, →]. Donnez la direction et le sens de la force qu’elle subit. Exprimez la grandeur de cette force.
b) Construisez un modèle permettant d’obtenir la trajectoire de la particule pour différents angles d’attaque (angle entre le vecteur vitesse
Overscript[v, →] et le vecteur champ magnétique Overscript[B, →]).
c) Comment cette trajectoire est-elle modifiée si la particule subit une force de frottement proportionnelle à sa vitesse ?

2. Loi de Biot-Savart
Cherchez l’expression de la loi de Biot-Savart et utilisez-là pour calculer le champ magnétique
Overscript[B, →] créé par une bobine plate sur son axe si elle comporte N spires parcourues par une courant d’intensité I.

3. Production d’un champ magnétique homogène. Bobines de Helmholtz
La configuration « bobines de Helmholtz » est l’association de deux bobines plates identiques séparées par une distance égale à leur rayon sur leur axe commun et montées en série pour que les champs magnétiques s’ajoutent. Exprimez le champ magnétique créé au milieu des bobines en fonction de l’intensité
I du courant qui les parcourt, du nombre N de spires que comporte chaque bobine et de leur rayon R.

4. Mouvement d’une particule chargée dans un champ électromagnétique
Construisez un modèle permettant d’obtenir les composantes x, y et z du vecteur position d’une particule de masse m et de charge q se déplaçant à la vitesse Overscript[v, →] dans une région de l’espace où règnent un champ magnétique Overscript[B, →] selon Ox et un champ électrique Overscript[E, →] selon Oz.

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