Modélisation analogique du paléomagnétisme des basaltes


Niveau / thème et partie du programme
Première S SVT - Thème 1 - B La tectonique des plaques : l’histoire d’un modèle


Intention pédagogique
Par une modélisation analogique, on
cherche à fossiliser des inversions du champ magnétique par certains minéraux des basaltes. La séance s'inscrit dans une démarche déductive. Les élèves doivent au préalable avoir fait le cours sur le paléomagnétisme, ils doivent maîtriser les concepts suivants: inversions du champ magnétique, anomalies, point de Curie, minéraux ferromagnétiques. On pourra joindre les ressources suivantes, en fonction du type d'aimant utilisé:
 

Le champ magnétique a les propriétés mathématiques d’un vecteur : 
-  une direction : celle prise par l’aiguille aimantée  et tangente à la ligne de champ 
-  un sens : celui qu’indique le pôle nord de l’aiguille aimantée (du sud vers le nord de l’aiguille). Chaque ligne de champ est tangente en tout point au vecteur champ magnétique et se referme sur elle-même. 
Le champ terrestre est principalement dipolaire, comparable à celui que produirait un aimant droit à peu près aligné sur l’axe de rotation de la Terre.
Le champ magnétique dans l’entrefer d’un aimant en U est uniforme.  

 

Rappel sur l'origine des matériaux aimantés : Un matériau ferromagnétique comme la magnétite s'aimante sous l'effet d'un champ magnétique externe et garde une partie de cette aimantation lorsqu'il n'est plus soumis à un champ magnétique externe au-dessous d’une certaine température appelée point de Curie.
Au-dessus de cette température, le matériau ne conserve pas l’aimantation.
A l’échelle microscopique, on peut assimiler chaque atome à un dipôle magnétique, comme un mini-aimant, qui est représenté par un vecteur (ou une mini boussole).
          


Compétences travaillées:
- suivi d'un protocole expérimental
- communication des résultats : par exemple légender directement la feuille plastifiée, filmer le comportement d'une boussole à proximité de la feuille plastifiée
- faire preuve d'esprit critique vis-à-vis de la modélisation

Matériel nécessaire:

- plastifieuse, feuilles à plastifier format A4

- poudre de magnétite

- aimant droit ou en U

- plaque en verre ou en polycarbonate

- spatule

- boussole


Protocole

1)      Positionner la feuille plastifiée sur la plaque de verre, elle-même sur l’aimant. Ouvrir largement un des deux côtés de la feuille vers le haut.

2)      Déposer à l’aide de la spatule de très fines quantités de magnétite à l’intérieur de la feuille plastifiée.
NB : tapoter la main tenant la spatule avec l’autre main, ne pas hésiter à s’y reprendre à plusieurs reprises pour ne pas faire de grumeaux.

3)      Refermer la feuille plastifiée et l’éloigner de l’aimant verticalement.

4)      Plastifier la feuille

Préparer la seconde feuille en plaçant l’aimant en position inversée (pôle N à S et pôle S à N)

 

Résultats, productions possibles

photographie d'une feuille plastifiée
avec un aimant droit
photographies de feuilles plastifiées
avec un aimant en U

effets du champ fossilisé sur une boussole

https://www.youtube.com/watch?v=s4ZLKkwNxNo


On constate que la poudre a formé des lignes de force correspondantes aux lignes du champ magnétique fossilisé. 
A l'aide d'une boussole, on peut par ailleurs caractériser le champ enregistré par la magnétite: sur la vidéo, le trait rouge (matérialisant le pôle nord de l'aimant sur lequel était posé la magnétite) attire de nouveau le pôle sud de la boussole. L'autre côté a tendance à repousser le pôle sud de la boussole.

Analyse critique du modèle

Points communs avec la réalité:

En figeant les grains de magnétite, la plastification a bien 'fossilisé' un champ magnétique normal ou inversé, selon la position de l'aimant au départ.

Différences avec la réalité:

Outre la température de fonctionnement du modèle, très différente du point de Curie, l'origine de l'aimantation enregistrée est différente. Ce ne sont pas les 'mini-aimants' microscopiques qui s'alignent ensemble dans la même direction du champ appliqué, mais les grains de magnétite, déjà magnétisés, qui tournent dans la bonne direction.

 


Aides, coups de pouce
n° 1 : aide à la communication des résultats (pour préparer l’interprétation) :
- légender la feuille plastifiée correctement (lignes de champ, contour de l’aimant, polarité de l’aimant)
- dessiner, photographier ou filmer la réaction de la boussole à proximité des zones précédemment légendées ;

n° 2 : aide à l’interprétation :
Mettre en évidence la ‘fossilisation’ du champ normal ou inversé de l’aimant en décrivant le comportement de la boussole à proximité de feuille plastifiée :la boussole est attirée par le pôle S de la magnétite, la boussole est repoussée par le pôle N de la magnétite.
Discuter la pertinence du modèle :
A-t-il enregistré le champ magnétique extérieur comme les basaltes océaniques ?
A quoi correspond le point de Curie dans le modèle analogique ?
Critiques éventuelles du modèle?

n° 3 : aide au schéma à l’échelle microscopique (voir schéma ci-dessous): 
Les matériaux ferromagnétiques comme la magnétite acquièrent un champ magnétique orienté dans la même direction et le même sens que le champ extérieur (terrestre, gros aimant…).
Ainsi, les atomes assimilés à des mini-aimants sont tous orientés dans le même sens.
 

Schéma-bilan de l'activité (version élève)




Schéma-bilan de l'activité (version corrigée)



 

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