Champ magnétique terrestre : mesures dans le métro

Si vous avez lu la page qui explique quelques méthodes pour détecter l’aimant situé au-dessus de la cache de la chouette, vous savez qu’il est facile de mesurer avec précision le champ magnétique terrestre. On peut obtenir sa valeur moyenne et sa valeur dans les 3 dimensions (x, y et z) en utilisant une simple appli installée sur son smartphone.

On ne va pas sur le terrain tous les jours pour creuser, et il n’est pas certain que Max Valentin a laissé l’aimant sur la cache après sa dernière visite du site. Mais on pourra utiliser le magnétomètre intégré dans son smartphone pour des tas d’autres expériences…

Ainsi, en visitant le Palais de la découverte à Paris, j’ai assisté aux fameux exposés des salles de physique. Et bien sûr, pendant les expériences sur l’électromagnétisme, j’ai sorti mon smartphone et j’ai lancé l’appli magnétomètre. A plusieurs mètres du gros électroaimant rouge, j’ai constaté que le champ magnétique doublait (il passait de 45 μT à plus de 100 μT) lorsque le démonstrateur appuyait sur l’interrupteur. J’ai discuté avec lui à la fin de l’atelier pour lui suggérer l’utilisation d’une appli sur un smartphone pour montrer l’intensité du champ magnétique (et surtout ses variations).

Mais il existe d’autres circonstances pour utiliser l’appli de magnétomètre sur son smartphone… C’est en utilisant un moyen de transport qui fonctionne avec des moteurs électriques.

Dans les bus

Après avoir testé l’appli dans un bus parisien (un « tout électrique »), je n’ai rien trouvé d’intéressant. D’abord, la RATP utilise plusieurs modèles de bus électriques. Ensuite, si l’on veut mesurer le champ magnétique créé par le(s) moteur(s), il faut trouver la bonne place pour voir des variations. Et dans un bus en mouvement, il n’est pas facile de se déplacer dans tous les coins sans se faire remarquer.

Ensuite, le champ magnétique rayonnant devrait se trouver autour du moteur. Or, ce moteur est conçu pour avoir un rendement optimal, et les pertes magnétiques sont réduites. Les câbles reliant le moteur aux batteries devraient rayonner. Mais où passent-ils dans le châssis ?

Dans le métro parisien

Pour obtenir des mesures intéressantes, j’ai eu l’idée de mesurer le champ magnétique dans les rames du métro parisien. En effet, dans le métro, le champ magnétique le plus intense est créé par le courant qui passe dans les rails.

Pour info, le « captage du courant » est expliqué sur cette page (Wikipédia : troisième rail). La tension continue d’alimentation est de 750 volts. Le courant qui circule dans les rails est à sa valeur maximale au démarrage (pour vaincre l’inertie de la rame) et au moment du freinage (récupération d’énergie). Les rames utilisent une puissance totale de 1500 à 2000 kW (MP 89 : 2000, 2400 ou 2800 kW selon les sources) pour les 6 à 8 moteurs. Donc, le courant consommé (en régime de croisière) est au minimum de 2000 ampères.

Troisième rail sur une photo modifiée extraite de Wikipédia.

C’est en se plaçant à la verticale des rails que le champ magnétique mesuré est le plus intense.

Le champ magnétique terrestre est d’environ 45 μT, valeur que l’on retrouve sur le quai du métro. Les applis de magnétomètres installées sur les smartphones indiquent l’intensité selon les 3 axes (x, y et z) ainsi que la moyenne quadratique. J’ai utilisé l’appli Teslameter.

Voici quelques exemples de mesures du champ magnétique dans le métro parisien. Je tenais le smartphone légèrement incliné parfois. Pour être rigoureux, il faudrait recommencer les mesures en tenant le smartphone bien à plat (pour z) et dans l’axe de la rame (pour x), et noter l’emplacement dans la rame et la hauteur par rapport au plancher. Il serait difficile de poser le smartphone sur le sol sans se faire remarquer (sauf s’il existe une fonction « enregistrement » et que l’on place l’appareil au fond d’un sac posé par terre). Pour enregistrer les valeurs, j’ai simplement fait une copie d’écran. L’idéal serait de trouver une appli qui enregistre les données en permanence pour les exploiter ensuite. Il faudrait noter les noms des stations avec les horodatages correspondants pour identifier les pentes, les virages, l’orientation relative de la rame… On devrait retrouver des pics à chaque démarrage et à chaque freinage (ou forte pente).



Sur le quai, même valeur qu’à l’extérieur : les 3 composantes sont constantes. Les valeurs de x et y dépendent de l’orientation (azimut) du smartphone, comme pour une boussole. Si l’on place le smartphone « dans le sens de la marche de la rame », on ne pourra pas choisir les valeurs de x et de y. Sur le quai, on peut s’amuser à orienter le smartphone pour lire x = 0 ou y = 0, mais ça ne change rien à la moyenne affichée en grands caractères sur l’écran.

 



Fortes variations (courbes x en rouge et z en bleu) quand la rame accélère ou freine.

 

 

 

 



Valeur minimale du champ magnétique (pendant un freinage de la rame). x (dans le sens de la marche) est positif et très faible. Mais si l’on tournait le mobile pour augmenter x, y diminuerait (comme pour une boussole). On s’aperçoit que seule la valeur moyenne est pertinente.

 

 


 

Forte variation positive de la composante x (sens de la circulation de la rame) du champ magnétique.

Les valeurs de x et de y dépendent de l’orientation de la rame de métro. On ne peut pas choisir une ligne rigoureusement orientée nord-sud ou est-ouest (et ce serait inutile puisque l’on peut lire la valeur moyenne du champ).

 


 

Valeur maximale du champ magnétique (assis, smartphone au niveau des genoux). La valeur de x est devenu très négative. Je ne me souviens plus si j’étais assis à la même place. Il suffit simplement de s’asseoir dans le sens de la marche ou dans le sens inverse pour que x soit positif ou négatif. Encore plus simplement, il suffit de faire tourner le smartphone dans ses mains. On voit que la moyenne est la seule valeur pertinente.

 


 

Valeur maximale du champ magnétique pendant un démarrage ou une montée (en rapprochant le smartphone du plancher, à 20 cm au-dessus, donc plus près des rails que dans les autres cas).

 

 

 

Dans le train (Transilien)

J’ai aussi aussi effectué des mesures dans le Transilien (ligne N). La valeur du champ magnétique mesuré varie entre 8 et 153 μT. On obtient des valeurs élevées (153 μT) en se rapprochant du sol de la rame (donc, près des rails).

Vitesse constante Variation de vitesse  Proche du sol

En résumé, la valeur du champ magnétique diminue de moitié dans certains cas (23 μT au lieu de 45 μT), elle est multipliée par 4 d’autres fois. En valeur absolue, elle varie de 8 fois. Et elle varie souvent pendant le parcours de la rame. Est-ce dangereux ? Les valeurs les plus fortes sont au niveau des pieds, quand on est placé au-dessus des rails (donc près des portes). Si le cerveau est sensible aux variations de champ magnétique, il est moins exposé car il est placé à 1,20 m environ (assis) à 1,80 m (debout pour les personnes de grandes tailles).

Il pourrait être intéressant de lancer une « campagne de mesures » pour collecter des données de nombreuses rames de métros parisiens, de RER, de TGV, etc. Mais il faudrait définir un protocole (pour que tout le monde récolte des données fiables) et ensuite faire la synthèse de ces données. Faute de pouvoir en déduire une théorie, ces données pourraient être utiles au cas où il serait prouvé que ces champs sont nocifs ou dangereux (pas pour tout le monde, mais certains « magnétosensibles » se signaleraient peut-être à cette occasion).

Sources

Pour vous faire une opinion sur la sensibilité des êtres humains aux faibles champs magnétiques, à leurs variations et aux éventuels dangers pour la santé, voici quelques sources :

Le cerveau humain peut détecter les variations du champ magnétique terrestre, Cette sensibilité est sans doute un reliquat de notre évolution, car certains animaux utilisent leur perception du champ magnétique pour s’orienter. Mais chez l’être humain, on n’a pas encore démontré comment peur se traduire cette sensibilité (certains articles évoquent des points blancs devant les yeux) et de quelle façon elle pourrait agir sur notre comportement.


Attention ! Pour les non-scientifiques, il ne faut pas confondre le champ électrique et le champ magnétique. Le champ magnétique peut être faible (champ magnétique terrestre) ou fort (IRM), constant ou variable, etc. Donc, si vous vous sentez mal à l’aise dans le métro, cela peut être dû à de multiples causes (bruit, foule, paysage qui défile, obligation de maintenir son équilibre si l’on est debout, courants d’air, odeurs…).