Dé-mineur. Bodlet Constance Buret Coralie Caron Flavie Lemaire Eléonore. Partenaire : Laurent Le Goff

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1 Dé-mineur Bodlet Constance Buret Coralie Caron Flavie Lemaire Eléonore Partenaire : Laurent Le Goff Lycée Saint-Jacques 2016/2017

2 Sommaire Introduction I/ Un peu de théorie avant d embarquer 1- Le champ magnétique p.4 2- Le diamagnétisme.p.5 3- Le paramagnétisme.p.6 4- Le ferromagnétisme p.7 5- Synthèse Aimantation p10 II/ Les mines magnétiques : un système ingénieux 1- Description d une mine magnétique..p Mesure du champ magnétique terrestre p Signature magnétique..p.13 III/ A l abordage : application au bateau 1-Cycle d Hystérèse p Désaimantation..p.17 Conclusion 2

3 Introduction Nous sommes 4 élèves de terminale S du lycée Saint Jacques à Hazebrouck, dans les Flandres. Suite à la visualisation d une émission sur RMC découverte (les défis de la construction) sur les navires de guerre, nous avons été intriguées par le fonctionnement du système de protection des bateaux pour déjouer les mines. Les mines marines étaient une arme efficace pendant la seconde guerre mondiale ; on compte parmi elles les mines magnétiques, les mines à orin, mines dérivantes, acoustiques Aujourd hui, les chasseurs de mines bataillent pour les rendre inactives, mais comment? C est bien cette interrogation qui a constitué le fil conducteur de notre démarche. Parmi elles, nous nous sommes intéressées aux mines magnétiques, à la manière dont elles fonctionnaient, à la démarche que les chasseurs de mines mettaient en place afin de les désactiver. N est-ce pas intéressant de comprendre le fonctionnement d objets qui paraissent si intelligents? En d autres termes, quelles sont les méthodes utilisées par les navires chasseurs de mines pour déjouer les pièges des mines magnétiques? «La guerre des mines» menée par la France est aujourd hui due à trois raisons : -la première consiste en la recherche de munitions historiques, c est-à-dire des mines de la seconde guerre mondiale dont la moitié est encore au fond des océans, -la deuxième concerne l accès au port de Brest qui doit être laissé libre pour tout sous marin nucléaire lanceurs d engins. C est aussi le cas à Toulon pour le porte-avion Charles de Gaulle et les sous-marins nucléaires d attaque. -la dernière de ces raisons concerne la recherche d épaves dans les fonds marins où les démineurs doivent intervenir. Nous avons été en étroite collaboration avec M. Le Goff, spécialisé dans la recherche et la destruction des mines de la base navale de Brest, qui nous a communiqué des informations et qui est resté en contact avec nous durant toute notre démarche. Nous lui avons ensuite demandé s il voulait bien être notre partenaire dans nos recherches ce qu il a accepté. Nous avons principalement communiqué par téléphone et par mail, son aide nous a été très précieuse pour mieux comprendre notre sujet et nous lui en sommes reconnaissantes. 3

4 I/Un peu de Théorie avant d embarquer 1-Le Champ Magnétique Un champ magnétique est une région de l espace où une aiguille magnétique est soumise à une force magnétique. Un champ magnétique est représenté par un vecteur B tangent aux lignes de champ. Les lignes de champ permettent de visualiser la région de l espace dans laquelle le champ existe. Son sens est celui indiqué par le sens Sud / Nord d une aiguille aimantée. Son unité est le tesla (En l honneur du physicien serbe Tesla). Sur terre, le champ magnétique est environ de 58 µt à la latitude de 50. Lignes du champ terrestre Un aimant est un corps capable d attirer le fer, le nickel, le cobalt et certains alliages contenant beaucoup de fer (tel que l acier) ; ces corps sont appelés corps ferromagnétiques. Afin de mieux comprendre ce qu est le champ magnétique, nous avons réalisé plusieurs expériences que nous allons maintenant présenter : Tout d abord, on peut visualiser les lignes de champs à l aide de grains de limaille de fer : dans le champ chaque grain s aimante et subit un couple de forces qui l oriente parallèlement au champ, tout comme une aiguille magnétique. 4

5 Visualisation du spectre magnétique en 3D On a placé dans une bouteille en vert de la glycérine liquide et de la limaille de fer afin de visualiser un spectre magnétique en 3D. Puis nous avons placé un aimant, on constate que la limaille de fer est très attirée par l aimant. L aimant a aimanté les grains de limaille. On remarque que le champ magnétique créé par un aimant existe dans l espace à 3 dimensions. On trouvera en Annexe des expériences sur les spectres magnétiques. Les champs magnétiques peuvent également être créés par du courant électrique. Et nous en reparlerons dans la suite du mémoire. 2- Le diamagnétisme Ainsi, on peut considérer les électrons des atomes comme de petits aimants tournant sur euxmêmes, produisant ainsi des boucles de courant et donc générant des micros champ magnétiques. Quand ceux-ci forment des paires sur les différentes couches des atomes, ils tournent sur eux même et dans un autre sens comme le manège des tasses. Ces substances sont alors appelées diamagnétiques. C est Faraday qui fut le premier à observer ce phénomène en Elles repoussent le pôle d un aimant fort : Aimants Nous avons allumé une bougie, puis approché de la flamme deux aimants, la flamme s allonge très nettement. Cela pourrait s expliquer grâce à l acide stéarique, volatilisé lors de la combustion et assez nettement diamagnétique, comme la plupart des composés organiques. Le diamagnétisme est associé au mouvement orbital des électrons atomiques. S ils sont soumis à un champ magnétique, leur mouvement est légèrement modifié et ce mouvement supplémentaire produit un champ qui s oppose au champ appliqué. Par conséquent, on rencontre le diamagnétisme dans toutes les 5

6 substances et on peut l observer tant qu il n est pas noyé par un autre type de magnétisme plus important. Le bismuth est une autre substance diamagnétique par exemple. 3. Le paramagnétisme Si un atome possède un nombre impair d électrons ou une structure dans laquelle tous les électrons ne sont pas couplés en paires, l atome se comporte comme un dipôle magnétique qui produit son propre champ magnétique. Cependant un échantillon contient un très grand nombre d atomes, ces dipôles sont orientés au hasard à cause de l agitation thermique ; leur champ magnétique total est donc nul. Lorsqu on approche un aimant fort, les pôles de chaque atome s orientent de façon parallèle le long du champ extérieur et la substance s aimante et est attirée par l aimant. Mais cette attraction est faible et cesse dès que le champ extérieur est supprimé. Les substances de cette sorte sont alors dites paramagnétiques : l aluminium, l oxygène, le sodium, le platine et l uranium en sont des exemples. L armature d un transformateur démontable Rhéostat Multimètre Un tube en U avec du chlorure de fer III Deux bobines de 500 spires Le liquide étudié est du Fecl 3 contenu dans un tube en U (9,08 g pour 10,0 ml). L une des branches du tube est placée dans l entrefer d un électro-aimant. Lorsqu on établit le courant dans l électroaimant, la solution concentrée de chlorure ferrique monte dans le tube ; la force magnétique et le poids du liquide s équilibrent. Dès que l aimantation cesse, le niveau redescend. Le corps est paramagnétique. On a placé une lentille à 36,3 cm du tube et le tube est éclairé par une lampe ; on observe l image du tube à 97,4 cm de la lentille sur un écran. L image est bien sur renversée. Le grandissement de la lentille est de -2,7. On obtient un déplacement de 1,0 cm du liquide sur l écran. On trouvera le calcul de la susceptibilité magnétique du chlorure de feriii en annexe 6

7 Chlorure de FerIII Image du tube sur écran. 4. Ferromagnétisme Le ferromagnétisme désigne la capacité de certains corps à s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur et de garder une partie de cette aimantation. Il existe de nombreux matériaux tels que le fer, le nickel ou encore l acier et l alnico (Al+Ni+Co). Soumis à un champ magnétique, ces matériaux deviennent aimantés, autrement dit le dipôle total d un atome interagit fortement avec les dipôles des atomes voisins, Domaines de Weiss favorisant leurs orientations suivant une orientation commune qui persiste même à une température ambiante. Ces substances sont fortement attirées par les pôles d un aimant et s aimantent facilement elles-mêmes, devenant ainsi des aimants permanents. Les substances ferromagnétiques sont formées par un grand nombre de domaines microscopiques appelés domaines de Weiss, dans lesquels un très grand nombre de dipôles magnétiques sont parallèles. Schéma représentant la variation des domaines d un matériau ferromagnétique. La croissance des domaines alignés dans la direction d un champ magnétique appliqué dépend des autres domaines. Lorsque l intensité du champ magnétique appliqué augmente, la configuration des domaines varie de (a) à (b) à (c) et à (d) (voir schéma) Dans un échantillon non aimanté, les orientations de ces domaines sont aléatoires et leurs champs s éliminent donc. Cette configuration est un compromis entre l ordre total dans l orientation du 7

8 dipôle magnétique et le désordre total. Si un échantillon ferromagnétique est soumis à un champ magnétique, sa structure de domaine peut être modifiée de deux façons : La taille des domaines qui sont déjà alignés avec les champs extérieurs s étend au dépend de domaines non alignés dont la taille alors diminue. C est ce qui arrive effectivement quand un morceau de fer doux s aimante lorsqu il est placé dans un champ. La deuxième façon de s aimanter qui exige un champ extérieur intense résulte en une réorientation irréversible des domaines. Tout le dipôle des électrons couplés dans chaque domaine tourne littéralement pour s aligner avec les champs appliqués exactement comme une aiguille de boussole. Ce mécanisme prévaut dans les substances qui deviennent aimantées d une façon permanente. Mise en évidence du ferromagnétisme Nous avons placé un noyau de fer doux à l intérieur d une bobine. Cette bobine est traversée par un courant continu. Il se crée alors un champ magnétique. La bobine se comporte comme un aimant droit et le champ magnétique intérieur y est uniforme. On peut donc générer des champs magnétiques à l aide de courants et en régler leur intensité. Nous avons placé quelques clous aux extrémités du barreau d acier, pendant l alimentation de la bobine, le noyau de fer s est aimanté dans le champ créé par la bobine, produisant une attraction sur les trombones. L aimantation est temporaire puis qu il se désaimante à la rupture de l alimentation du courant de la bobine. Rhéostat Clous Solénoïde Générateur Mise en évidence du ferromagnétisme Noyau de fer doux I = 0.73 A I = 0 A 8

9 Point de Curie Nous avons mis à proximité des aimants et un trombone (fer) sans se toucher mais attirés par le pôle d un aimant, puis nous avons chauffé le trombone jusqu'à ce qu il devienne rouge. On constate que l aimant s éloigne du trombone lorsque la température atteint le point de curie, c'est-à-dire que le trombone s est désaimanté. Lorsque celui-ci est refroidi, il se ré aimante et retrouve ses propriétés magnétiques. Chalumeau Trombone Aimants Expérimentation du point de Curie d un trombone Le trombone n est plus aimanté. Thermomètre Trombone Aimants Le point de Curie d un trombone est de 775 C. Si l on chauffe l aimant à une température suffisamment élevée (point de curie), les atomes vibrent énergiquement et finissent par s orienter au hasard. Pierre Curie a découvert que chaque substance 9

10 ferromagnétique a une température limite caractéristique, appelée température de curie, au delà de laquelle le ferromagnétisme disparaît et la matière devient paramagnétique. On trouvera en annexe d autres types d aimantation Mise en évidence des Domaines de Weiss L expérience de Barkhausen permet de mettre en évidence les réorientations des petits dipôles magnétiques des différents domaines de Weiss lorsqu on y approche un aimant. Il se produit un bruit caractéristique. En plaçant une bobine détectrice autour d un matériau ferromagnétique, et en la reliant à un amplificateur et un haut-parleur, on entend le bruit caractéristique de l orientation progressive des dipôles magnétiques en approchant l aimant. C est impressionnant! Haut-parleur Amplificateur Bobine Matériau Ferromagnétique 5-Synthèse Aimantation d un Matériau En présence d un champ magnétique H créé par un solénoïde par exemple, un matériau placé dans ce champ va s aimanter. Le vecteur aimantation M est du type : M = H où est la susceptibilité du matériau. -pour les diamagnétiques, <0 (tendance à repousser le champ) -pour les paramagnétiques, >0 (l aimantation est proportionnelle au champ et cesse avec le champ) -pour les ferromagnétiques, il existe les domaines de Weiss (l aimantation peut devenir très forte, peut saturer, et peut rester même si le champ cesse) Exemple du Fer : = Exemple du FeCl 3 : Voir p8, les mesures ont permis de calculer une susceptibilité = II- Les mines magnétiques : un système ingénieux 10

11 1-Description d une mine magnétique Les premières mines étaient des tonneaux de poudre devant exploser sous la surface ou en surface pour endommager la coque des navires ennemis. En combat naval, la guerre des mines désigne toutes les opérations tactiques relatives aux mines sous marines : le mouillage de mines, la lutte contre les mines (dragage et chasse aux mines), et les contre-mesures préventives. Les mines représentent une très grave menace pour les forces maritimes et le trafic commercial par mer. Employées de manière intensive au cours des deux derniers conflits mondiaux, elles ont joué un grand rôle dans la guerre navale. Depuis, elles ont également été utilisées pendant les guerres de Corée et du Viêt Nam et au cours des conflits du Moyen-Orient. Les mines marines sont des armes simples à utiliser et bon marché en comparaison des dégâts qu elles peuvent occasionner. Ces mines peuvent bloquer un port et même tout un pays. Les mines peuvent être lâchées d un avion ou par un petit bateau qui ne se remarque pas. La recherche des mines marines est donc toujours importante. Les différents types de mines Il existe plusieurs types de mines: les mines flottantes et dérivantes (1 et 2), les mines ancrées aussi dites à orin (3 et 4), les mines de fond (5), les mines qui se détachent du fond quand un navire passe et les mines-torpilles qui une fois activées par le bruit d'une hélice vont à la recherche du navire. Les mines flottantes sans ancrage ne sont pratiquement plus utilisées. La plupart des mines ont plusieurs systèmes de détection. Par exemple, le magnétisme d un navire enclenche le système de détection de la mine, qui va analyser la signature magnétique du navire au moment ou celui-ci passe au dessus de la mine et la comparer avec la valeur du champ magnétique terrestre du lieu où elle se trouve. 11

12 Photo d une mine de contact 2-Mesure de la composante horizontale du champ magnétique terrestre Principe : On place un dispositif comprenant plusieurs bobines de fils de diamètres différents au centre duquel on y met une aiguille aimantée. L aiguille est orientée suivant le sens du champ terrestre et les bobines sont placées de manière à induire un champ orthogonal au champ terrestre lorsqu elles seront parcourues par un courant. En mesurant l angle de déviation observé on aura accès à la mesure de la composante horizontale du champ terrestre. On a ainsi la configuration suivante : B produit Bobines Brésultant Aiguille aimantée B H terrestre Champ horizontal (Terrestre) Champ orthogonal (bobines) Champ résultant (angle ) 12

13 Le champ induit par les bobines a pour valeur B = 0 N I /2 R (où 0 = , N le nombre de spires, I l intensité du courant qui circule et R le rayon des spires) Résultats : Tours Rayons(en m) I(en A) α (en ) B produit (en T) B H (en T) ,425x10-6 1,12x ,366x10-5 1,36x ,382x10-5 1,38x ,262x10-5 1,58x ,167x10-5 2,17x ,696x10-5 2,02x ,084x10-5 1,88x ,018x10-5 1,76x ,885x10-5 1,53x ,257x10-5 1,45x ,425x10-6 1,51x ,540x10-6 1,31x10-5 La valeur moyenne obtenue est de 15,9 T soit 16 T. La valeur communément admise est de 20 T. On peut estimer l erreur commise sur B entre 5 et 10 %. Notre résultat semble correct avec le matériel que nous avons construit. On calcule l incertitude sur B en utilisant la relation : U(B)/B = [ (U(I)/I)² + (U(R)/R)² ] 1/2 3-Signature magnétique Magnétomètre simple Un magnétomètre est un appareil qui sert à mesurer selon les cas l'intensité ou la direction d un champ magnétique, ou l'aimantation d'un échantillon. Aiguille aimantée Générateur Solénoïdes Rhéostats Montage d un magnétomètre 13

14 Champ Terrestre B1 Champs magnétiques opposés B2 En agissant sur les courants parcourant les deux solénoïdes, on maintient l aiguille aimantée alignée selon la composante horizontale du champ terrestre, en produisant deux champs magnétiques en sens opposés. La règle de la main droite nous indique le sens des champs. On voit grâce à l expérience ci-dessous que le champ terrestre se modifie à l approche de noyau de limaille de fer ou de la coque du bateau Nous pouvons donc conclure que le bateau possède une signature magnétique puisque le champ magnétique terrestre est modifié à l approche de celui-ci. Ainsi, à l approche d une mine magnétique, notre bateau déclencherait l explosion de celle-ci. Il serait donc intéressant de comprendre comment il se fait que certains bateaux passent inaperçu auprès des mines magnétiques. Les bobines que nous mettons sont en réalité très utiles. En effet, elles créent un champ magnétique afin que la signature magnétique du bateau ne soit détectable que lorsqu il se rapproche réellement de la mine puisque ce champ magnétique permet de canaliser l aiguille (portée réduite). Autrement dit, il sert à ce que l explosion minière puisse être «efficace» si elle a lieu d être. Dans le cas 14

15 contraire, la signature magnétique serait visible même à longue portée et la mine risquerait d exploser inutilement, sans remplir sa fonction. M. Le Goff nous a envoyé des photos de signatures magnétiques. Par contre, nous n avons pu obtenir de renseignements concernant la mesure des signatures magnétiques qui restent du domaine du «SECRET DEFENSE». Exemples d images sonars fournies par M. Le Goff de la Marine Nationale signature de remorque portuaire Signature de grue flottante 15

16 Il est à noter que la signature magnétique d un navire évolue au cours du temps. D après M. Le Goff, celle-ci dépend de la position du navire sur l eau, des champs produits par les moteurs en fonctionnement,. Une signature magnétique se modifie au cours du temps, on dit qu elle dérive au cours du temps. Il est nécessaire de démagnétiser régulièrement. 1-Cycle d hystérèse III. A l abordage : application au bateau Nous avons cherché à savoir comment désaimanter un matériau pour essayer de passer inaperçu au niveau des mines magnétiques. Le cycle d hystérèse illustre la relation existant entre l aimantation du matériau en fonction du champ magnétique appliqué. Il caractérise chaque corps ferromagnétique et sa forme dépend en outre de la géométrie de l échantillon, des contraintes mécaniques auxquelles ce dernier est soumis. Alternostat Oscilloscope Transformateur démontable Platine avec composants Montage du cycle d hystérèse Cycle d Hystérèse obtenu 16

17 On observe le cycle d hystérésis de matériau constituant le circuit magnétique d un transformateur démontable. On utilise l oscilloscope en X-Y comme pour le tracé d une caractéristique. On remarque ainsi qu un matériau ferromagnétique ne se désaimante pas en suivant la même courbe que celle qui a servi à l aimanter. Courbe OP : première aimantation du matériau H S : champ de saturation du matériau B R : Champ rémanent (aimantation restante du matériau) -H C : Champ coercitif (qui annule l aimantation rémanente) 2- Désaimantation 1 ère expérience : désaimantation d un barreau Nous avons placé un barreau d acier aimanté dans un solénoïde parcouru par un courant alternatif d intensité suffisante et nous avons fait décroitre l intensité jusqu à I=0. Le barreau est alors désaimanté (il n a plus d action sur les clous). Les cycles d hystérésis de la substance, décrits sous l action du champ alternatif d amplitudes décroissantes, sont de plus en plus petits et pour H=0 (I=0), ainsi on arrive à une aimantation nulle. 17

18 Cycles permettant la désaimantation de la substance 2éme expérience : désaimantation d un tournevis A l aide du même montage que précédemment, nous avons montré que nous pouvions désaimanter un tournevis grâce à un champ alternatif. Nous avons donc à la base un tournevis qui était aimanté. Ensuite, nous l avons placé dans le solénoïde parcouru par un courant alternatif d intensité suffisante pendant 5 secondes et à l issue de cela il se désaimante durant un long moment. Désaimantation d un tournevis Aimantation d un tournevis 18

19 3éme expérience : application au bateau Nous avons aussi réalisé cette expérience afin de désaimanter le bateau. Le bateau de base est aimanté car nous avons mis des métaux à l intérieur de la coque. Nous l avons ensuite entouré de fils de cuivre sur les conseils de M. Le Goff. Fils de cuivre Morceaux de fer Bateau entouré de fils de cuivre Grâce à un champ alternatif nous allons essayer de désaimanter le bateau. Grâce au magnétomètre simple que nous avons fabriqué précédemment nous avons essayé d y amener le bateau désaimanté. Expérience du magnétomètre avec un bateau désaimanté On ne constate plus de variation du champ magnétique, cela veut dire que la désaimantation à été efficace grâce aux fils de cuivre. Expérience du magnétomètre avec un bateau aimanté 19

20 Après l aimantation, on constate que le champ magnétique est largement modifié à l approche du bateau maintenant aimanté. Grâce à ces expériences nous avons montré qu un matériel aimanté peut être désaimanté. Conclusion Nous avons tout au long de notre développement appris à mieux appréhender les mines magnétiques et plus particulièrement leur mode de fonctionnement. Cela nous a beaucoup intéressées et nous avons, après plusieurs démarches expérimentales, trouvé qu il résulte certainement d un système de mesure du champ magnétique terrestre et de ses fluctuations. Cela nous a amenées à réfléchir plus précisément aux moyens qu avaient les bateaux pour passer inaperçus face à ces appareils au fonctionnement intelligent. Nos expériences et recherches nous laissant conclure qu ils pouvaient être désaimantés, munis de boucles d immunisation et même contraints à respecter une certaine hygiène magnétique. Nous avons finalement pris beaucoup de plaisir à travailler en équipe, à nous entraider afin d aboutir dans nos recherches, à échanger nos diverses idées pour trouver ce qu il y avait de plus juste. C est également parce que la physique nous était un attrait commun que nous avons pu apprécier ces moments de recherches. Nous espérons maintenant continuer notre croisière ou plutôt devrionsnous dire notre traversée marine, que nous espérons sans explosions, tout au moins non minières. 20