L'électromagnétisme

La dynamo
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
La première dynamo, machine à produire un courant électrique continu à partir d'un mouvement, fut réalisée par Zénobe Gramme (1826-1901) en 1871. Bien connue des cyclistes, elle transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique.
Publication : 1 Avril 1998

Ce document est tiré de l'ouvrage "Le Trésor, dictionnaire des sciences, Flammarion 1997

La première dynamo, machine à produire un courant électrique continu à partir d'un mouvement, fut réalisée par Zénobe Gramme (1826-1901) en 1871. Bien connue des cyclistes, elle transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique.

En effet, la loi de l'induction (voir Electromagnétisme) énonce qu'aux extrémités d'un conducteur (le plus souvent un fil métallique) mis en mouvement dans un champ magnétique apparaît une tension électrique, proportionnelle à l'intensité du champ et à la vitesse de déplacement. Cette loi conduit également à l'effet symétrique : un courant électrique, qui n'est autre que des charges électriques mises en mouvement dans un conducteur, produit un champ magnétique (principe de l'électro-aimant) dans l'espace voisin du conducteur.

La dynamo contient un aimant qui produit un champ magnétique permanent. Le conducteur par exemple une bobine de fil mis en mouvement est alors parcouru par un courant induit, qui amplifie ce champ magnétique, ce qui augmente le courant induit, et ainsi de suite, jusqu'à l'équilibre.

La Terre, les autres planètes, le Soleil, les étoiles, la Galaxie, tous ces objets sont des corps conducteurs en rotation. On observe par ailleurs que, pour la plupart, ils possèdent un champ magnétique qui résulte de l'effet dynamo. Pourtant, à la différence de la dynamo de bicyclette, ces objets ne possèdent pas d'aimant permanent. Un petit "germe" de champ est produit en une région du fluide en rotation par un déséquilibre ponctuel entre charges de signes opposés. Le mouvement du fluide par rapport à ce germe crée alors un courant qui, si la configuration géométrique est favorable, renforce le champ initial, et ainsi de suite : il y a amplification du champ par l'effet d'une instabilité et d'une rétroaction positive. Les champs magnétiques ainsi produits peuvent être considérables. Dans le cas du Soleil, on observe un renversement de la polarité de son champ magnétique tous les onze ans (cycle solaire), ce qui illustre le fait que l'instabilité peut elle-même produire un résultat fluctuant au cours du temps.

La géodynamo

Le champ magnétique de la Terre, ou champ géomagnétique, est d'origine interne, mais ne résulte pas de la présence de matière aimantée à l'intérieur du Globe, car il varie dans le temps. Les géophysiciens sont donc unanimes à penser que ce sont les courants électriques qui circulent dans le noyau de la Terre, composé d'un alliage de fer liquide, bon conducteur de l'électricité, qui produisent le champ géomagnétique, par effet dynamo. Les courants doivent être entretenus car, en l'absence de force électromotrice, ils disparaîtraient en une dizaine de milliers d'années, par suite de la dissipation en chaleur de leur énergie. Or l'étude de l'aimantation fossile des roches nous apprend que le champ magnétique terrestre existe depuis plusieurs milliards d'années et que sa polarité s'est souvent inversée.
Les mouvements dans le noyau, qui entretiennent la dynamique terrestre ou "géodynamo", sont dus à de faibles hétérogénéités de densité, vraisemblablement liées au dégagement d'éléments légers lors de la cristallisation de la graine.
Le champ magnétique engendré par la géodynamo comprend une partie " poloïdale " (figure 1 ), dont les lignes de force sortent de la Terre et y rentrent (c'est celle que nous connaissons), et une partie "toroïdale", dont les lignes de force restent enfermées dans le noyau et qui nous est donc inaccessible. On ne sait pas si le champ toroïdal est fort ou faible. La géométrie des mouvements fluides dans le noyau est également mal connue. Il est vraisemblable qu'il existe des cyclones dans le noyau (comme dans l'atmosphère), qui joueraient un rôle important dans la génération du champ magnétique.

 

Figure 1. Ligne de force du champ poloïdal (schématisé). Le champ magnétique est tangent aux lignes de force.

Les calculs de la dynamo sont d'une difficulté extrême, donc encore peu satisfaisants. En effet, ils supposent la résolution, avec des conditions initiales mal connues, d'un système d'équations fort compliquées. Il existe plusieurs classes de "théories dynamo", utilisant des hypothèses simplificatrices différentes pour explorer ce difficile mais important problème. Pour lheure, elles sont encore tellement simplifiées qu'aucune théorie ne permet de rendre compte simultanément de toutes les caractéristiques du champ, et en particulier de ses inversions.

"Le Trésor, dictionnaire des sciences © Flammarion 1997. Ce texte ne peut être ni reproduit, ni vendu sans lautorisation de léditeur."