La formation des aurores polaires
A) Le déroulement du phénomène :
Lors d'un sous-orage polaire accompagnant un orage magnétique, un afflux de particules chargées éjectées par le
soleil lors d'une éruption chromosphérique ou un sursaut solaire important vient bousculer le bouclier que constitue la magnétosphère. Des particules
électrisées à haute énergie peuvent alors être captées et canalisées par les lignes du champ magnétique terrestre du côté nuit de la magnétosphère (la queue) et aboutir dans les
cornets polaires. Ces particules (électrons
et parfois protons) excitent ou ionisent les atomes de la haute atmosphère (l'ionosphère). L'ionisation provoquée par cette concentration de charges se traduit par des nuages ionisés
réfléchissant les ondes radio et par l'émission de lumière, l'aurore, dont la couleur dépend des atomes ionisés. Comme la nature de ces ions (oxygène, azote, hydrogène...) dépend de l'altitude, la couleur
dépendra également de l'altitude. Ceci explique en partie les variations de teintes des nuages, draperies, rideaux, arcs, rayons... qui se déploient dans le ciel à des altitudes comprises
entre 80 et 1000 km.
Nous avons choisi de faire cette expérience pour voir comment le champ magnétique terrestre pouvait influer l'apparition des aurores polaires.
a) Protocole expérimentale :
Matériel :
- Deux bobines de Helmholtz (2 bobines plates disposées parallèlement et séparée d'une distance égales à leur rayon) créent un champ magnétique, vecteur B, uniforme parallèle à l'axe des bobines.
- Un canon à électrons produit un faisceau d'électrons de vitesse v à l'intérieur d'une ampoule de verre.
- Une ampoule de verre où règne une très faible pression et qui contient un gaz ionisant.
- Un générateur.
b) Observations :
B= champ magnétique
1. En absence d'un champ magnétique B la trajectoire des électrons est rectiligne.(fig. 1)
2. En présence d'un champ magnétique B perpendiculaire à V les électrons décrivent une trajectoire circulaire. Plus le champ est intense, plus le rayon de la
trajectoire est petit. Plus la vitesse des électrons est grande, plus le rayon est grand.(fig. 2)
3. En présence d'un champ magnétique B parallèle à V les électrons décrivent une trajectoire rectiligne.
1) Sans champ magnétique B 2) Avec champ magnétique B
c) Interprétations :
Rappel :
La valeur de la force F en newton est :
F= I × l × B × sin α avec I : intensité du courant en ampère
l : longeur de l'élément en mètre
B: valeur du champ magnétique en tesla
α : angle entre vecteur l et vecteur B
Dans notre cas, les électrons sont soumis à cette force électromagnétique. Le sens de la force vecteur F peut être déterminé en utilisant la règle des trois doigts de la main droite, pour cela il faut placer la main de cette façon :
1. En absence d'un champ magnétique B il n'y a pas de forces s'exerçant sur les électrons. (Le poids des électrons peut être négligé!) En vertu du principe d'inertie le mouvement des électrons est rectiligne et uniforme.
2. En présence d'un champ magnétique B une force magnétique s'exerce sur les électrons et dévie constamment leur direction. Cette force est toujours perpendiculaire à la vitesse (elle-même tangente au cercle). En plus la force est perpendiculaire au champ magnétique B. Cette force augmente avec l'intensité du champ magnétique B et dépend également de la vitesse v des électrons. De plus, B perpendiculaire à V donc sin α = 1 donc F = I × l× B. C'est la valeur maximale de la force de Laplace.
3. Lorsque B et V sont parallèles il n'y a pas de force magnétique. Car V // B sin α = 0 donc F = 0. La force de Laplace est donc nulle.
Les acteurs de ce
phénomène Les caractéristiques d'une aurore polaire 