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Pass. Debilly : perturbation du champ magnétique EarthCache

Hidden : 6/24/2023
Difficulty:
5 out of 5
Terrain:
1.5 out of 5

Size: Size:   other (other)

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Geocache Description:


Passerelle Debilly
Perturbation du champ magnétique terrestre - Earth's magnetic field disturbance


La passerelle Debilly est un pont pour piétons et cyclistes reliant le 7ème au 16ème arrondissement de Paris. Cet ouvrage de 125 mètres de long été construit en 1899 pour l’Exposition universelle de 1900, afin de faciliter le déplacement des visiteurs entre les deux rives de la Seine.

La passerelle est constituée d’une charpente métallique soutenue par des piliers en maçonnerie.

Au travers de cette cache, vous pourrez vous rendre compte que le champ magnétique terrestre peut être perturbé par la présence une masse ferreuse.

Attention : pour traiter cette cache, vous devrez être en possession d'un téléphone sur lequel devra être implémentée une application de type magnétomètre. Lisez le paragraphe concernant cet appareil dans la partie "Quelques concepts".

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 Debilly footbridge is a bridge for pedestrians and cyclists linking the 7th and 16th arrondissements of Paris. This 125-metre-long structure was built in 1899 for the Exposition Universelle (international exposition) of 1900, to make easier the travel of visitors between the two sides of the Seine.

The footbridge consists of a metal framework supported by masonry pillars.

Through this cache, you will see how Earth's magnetic field can be disturbed by the presence of an iron body.

Warning: in order to process this cache, you will need to have a phone on which a magnetometer application must be implemented. Read the paragraph about this device in the " Few concepts " part.

Quelques concepts / Few concepts

 Champ magnétique
Le champ magnétique est une notion qui permet de décrire comment la force magnétique est distribuée dans l'espace, autour et à l'intérieur d'un corps magnétique. La force magnétique est une composante de la force électromagnétique. Cette force est provoquée par le mouvement de charges et la charge est une caractéristique possédée par certaines particules, entre lesquelles s’exerce une interaction électrique. Deux objets chargés se déplaçant dans une même direction vont être attirés l'un vers l'autre par une force magnétique attractive. De même, des objets chargés qui se déplacent dans une direction opposée vont voir apparaître entre eux une force répulsive.

Les structures qui indiquent la direction et la densité du champ magnétique d’un corps magnétique sont les lignes de champ magnétique. Ils entrent dans le corps au pôle sud et sortent généralement au pôle nord opposé. De là, ils courent en lignes arquées le long du chemin le plus court en direction du pôle sud. Le corps magnétique le plus connu est l’aimant permanent.

L’unité de mesure de la densité d’un champ est le Tesla (T), mais le terme densité est souvent remplacé par le terme intensité.

 Magnetic field
The magnetic field is a concept that describes how the magnetic force is spatially distributed around and within a magnetic body. The magnetic force is a component of the electromagnetic force. This force is due to the motion of charges and a charge is a characteristic of specific particles, between which an electrical interaction takes place. Two charged objects moving in the same direction will be attracted to each other by an attractive magnetic force. Similarly, charged objects moving in an opposite direction will be attracted to each other by a repulsive force.

The features that indicate the direction and density of the magnetic field of a magnetic body are the magnetic field lines. They move into the body at the south pole and usually exit at the opposite north pole. From there they run in arced lines along the shortest path to the south pole. The best known magnetic body is the permanent magnet.

The unit of measurement for the density of a magnetic field is the Tesla (T), but the term density is often substituted by the word intensity or the word strenght.

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 Sources de champ magnétique
Un champ magnétique peut être produit par :

  un aimant permanent constitué d’un matériau ferromagnétique. Ferromagnétisme : certains matériaux (en particulier le fer) sont attirés par les aimants et sont susceptibles de former eux-mêmes des aimants ;
  une charge en mouvement  ;
  un courant électrique ;
  une planète tellurique dont le noyau externe comporte du fer liquide en mouvement. Mercure, Vénus, Mars, la Lune et la Terre sont des exemples de planètes telluriques. Mars et Vénus n'ont pas un champ magnétique notable et la lune est dépourvue de champ magnétique ;
  une planète gazeuse. Jupiter, Saturne, Neptune et Uranus sont des exemples de planètes gazeuses  ;
  une étoile.

 Sources of magnetic field
A magnetic field can be created by :

  a permanent magnet made of a ferromagnetic material. Ferromagnetism: some materials (especially iron) are attracted to magnets and are likely to form magnets themselves ;
  a charge in motion;
  an electric current;
  a telluric planet whose outer core contains liquid iron in motion. Mercury, Venus, Mars, the Moon and the Earth are examples of telluric planets. Mars and Venus do not have a significant magnetic field and the Moon has no magnetic field;
  a gaseous planet. Jupiter, Saturn, Neptune and Uranus are examples of gaseous planets;
  a star.

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 Champ magnétique terrestre
Il est généré par les mouvements du fer liquide présent dans la partie externe du noyau.

Il est équivalent au champ que pourrait créer un gigantesque aimant droit orienté suivant l’axe de rotation de la terre (un peu décalé tout de même) dont le pôle sud (de l’aimant) coïnciderait avec le pôle Nord géographique et dont le pôle nord (de l’aimant) serait situé au pôle Sud géographique. Par convention, le pôle sud de la terre-aimant est appelé pôle Nord magnétique et le pôle nord de la terre-aimant est appelé pôle Sud magnétique. Le pôle nord de l’aiguille aimantée de la boussole indique le pôle sud de la « terre-aimant », donc le pôle Nord magnétique.

L’unité de mesure du champ magnétique terrestre (la densité) est le nanotesla (nT), 1.10-9 T. Le champ magnétique terrestre n’est pas uniforme et varie d’un point à l’autre du globe, entre les valeurs de 25 000 et 65 000 nT. À la surface du globe, sa densité va principalement fluctuer en fonction de la latitude et de l’altitude, ainsi qu’au cours du temps.

En se dirigeant vers les pôles magnétiques, les lignes de force du champ magnétique sont de plus en plus concentrées, leur densité augmente et par là même la densité du champ magnétique. En se dirigeant vers l’équateur, donc de plus en plus loin des pôles, les lignes de force du champ magnétique sont de moins en moins concentrées, leur densité diminue et cela fait diminuer la densité du champ magnétique. En gagnant de l’altitude, quelle que soit la situation sur le globe, la densité du champ magnétique diminue. À l’inverse, en allant sous le niveau des océans, la densité du champ magnétique augmente.

 Earth's magnetic field
It's generated by the motion of the liquid iron inside the core's outer part.

It is similar to the field that could be created by a gigantic right magnet oriented along the axis of rotation of the earth (a little offset, all the same) whose south pole (of the magnet) would coincide with the geographic North Pole and whose north pole (of the magnet) would be located at the geographic South Pole. By convention, the south pole of the earth-magnet is called the magnetic North Pole and the north pole of the earth-magnet is called the magnetic South Pole. The north pole of the compass needle indicates the south pole of the " earth-magnet ", which is the magnetic North Pole.

The unit of measuring the Earth's magnetic field (the field density) is the nanotesla (nT), 1.10-9 T. The Earth's magnetic field is not homogeneous and varies from one part of the globe to another, between the values of 25,000 and 65,000 nT. At the surface of the globe, its density will mainly fluctuate with latitude and altitude, as well as over time.

Moving towards the magnetic poles, the force lines of the magnetic field are more and more concentrated, their density increases and so the density of the magnetic field. Moving towards the equator, i.e. further and further away from the poles, the force lines of the magnetic field are less and less concentrated, their density decreases and so the density of the magnetic field. By moving up in altitude, whatever the situation on the globe, the density of the magnetic field decreases. Conversely, going below the ocean level, the magnetic field density increases.

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 Champ magnétique généré par une masse ferromagnétique
Une masse ferromagnétique (fer, nickel, cobalt, pour les principaux), aussi petite soit-elle, peut perturber le champ magnétique terrestre. L’anomalie générée provient de deux causes différentes : le magnétisme induit et le magnétisme rémanent.

Le magnétisme induit correspond à la capacité de la masse à accroître un champ magnétique (ici celui de la Terre). Cette propriété est appelée susceptibilité. Le magnétisme induit sera proportionnel à la densité du champ magnétique terrestre du lieu et à la susceptibilité de la masse ferromagnétique. La susceptibilité magnétique est en relation avec la perméabilité magnétique relative (d’un matériau par rapport à celle du vide) qui est un paramètre de la force avec laquelle une substance peut être magnétisée.

Le magnétisme rémanent est un magnétisme permanent dont l’orientation (des lignes de force magnétique) et la densité auront été acquises au moment de la fabrication et de l’usinage de la masse ou de l’objet. Par exemple : un navire conserve un champ rémanent en fonction de son orientation au moment de sa construction.

 Magnetic field generated by a ferromagnetic mass
A ferromagnetic mass (iron, nickel, cobalt, for the main ones), even if it's small, can disturb the Earth magnetic field. The anomaly generated comes from two different causes: induced magnetism and remanent magnetism.

Induced magnetism is the ability of the mass to increase a magnetic field (the Earth's in this case). This property is called susceptibility. The induced magnetism will be proportional to the density of the Earth's magnetic field and the susceptibility of the ferromagnetic mass. Magnetic susceptibility is related to the relative magnetic permeability (of a material compared to that of the vacuum) which is a parameter of the force with which a substance can be magnetized.

Remanent magnetism is a permanent magnetism whose orientation (magnetic lines of force) and density will have been acquired at the time of manufacture and processing of the mass or object. For example: a ship retains a remanent field according to its orientation at the time of its construction.

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 Magnétomètre
Aussi appelé gaussmètre ou teslamètre, il s’agit d’un appareil qui permet de mesurer la densité et la direction d’un champ magnétique.

Si votre téléphone est équipé d’une boussole, alors un magnétomètre est inclus dans votre appareil. Cet élément va permettre de mesurer la densité du champ magnétique et d'obtenir la direction des lignes de force du champ magnétique terrestre. Ces valeurs sont alors matérialisées par la position d’une aiguille (virtuelle) dans l’application « Boussole ».

 Magnetometer
Also called gaussmeter or teslameter, it's a device that measures the density and direction of a magnetic field.

If your phone is equipped with a compass, then a magnetometer is included in your device. This element will measure the density of the magnetic field and get the direction of the lines of force of the earth's magnetic field. These values are then materialized by the position of a (virtual) needle in the "Compass" application.

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 Application « magnétomètre » pour téléphone portable
Des applications « gratuites », de type magnétomètre pour les téléphones portables équipées d’une boussole, sont disponibles pour les systèmes IOS (App Store d’Apple) ou Androïd (Play Store de Google). Certaines applications sont basiques et ne donneront que la valeur de la densité du champ magnétique ambiant. D’autres plus complètes permettent d’obtenir la valeur de la densité du champ magnétique, mais aussi de matérialiser les lignes de force du champ sous forme de coordonnées en 3 dimensions. Nous ne pouvons pas vous conseiller telle ou telle application. Plusieurs applications peuvent être installées et vous jugerez laquelle sera la plus adaptée. Avec l’utilisation d’une masse ferreuse ou d’un aimant, vous trouverez l’endroit physique où pourrait être logé le magnétomètre de votre téléphone. Il est souvent situé au dos du téléphone dans le tiers supérieur. Souvenez-vous que la densité d'un champ magnétique décroît à l'inverse du cube de l’éloignement d’une masse ferromagnétique ou d’un aimant. En clair l'atténuation est importante.

Si vous jouez avec des aimants très puissants, alors il y aura de fortes chances que le magnétomètre de votre téléphone n’affiche plus la valeur ambiante adéquate (47 µT en Bretagne) après l’exposition à champ magnétique très dense. Il y a amorce de rémanence et la plupart des applications conseillent d’effectuer des mouvements en 8 dans les airs, à distance respectable de tout champ magnétique.

La plupart des applications de type magnétomètre vont restituer la densité d’un champ magnétique en microtesla - µT ou 1.10-6 T. 1 µT = 1 000 nT.

 “Magnetometer” application for cell phones
“Free” magnetometer applications for cell phones with a compass are available for IOS (Apple App Store) or Android (Google Play Store). Some applications are basic and will only give the value of the ambient magnetic density. Others are more complete and will give the value of the magnetic field density, but also materialize the field's force lines in the form of 3-dimensional coordinates. We cannot advise you which application to use. Several applications can be installed and you will decide which one is the most suitable. With the use of a ferrous mass or a magnet, you will find the physical point where the magnetometer of your phone could be placed. It's often found on the back of the phone in the upper third. Remember that the density of a magnetic field decreases as the cube of the distance from a ferromagnetic mass or magnet. In other words, attenuation is important.

If you are playing with very strong magnets, then there is a high chance that your phone's magnetometer will no longer read the correct ambient value (47 µT in Brittany) after exposure to a very dense magnetic field. There is a remanence effect and most applications advise you to move in 8 in the air, at a respectable distance from any additional magnetic field.

Most magnetometer applications will report magnetic field strength in microtesla - µT or 1.10-6 T. 1 µT = 1000 nT.

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 Ordre de grandeur d’une perturbation magnétique
L’abaque ci-dessous permet d’avoir une idée de la valeur d’une perturbation magnétique résultant de la présence d’une masse de fer. Cet abaque a été mis au point dans le cadre d’une recherche magnétométrique d’épaves sous-marines.

Attention, même si les tracés sont linéaires, l’échelle en abscisse ainsi que l’échelle en ordonnée sont logarithmiques. Les tracés linéaires correspondent donc à des courbes d’atténuation.

Sans détailler les formules de calcul, on peut dire que le champ magnétique créé par une masse de fer varie comme l’inverse du cube de la distance entre un appareil de mesure et la masse en question. Par ailleurs, même si la force magnétique est indépendante de la masse, le champ magnétique est dû à la masse chargée qui produit le champ magnétique. (= champ magnétique induit par les charges en mouvement dans la masse). Ainsi, pour une masse plus grande, il y aura plus de porteurs de charge présents dans son volume ou à sa surface, intensifiant ainsi les effets magnétiques.

Pour prendre un exemple si une masse d’un kilo à 0,50 cm du magnétomètre génère une perturbation d’une valeur de 500 nT. La même masse à 1 m de l’appareil va générer une perturbation de 62,5 nT (donc divisée par 23 = 8, on double la distance qui est mise au cube)

Pour obtenir la même perturbation d’une valeur de 500 nT, l’équivalent d’une tonne devra être placé à 5 mètres de l’appareil. À 40 mètres, cette même tonne engendrera une perturbation d’un nT, donc négligeable.

Il faudra une masse de 1 000 tonnes à 50 mètres pour générer une perturbation équivalente à une masse d’un kg à 0.5 m.

Il n'est sûr que le magnétomètre de votre téléphone est assez sensible et évolué pour confirmer les données de cet abaque. En effet, il va restituer des valeurs de l'ordre du microtesla, c'est-à-dire de l'ordre de 1 000 nanoteslas.

 Magnitude of a magnetic disturbance
The chart in the french part gives an idea of the value of a magnetic disturbance resulting from the presence of an iron mass. This chart was developed in the context of a magnetometric search for underwater wrecks.

Be careful, even if the plots look linear, the abscissa scale as well as the ordinate scale are logarithmic. The linear plots are therefore attenuation curves.

Without detailing the calculation formulas, we can say that the magnetic field created by a mass of iron changes as the inverse of the cube of the distance between a measuring device and the given mass. In addition, even if the magnetic force is independent of the mass, the magnetic field is due to the charged mass that produces the magnetic field (= magnetic field induced by the charges moving in the mass). So, for a larger mass, there are more charge carriers in its volume or on its surface, increasing the magnetic effects.

To take an example, if a mass of one kilo at 0.50 cm from the magnetometer generates a disturbance of 500 nT. The same mass at 1 m from the device will generate a disturbance of 62.5 nT (so divided by 23 = 8, we double the distance set to the power of three).

To get the same disturbance of a value of 500 nT, the equivalent of one ton should be placed at 5 meters from the device. At 40 meters, this same ton will generate a disturbance of one nT, which is negligible.

It will take a mass of 1000 tons at 50 meters to generate a disturbance equivalent to a mass of one kg at 0.5 m.

It's not sure that the magnetometer of your phone is sensitive and advanced enough to verify the data of this chart. In fact, it will return values in microtesla range, i.e. in the order of 1,000 nanoteslas.

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 Mine magnétique
Une aiguille aimantée tend à s’orienter suivant la direction locale des lignes de force du champ magnétique terrestre. C’est le principe bien connu de la boussole. Dans un espace assez restreint, ce champ est uniforme et les lignes de force y sont parallèles.

La masse métallique que représente un navire (coque et machines) perturbe par sa présence cette distribution des lignes de force.

D’une part, la perméabilité magnétique de la masse de fer d’un navire, plus grande que celle de l’eau de mer environnante, provoque une concentration des lignes de force terrestres. D’autre part, vous l’avez vu, les aciers d’un navire possèdent une aimantation rémanente due au magnétisme acquis au cours de la construction du navire, au cours de ses voyages antérieurs et par la présence à bord de machines électriques.

Le navire est donc devenu une masse aimantée dont le champ magnétique vient se composer avec le champ magnétique terrestre. Des trois composantes de ces champs, la composante verticale est la plus importante. En ne permettant à une aiguille aimantée qu’à se déplacer dans son plan vertical, toute déviation de cette aiguille signifiera la présence d’une masse de fer (au-dessus de la mine). Cette déviation entraînera la fermeture d’un circuit qui permettra la mise à feu d’un détonateur et donc l’explosion de la mine. N’est-ce pas fantastique ?

 Magnetic mine
A magnetized needle tends to orient itself according to the local direction of the lines of force of the Earth's magnetic field. This is the well-known principle of the compass. In a fairly small space, this field is uniform and the lines of force are parallel.

The metallic mass of a ship (hull and machinery) disturbs this distribution of lines of force by its presence.

Firstly, the magnetic permeability of the iron mass of a ship, which is greater than that of the surrounding sea water, leads to a concentration of the Earth's lines of force. In addition, as you have seen, the steels of a ship have a remanent magnetism due to the magnetism acquired during the construction of the ship, during its previous travels and by the presence on board of electrical machines.

The ship has therefore become a magnetized mass whose magnetic field is combined with the Earth's magnetic field. Of the three components of these fields, the vertical component is the most important. By only allowing a magnetized needle to move in its vertical plane, any deviation of this needle will mean the presence of an iron mass (above the mine). This deviation will close a circuit that will allow the firing of a detonator and so the explosion of the mine. Is this not fantastic?

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 Bonus
Un courant électrique (des particules chargées, en mouvement dans un matériau conducteur) va produire un champ magnétique. Si dans votre habitation, vous avez un doute sur l’emplacement des gaines électriques dans les murs, alors vous pourrez détecter facilement ces emplacements par l’intermédiaire de l’application magnétomètre de votre téléphone. Vous pourrez donc percer sereinement les murs.

 Bonus
An electric current (charged particles, in motion in a conductive material) will produce a magnetic field. In your home, if you have a doubt about the location of electrical ducts in walls, then you can identify these locations easily using the magnetometer application on your phone. You can then drill the walls with peace of mind.


Références – References

Le champ magnétique
Force et masse magnétiques
Susceptibilité magnétique
Le géomagnétisme
Recherche magnétique
Magnetic Field Calculators
Mines


Pour valider la cache - Logging requirements

 Muni de votre téléphone et avec une application de magnétométrie, vous allez faire des mesures de la densité du champ magnétique ambiant dans plusieurs endroits. Veuillez noter que cette passerelle est presque alignée dans la direction Nord-Sud ou Sud-Nord

 With your phone and a magnetometer application, you will make measurements of the ambient magnetic field density in several locations. Please note that this footbridge is almost in line with the North-South or South-North direction.


 Travail à effectuer

  1. Quelle est la valeur de la densité du champ magnétique ambiant aux coordonnées indiquée ? Est-elle conforme avec la valeur du champ magnétique donnée pour Paris comme indiqué dans le tableau ? Qu’indique votre boussole à cet emplacement ?
  2. En vous rendant à l’autre extrémité de la passerelle et en progressant par son milieu, que remarquez-vous à propos des valeurs renvoyées par le magnétomètre de votre téléphone et qu'indique votre boussole ? Quelle est la densité du champ magnétique à l’autre extrémité de la passerelle (en l’ayant débordé d’une dizaine de mètres) ? Qu’indique votre boussole à cet emplacement ?
  3. Approchez du parapet de la passerelle et accolez votre téléphone sur certains des pylônes verticaux (3 ou 4 suffiront, cf A sur la photo) qui supportent l’immense arc métallique. Quelle(s) valeur(s) de la densité du champ magnétique relevez-vous en approchant des pylones, le long de ces pylônes et entre ces pylônes ? Qu’indique votre boussole accolée au pilier et entre ceux-ci ?
  4. Accolez votre téléphone sur le plat de l’arc (cf B sur la photo). Quelle est la valeur de la densité du champ magnétique que vous relevez ? Qu’indique votre boussole lorsqu’elle est posée sur cette partie de l’arc ?
  5. Avec toutes ces mesures, que pouvez-vous affirmer à propos de cette passerelle et de son influence sur le champ magnétique terrestre ? Grossièrement, comment sont distribuées les lignes de force (leur densité) de ce champ magnétique le long de la passerelle ?
  6. La tour Eiffel (masse près de 7 000 tonnes de fer distante de 450 mètres), pourrait-elle contribuer à modifier significativement la densité du champ magnétique terrestre autour de la passerelle ?
  7. Une photo de vous, ou d’un objet caractéristique vous appartenant, prise dans les environs immédiats (pas de photo « d’archive » svp) est à joindre soit en commentaire, soit avec vos réponses. Conformément aux directives mises à jour par GC HQ et publiées en juin 2019, des photos peuvent être exigées pour la validation d'une earthcache.

Marquez cette cache « Trouvée » et envoyez-nous vos propositions de réponses en précisant bien le nom de la cache, soit via notre profil, soit via la messagerie geocaching.com (centre de messagerie) et nous vous répondrons en cas de problème. « Trouvée » sans réponses sera supprimée.

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 Homework

  1. What is the value of the ambient magnetic field density at the specified coordinates? Does it agree with the value of the earth's magnetic field given for Paris in the table? What does your compass indicate at this location?
  2. Moving to the other end of the footbridge and through its middle, what do you notice about the values returned by your phone's magnetometer and what does your compass indicate? What is the density of the magnetic field at the other end of the footbridge (having extended it by about ten meters)? What does your compass indicate at this point?
  3. Approach the footbridge parapet and place your phone against some of the vertical pylons (3 or 4 will do, see A on the picture) that support the huge metal arch. What value(s) of magnetic field density do you read as you approach the pylons, along the pylons and between the pylons?
  4. Place your phone on the flat of the arch (see B in the picture). What is the magnetic field density you read? What does your compass indicate when placed on this part of the arch?
  5. With all these measurements, what can you say about this bridge and its influence on the Earth's magnetic field? Approximately, how are the lines of force of this magnetic field distributed (their density) along the footbridge?
  6. Could the Eiffel Tower (mass nearly 7,000 tonnes of iron, 450 metres away) significantly modify the density of the earth's magnetic field around the footbridge?
  7. A picture of you, your GPS/cellphone or something else personnal, taken in the immediate aera (no "stock" photos please) is to be attached either as a comment or with your answers. In accordance with updated GC HQ guidelines published in June 2019, photos may be required for validation of an earthcache.

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