- Avantages des électroaimants
- Composition et parties d'un électroaimant
- Solénoïde
- Comment ça marche?
- Champ magnétique d'un fil droit
- Le champ magnétique au centre d'une boucle
- Champ magnétique solénoïde idéal
- Applications d'électroaimant
- Références
Un électroaimant est un appareil qui produit du magnétisme à partir du courant électrique. Si le courant électrique cesse, le champ magnétique disparaît également. En 1820, il a été découvert qu'un courant électrique produit un champ magnétique dans son environnement. Quatre ans plus tard, le premier électroaimant a été inventé et construit.
Le premier électro-aimant était constitué d'un fer à cheval en fer peint avec un vernis isolant, et dix-huit tours de fil de cuivre sans isolation électrique y étaient enroulés.
Figure 1. Electroaimant. Source: pixabay
Les électroaimants modernes peuvent avoir différentes formes en fonction de l'utilisation finale qui va leur être donnée; et c'est le câble qui est isolé avec du vernis et non le noyau de fer. La forme la plus courante du noyau de fer est la forme cylindrique sur laquelle le fil de cuivre isolé est enroulé.
Vous pouvez fabriquer un électroaimant avec seulement l'enroulement produisant un champ magnétique, mais le noyau de fer multiplie l'intensité du champ.
Lorsque le courant électrique traverse l'enroulement d'un électroaimant, le noyau de fer devient magnétisé. Autrement dit, les moments magnétiques intrinsèques du matériau s'alignent et s'additionnent, intensifiant le champ magnétique total.
Le magnétisme en tant que tel est connu au moins depuis 600 avant JC, lorsque le grec Thales de Milet a parlé en détail de l'aimant. La magnétite, un minerai de fer, produit du magnétisme naturellement et en permanence.
Avantages des électroaimants
Un avantage incontestable des électroaimants est que le champ magnétique peut être établi, augmenté, diminué ou supprimé en contrôlant le courant électrique. Lors de la fabrication d'aimants permanents, des électroaimants sont nécessaires.
Maintenant, pourquoi cela se produit-il? La réponse est que le magnétisme est intrinsèque à la matière tout comme il l'est à l'électricité, mais les deux phénomènes ne se manifestent que dans certaines conditions.
Cependant, on peut dire que la source du champ magnétique est le déplacement de charges électriques ou de courant électrique. À l'intérieur de la matière, au niveau atomique et moléculaire, ces courants sont produits qui produisent des champs magnétiques dans toutes les directions qui s'annulent. C'est pourquoi les matériaux ne présentent normalement pas de magnétisme.
La meilleure façon de l'expliquer est de penser que de petits aimants (moments magnétiques) sont logés à l'intérieur de la matière qui pointent dans toutes les directions, de sorte que leur effet macroscopique est annulé.
Dans les matériaux ferromagnétiques, les moments magnétiques peuvent s'aligner et former des régions appelées domaines magnétiques. Lorsqu'un champ externe est appliqué, ces domaines s'alignent.
Lorsque le champ externe est supprimé, ces domaines ne reviennent pas à leur position aléatoire d'origine, mais restent partiellement alignés. De cette manière, le matériau devient magnétisé et forme un aimant permanent.
Composition et parties d'un électroaimant
Un électroaimant est composé de:
- Un enroulement de câble isolé avec du vernis.
- Un noyau de fer (facultatif).
- Une source de courant, qui peut être directe ou alternative.
Figure 2. Parties d'un électroaimant. Source: self made.
L'enroulement est le conducteur à travers lequel passe le courant qui produit le champ magnétique et s'enroule sous la forme d'un ressort.
En bobinage, les spires ou spires sont généralement très rapprochées. C'est pourquoi il est extrêmement important que le fil avec lequel l'enroulement est fabriqué ait une isolation électrique, qui est réalisée avec un vernis spécial. Le vernissage a pour but que même lorsque les spires sont regroupées et se touchent, elles restent isolées électriquement et le courant continue sa course en spirale.
Plus le conducteur d'enroulement est épais, plus le câble résistera au courant, mais limite le nombre total de spires pouvant être enroulées. C'est pour cette raison que de nombreuses bobines d'électroaimant utilisent un fil fin.
Le champ magnétique produit sera proportionnel au courant qui passe à travers le conducteur d'enroulement et également proportionnel à la densité des spires. Cela signifie que plus il y a de tours par unité de longueur, plus l'intensité du champ est grande.
Plus les spires d'enroulement sont serrées, plus le nombre de spires qui s'adaptera à une longueur donnée est grand, augmentant leur densité et donc le champ résultant. C'est une autre raison pour laquelle les électroaimants utilisent des câbles isolés avec du vernis au lieu de plastique ou d'un autre matériau, ce qui ajouterait de l'épaisseur.
Solénoïde
Dans un électroaimant solénoïde ou cylindrique comme celui illustré à la figure 2, l'intensité du champ magnétique sera donnée par la relation suivante:
B = μ⋅n⋅I
Où B est le champ magnétique (ou induction magnétique), qui en unités du système international est mesuré en Tesla, μ est la perméabilité magnétique du noyau, n est la densité de spires ou le nombre de spires par mètre et enfin le courant I qui circule à travers l'enroulement qui est mesuré en ampères (A).
La perméabilité magnétique du noyau de fer dépend de son alliage et est généralement comprise entre 200 et 5000 fois la perméabilité de l'air. Le champ résultant est multiplié par ce même facteur par rapport à celui d'un électroaimant sans noyau de fer. La perméabilité de l'air est approximativement égale à celle d'un vide, qui est μ 0 = 1,26 × 10 -6 T * m / A.
Comment ça marche?
Pour comprendre le fonctionnement d'un électroaimant, il est nécessaire de comprendre la physique du magnétisme.
Commençons par un simple fil droit portant un courant I, ce courant produit un champ magnétique B autour du fil.
Figure 3. Champ magnétique produit par un fil droit. Source: Wikimedia Commons
Les lignes de champ magnétique autour du fil droit sont des cercles concentriques autour du fil conducteur. Les lignes de champ sont conformes à la règle de la main droite, c'est-à-dire que si le pouce de la main droite pointe dans la direction du courant, les quatre autres doigts de la main droite indiqueront la direction de circulation des lignes de champ magnétique.
Champ magnétique d'un fil droit
Le champ magnétique dû à un fil droit à une distance r de celui-ci est:
Supposons que nous plions le câble de sorte qu'il forme un cercle ou une boucle, puis les lignes de champ magnétique à l'intérieur de celui-ci se rejoignent en pointant toutes dans la même direction, s'ajoutant et se renforçant. Dans la partie intérieure de la boucle ou du cercle, le champ est plus intense que dans la partie extérieure, où les lignes de champ se séparent et s'affaiblissent.
Figure 4. Champ magnétique produit par un fil en cercle. Source: Wikimedia Commons
Le champ magnétique au centre d'une boucle
Le champ magnétique résultant au centre d'une boucle de rayon a transportant un courant I est:
L'effet se multiplie si à chaque fois on plie le câble pour qu'il ait deux, trois, quatre,… et plusieurs tours. Lorsque l'on enroule le câble sous la forme d'un ressort avec des spires très proches, le champ magnétique à l'intérieur du ressort est uniforme et très intense, tandis qu'à l'extérieur il est pratiquement nul.
Supposons que nous enroulions le câble dans une spirale de 30 tours sur 1 cm de long et 1 cm de diamètre. Cela donne une densité de tours de 3000 tours par mètre.
Champ magnétique solénoïde idéal
Dans un solénoïde idéal, le champ magnétique à l'intérieur est donné par:
En résumé, nos calculs pour un câble transportant 1 ampère de courant et calcul du champ magnétique en microteslas, toujours à 0,5 cm du câble dans différentes configurations:
- Câble droit: 40 microteslas.
- Câble dans un cercle de 1 cm de diamètre: 125 microteslas.
- Spirale de 300 tours en 1 cm: 3770 microteslas = 0,003770 Tesla.
Mais si on ajoute à la spirale un noyau de fer avec une permittivité relative de 100, alors le champ est multiplié 100 fois, soit 0,37 Tesla.
Il est également possible de calculer la force que l'électroaimant sous forme de solénoïde exerce sur une section du noyau de fer de section A:
En supposant un champ magnétique de saturation de 1,6 Tesla, la force par mètre carré de section de noyau de fer exercée par l'électroaimant sera de 10 ^ 6 Newton équivalent à 10 ^ 5 kilogrammes de force, soit 0,1 tonnes par mètre carré de section transversale.
Cela signifie qu'un électroaimant avec un champ de saturation de 1,6 Tesla exerce une force de 10 kg sur un noyau de fer d'une section de 1 cm 2.
Applications d'électroaimant
Les électroaimants font partie de nombreux gadgets et appareils. Par exemple, ils sont présents à l'intérieur:
- Moteurs électriques.
- Alternateurs et dynamos.
- Haut-parleurs.
- Relais ou interrupteurs électromécaniques.
- Cloches électriques.
- Electrovannes pour contrôle de débit.
- Disques durs d'ordinateur.
- Grues de levage de ferraille.
- Séparateurs métalliques des déchets urbains.
- Freins électriques pour trains et camions.
- Machines d'imagerie par résonance magnétique nucléaire.
Et bien d'autres appareils.
Références
- García, F. Champ magnétique. Récupéré de: www.sc.ehu.es
- Tagueña, J. et Martina, E. Magnetism. De la boussole à la rotation. Récupéré de: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
- Sears, Zemansky. 2016. Physique universitaire et physique moderne. 14e. Ed. Volume 2. 921-954.
- Wikipédia. Électro-aimant. Récupéré de: wikipedia.com
- Wikipédia. Électro-aimant. Récupéré de: wikipedia.com
- Wikipédia. Magnétisation. Récupéré de: wikipedia.com