Utilisateur:INSA-4GP-gr1/Brouillon3

Cette page est un brouillon appartenant à INSA-4GP-gr1

Conseils de rédaction

→ N'hésitez pas à publier sur le brouillon un texte inachevé et à le modifier autant que vous le souhaitez.
→ Pour enregistrer vos modifications au brouillon, il est nécessaire de cliquer sur le bouton bleu : « Publier les modifications ». Il n'y a pas d'enregistrement automatique.

Si votre but est de publier un nouvel article, votre brouillon doit respecter les points suivants :

Respectez le droit d'auteur en créant un texte spécialement pour Wikipédia en français (pas de copier-coller venu d'ailleurs).
Indiquez les éléments démontrant la notoriété du sujet (aide).
Liez chaque fait présenté à une source de qualité (quelles sources – comment les insérer).
Utilisez un ton neutre, qui ne soit ni orienté ni publicitaire (aide).
Veillez également à structurer votre article, de manière à ce qu'il soit conforme aux autres pages de l'encyclopédie (structurer – mettre en page).

→ Si ces points sont respectés, pour transformer votre brouillon en article, utilisez le bouton « publier le brouillon » en haut à droite. Votre brouillon sera alors transféré dans l'espace encyclopédique.

Un électro-aimant produit un champ magnétique lorsqu'il est alimenté par un courant électrique : il convertit de l’énergie électrique en énergie magnétique. Son inventeur est le français André-Marie Ampère.

Il est constitué d’un bobinage, d’une pièce polaire en matériaux ferromagnétique doux appelé coeur magnétique qui canalise les lignes de champs magnétiques, ainsi que d’un entrefer où est généré le champ magnétique utile.

Les électro-aimants sont très largement utilisés dans l’industrie.

Fonctionnement

Le matériau ferromagnétique utilisé comme cœur de l’électroaimant (généralement du fer) se compose de petits moments magnétiques qui agissent comme de petits aimants pouvant être orientés suivant le champ extérieur appliqué. Avant le passage du courant dans la bobine, ces moments magnétiques sont orientés aléatoirement, et le champ macroscopique résultant est nul ou très faible.

Au passage d’un courant dans la bobine entourant le cœur en fer, les moments magnétiques vont avoir tendance à s’aligner parallèlement au champ crée, dans le sens définie par la règle de la main droite. En augmentant ce courant, de plus en plus de moments vont s’orienter, jusqu’à atteindre le régime de saturation où tous les moments seront alignés parallèlement au champ. Lorsque l’on annule le courant, les moments vont se réorienter de façon aléatoire et le champ magnétique va disparaître. Cependant, pour certains matériaux les moments magnétiques perdent difficilement leur direction de magnétisation, laissant au noyau une faible aimantation persistante appelée rémanance.

Il existe des électroaimants de formes diverses :

- Barreau : le cœur magnétique est une simple barre de fer

- Torroide : le cœur magnétique est en forme d’anneau. Associé à la bobine qui l’entoure on parle alors de solénoïde

- Circuit avec entrefer : le coeur magnétique est de forme rectangulaire avec une petite ouverture appelle entrefer

Champ magnétique généré

Dans cette partie on traitera uniquement le cas d'un électro-aimant de type "circuit avec entrefer".

Électroaimant à section constante

Pour déterminer l’expression du champ magnétique généré par un électro-aimant à section constante, on utilise le théorème d’Ampère, ainsi que certaines propriétés magnétique : le flux de l’induction magnétique est constant ; la composante normale de B est continue à la traversée d’une surface (B_int=B_ext)

On définit les grandeurs suivantes :

B : induction magnétique (A.m^-1)

H : champ magnétique (T)

N : nombre de spire du bobinage

I : courant électrique parcourant le bobinage (A)

L_c : longueur totale du coeur magnétique (m)

L_e : largeur de l’entrefer (m)

μ_r : perméabilité magnétique relative du matériau formant le coeur

Dans la matière, on utilise le théorème d’Ampère appliqué au champ magnétique ${\vec {H}}$ :

$\int {\vec {H}}.{\vec {dl}}=NI\Rightarrow H_{c}.L_{c}+H_{e}.L_{e}=NI$

La continuité de la composante normale de ${\vec {B}}$ permet d’écrire :

$H_{c}={\frac {H_{e}}{\mu _{r}}}$

On obtient alors l’expression du champ magnétique :

$H_{e}={\frac {N.I}{{\frac {L_{c}}{\mu _{r}}}+L_{e}}}$

On pourra noter que la position du bobinage n’a aucune influence sur le champ magnétique, seuls le nombre de spires et le courant les traversant interviennent dans l’équation.

Influence de la géométrie à l’entrefer

La géométrie d’un électro-aimant peut avoir une influence sur ses propriétés.

Dans le cas d’un électro-aimant à section différente au niveau de l’entrefer

$\int {\vec {B}}.{\vec {dS}}={\vec {0}}\Rightarrow {\vec {B}}_{c}.S_{c}+{\vec {B}}_{e}.S_{e}={\vec {0}}\Rightarrow B_{c}={\frac {S_{e}}{S_{c}}}.B_{e}$

Ensuite, grâce au théorème d’Ampère, on retrouve l’expression du champ magnétique H :

$H_{e}={\frac {N.I}{{\frac {S_{e}}{S_{c}}}.{\frac {L_{c}}{\mu _{r}}}+L_{e}}}$

Avec une section plus petite au niveau de l’entrefer comme sur le schéma précédent, le champ généré sera donc plus important.

Force résultante

Un matériau ferromagnétique soumis à un champ magnétique subit une force orientée dans le sens du champ. Le calcul de cette force est en général assez difficile à cause de la complexité des lignes de champ. Il faut donc faire quelques approximations pour aboutir à une équation simple :

Le matériau est de grande perméabilité : µ_r >> µ₀
Le flux du champ magnétique est parfaitement canalisé par le cœur magnétique

La force maximale exercée par l’électroaimant est donnée par la formule :

$F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}$

F : Force exercée (N)

B : Induction magnétique (A.m^-1)

A : Section du coeur magnétique (m²)

µ₀ : Perméabilité magnétique du vide (kg.m.s^-2.A^-2)

Exemple : pour B=1 T :

$P={\frac {F}{A}}={\frac {B^{2}}{2\mu _{0}}}=398kPa$

pour B=2 T :

$P=1592kPa$

Pour avoir une unité plus intuitive, on peut ramener un champ de 1 Tesla à une pression de 4 atmosphère.

Pour un circuit magnétique fermé, en remplaçant le champ B par l’expression obtenu grâce au théorème d’Ampère on trouve :

$F={\frac {\mu ^{2}N^{2}I^{2}A}{2\mu _{0}L^{2}}}$

Pour construire un puissant électroaimant, il est donc préférable d’utiliser un circuit magnétique court avec une grande superficie. La force magnétique reste toutefois limitée par l’aimantation à saturation, correspondant à environ 2 Teslas pour les matériaux ferromagnétiques. Les électroaimants utilisés pour lever des charges sont en circuit fermé avec une petite ouverture permettant de passer la partie magnétique de l’objet par laquelle on pourra le maintenir, ce grâce au fort champ magnétique crée dans cet espace. Cette géométrie est utilisée pour soulever des conteneurs de plus de 25 tonnes.

Applications

L'électroaimant fait souvent partie d'un ensemble électrique (moteur électrique, générateur, radio, télévision, magnétophone, magnétoscope, disque dur, microscope électronique, machines diverses). Dans les moteurs et les générateurs, il est utilisé pour créer un champ électromagnétique que l'on peut contrôler, cas des inducteurs ou, un collecteur de courant électrique, cas des induits.

Exemples d'utilisations :

Quand il est utilisé seul, l'électroaimant peut être assimilé à un aimant commandé.

La gâche électrique d'une porte : l'électroaimant lorsqu'il est alimenté, tire le loquet bloquant la serrure, libérant ainsi la porte qui peut être ouverte sans clé ni poignée.

Certains verrouillages de portes sont confiés à des électroaimants, dont la force d'attraction peut atteindre 6 000 N. Ce type de dispositif maintient des portes coupe-feu ouvertes dans certains immeubles, les libérant en cas d'incendie, ce dispositif est appelé improprement ventouse.

Les relais électromagnétiques, les disjoncteurs, les télérupteurs sont basés sur l'attirance d'une masse ferromagnétique par un électroaimant. Cette masse contrôle le déplacement des contacts électriques.

Dans de nombreux automatismes électromécaniques, des mouvements linéaires relativement courts (moins de 5 centimètres) sont confiés à un électroaimant à noyau plongeur, application particulière de l'électroaimant.

Le levage de masses métalliques ainsi que le tri des déchets métalliques est confié à de puissants et grands électroaimants.

Les injecteurs de carburant (essence et gazole) des moteurs montés dans les automobiles actuelles sont des électroaimants pilotés directement par le calculateur électronique de gestion du moteur. Lorsque le calculateur veut injecter du carburant, il fournit un courant électrique à l'injecteur, l'aiguille bouchant le trou d'injection recule laissant ainsi entrer le carburant sous pression dans le moteur. L'aiguille est remise en place par un ressort à la disparition du courant.

Dans les enregistreurs magnétiques (magnétophone, magnétoscope, piste magnétique), l'électroaimant sert à aimanter les particules métalliques du support de l'information. Pendant que le support magnétique (bande ou disque) défile devant une tête magnétique à une vitesse contrôlée, un courant électrique (image) de la source à enregistrer passe dans la tête transférant ainsi l'information sous forme magnétique. Pour la lecture, le support défile de nouveau devant la tête magnétique, dans laquelle les variations de champ magnétique induisent un courant électrique, qui est amplifié et adapté pour être restitué dans sa forme originale.

Dans la reproduction sonore, l'électroaimant est le moteur des haut-parleurs : une membrane est mise en mouvement par une bobine plongée dans le champ magnétique d'un aimant permanent. La membrane vibre au rythme du signal alimentant la bobine.

Les électroaimants sont utilisés dans les accélérateurs de particules (synchrotrons, cyclotrons, …) pour la recherche en physique (comme le LHC).

Dans le train à lévitation allemand, le Transrapid, les électroaimants sont utilisés pour la lévitation, la propulsion et la rotation angulaire.

Dans les paliers magnétiques, les électroaimants servent à faire léviter un rotor en le faisant flotter dans un champ magnétique afin de le faire tourner sans contacts.

On peut fabriquer soi-même un petit électro-aimant en bobinant deux mètres de fil électrique autour d’un boulon ou d’une vis, le circuit étant connecté quelques secondes (au maximum 5 secondes sinon la pile se décharge rapidement) à une pile alcaline de 4.5 Volts . Cet électro-aimant qui reproduit les expériences d'Ampère peut attirer des clous, des rondelles en fer, des trombones.

Bibliographie

Etienne Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme : II Matériaux et Applications, EDP Science, Grenoble sciences, 2000

Bertran Nogadère, « De quoi sont faits les aimants ? », émission Les p'tits bateaux sur France Inter, 21 avril 2013

Liens externes

Les électro-aimants, educypedia.karadimov.info, mai 1999