Utilisateur:INSA-4GP-gr1/Brouillon 3

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

Il est consitué 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.

Généralités/Fonctionnement Champ magnétique généré Force résultante Application (reprendre la partie déjà faite)

I 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 rémanation.

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 resctangulaire avec une petite ouverture appellé <entrefer>

<Garder la photo avec la description déjà présente sur l’article actuel>

II Champ magnétique généré

II.1 Equations :

Electro-aimant à section constante :

N : nombre de spire du bobinage I : courant électrique parcourant le bobinage (A) Lc : longueur totale du coeur magnétique (m) Le : largeur de l’entrefer (m) μr : perméabilité magnétique relative du matériau formant le coeur

Dans la matière, on utilise le théorème d’Ampère appliqué au champ magnétique :

La continuité de la composante normale de nous permet d’écrire :

On obtient donc l’expression du champ magnétique :

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

Exemple d’influence de la géométrie : section différente à l’entrefer :

La géométrie d’un électro-aimant peut avoir une influence sur ses propriétés. Intéressons nous au cas d’un électro-aimant à section différente au niveau de l’entrefer :Pour déterminer l’expression du champ magnétique généré par un électro-aimant à section constante, nous utilisons le théorème d’Ampère, ainsi que certaines propriétés magnétique : le flux de l’induction magnétique est constant ; la composante normale de est continue à la traversée d’une surface ()

On définit les grandeurs suivantes : B : induction magnétique (A.m-1) H : champ magnétique (T)

Le flux de l’induction magnétique B étant constant, on peut écrire :

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

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

II.2 Lignes de champ :

III Force résultante

Le calcul de la force résultante sur les matériaux ferromagnétiques 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> : µr >> µ0 - Le flux du champ magnétique est parfaitement canalisé : B1S1=B2S2 La force maximale exercée par l’électroaimant est donc :

F=B^2A/2u0

F : la force en Newtons B : le champ magnétique en Tesla A : la section du barreau de fer en m2 µ0 : la perméabilité magnétique du vide

Exemple : pour B=1 T :

             	P=F/A=(B^2)/(2µ0)=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 :

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 Tesla 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.

Sources utilisées : Etienne Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme : II Matériaux et Applications, EDP Science, 29 mars 2015. http://educypedia.karadimov.info/library/em7-electro-aimant.pdf