Électroaimant

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Un simple électroaimant constitué d'un noyau en ferrite et d'un fil électrique enroulé autour. La force mécanique d'attraction de l'électroaimant est proportionnelle au carré du produit du courant par le nombre de spires.

Un électro-aimant produit un champ magnétique lorsqu'il est alimenté par un courant électrique : il convertit de l’énergie électrique en énergie magnétique. Il a été inventé par les francais André-Marie Ampère et François Arago.

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[modifier | modifier le code]

Un matériau ferromagnétique est utilisé comme cœur de l’électroaimant. La présence du coeur permet d'augmenter l'induction magnétique générée par la bobine. 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 cœur magnétique est de forme rectangulaire avec une petite ouverture appelle entrefer

Champ magnétique généré[modifier | modifier le code]

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

Électroaimant à section constante[modifier | modifier le code]

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 (Bint=Bext)

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)

Lc : longueur totale du coeur magnétique (m)

Le : largeur de l’entrefer (m)

μr : perméabilité magnétique relative du matériau formant le coeur

Electro-aimant a section constante avec entrefer.png

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

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

On obtient alors l’expression du champ magnétique :

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[modifier | modifier le code]

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

Variation de la section au niveau de l’entrefer

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

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

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

Force résultante[modifier | modifier le code]

Direction de la force exercée par un champ magnétique

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 : µr >> 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 : 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 :

pour B=2 T :

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 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[modifier | modifier le code]

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.
  • 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).
  • 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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]