Introduction
L’utilisation des électroaimants
Un électroaimant est un aimant qui fonctionne à l’électricité. Il peut être activé et désactivé. Les bobines sont presque toujours en fil de cuivre, en raison de son excellente conductivité électrique (voir Propriétés de conductivité)
Les électroaimants permettent de nombreux usages. En voici quelques exemples.
• Un carillon électrique – Les électroaimants font vibrer le marteau selon un mouvement de va-et-vient qui déclenche la sonnerie du carillon.
• Une serrure électrique – Après avoir répondu à l’interphone, vous pouvez déverrouiller la porte depuis l’étage. Un électroaimant ouvre le verrou de la serrure. En désactivant l’électroaimant, le verrou se remet en place.
• Une grue – Une grue de ferrailleur peut soulever une voiture entière. Après l’avoir amenée en position, on coupe l’électroaimant pour déposer la carcasse.
• Un instrument chirurgical – Un chirurgien ophtalmologue peut enlever des éclats d’acier de l’œil de son patient à l’aide d’un électroaimant. Il augmente l’intensité jusqu’à ce que l’électroaimant exerce une attraction tout juste suffisante pour enlever délicatement le métal.
Dans cette partie, nous examinerons le mode de fonctionnement des électroaimants et les méthodes permettant de renforcer leur efficacité.
Les champs magnétiques
Un aimant attire certains métaux comme le fer. On dit que ces métaux sont magnétiques. Il est également possible de fabriquer un aimant à partir de fer doux. Cet aimant possèdera deux pôles – un pôle nord et un pôle sud.
Que font les pôles ?
Si nous approchons le pôle nord d’un barreau aimanté du pôle sud d’un autre barreau, les deux pôles s’attirent mutuellement.
On dit alors que :
Les pôles opposés s’attirent.
En revanche, si nous approchons un pôle nord d'un autre pôle nord, les deux pôles exercent une force de répulsion. On dit alors qu’ils se repoussent. Il en va de même des deux pôles sud.
On dit alors que :
Deux pôles semblables se repoussent.
Qu'est-ce qu’un champ magnétique ?
Un aimant n'a pas besoin d'en toucher un autre pour l'attirer ou le repousser. La force exercée par l’aimant s’étend au-delà de celui-ci. Il s’agit d’une force invisible qui s’exerce à distance. On dit alors qu’un champ magnétique se crée autour de l’aimant. Le champ magnétique est la zone dans laquelle la force de l’aimant s’exerce.
Le champ magnétique est invisible. Nous devons recourir à des astuces pour visualiser sa forme.
Comment peut-on visualiser le champ magnétique ?
Vous pouvez visualiser la forme du champ magnétique en utilisant de la limaille de fer :
• Placez un morceau de carton au-dessus de l’aimant
• Saupoudrez délicatement un peu de limaille de fer sur le carton.
• Tapotez le carton de sorte que la limaille de fer s’aligne sur le champ magnétique.
• Observez le motif formé par la limaille de fer
Dans quel sens s’oriente le champ magnétique ?
La limaille de fer nous indique la forme du champ magnétique. Toutefois, il est également utile de connaître l’orientation du champ – c’est-à-dire s’il attirera ou repoussera un pôle nord d’un autre aimant.
Nous pouvons la déterminer en utilisant une petite boussole. L’aiguille de la boussole est elle-même un petit aimant. Sa flèche représente un pôle nord. Ainsi, la boussole s'écarte du pôle nord de l’aimant.
Les lignes de champ magnétique
Nous pouvons reporter cette constatation sur un diagramme du champ magnétique, en utilisant des lignes de champ. Vous remarquerez que les lignes de champ magnétique
• s’écartent du pôle nord et
• pointent vers le pôle sud et
• ne se croisent jamais
• ne sortent qu’au niveau des extrémités de l’aimant
• se rapprochent le plus là où l'intensité du champ est la plus forte, par ex. à proximité des pôles.
Les flèches des lignes de champ nous indiquent dans quel sens un autre pôle nord se déplacerait. Un pôle sud serait quant à lui attiré dans la direction opposée aux flèches.
Les solénoïdes
Un électroaimant est une bobine de fil parcourue par un courant électrique.
Lorsque le fil est enroulé pour former un cylindre, on l’appelle « solénoïde ». Le solénoïde devient un électroaimant dès qu'un courant le traverse.
Pourquoi utiliser du cuivre ?
Le cuivre est utilisé pour sa faible résistance électrique (voir Propriétés de conductivité). Cela signifie que le courant le traverse facilement. De plus, le fil de cuivre peut être aisément mis en forme pour constituer une bobine.
À quoi ressemble le champ ?
Lorsque le courant traverse le fil, il transforme la bobine en aimant. C’est ce que l’on appelle un électroaimant. Le champ de l’électroaimant est similaire à celui d'un barreau aimanté. La bobine possède un pôle nord à une extrémité et un pôle sud à l’autre.
Rappelez-vous que nous avons illustré les lignes de force sortant du pôle nord et rejoignant le pôle sud
Comment se rappeler du champ ?
Lorsqu’un courant traverse le solénoïde, il se transforme en électroaimant. Une extrémité devient donc le pôle nord et l’autre extrémité le pôle sud. Une petite astuce permet de se rappeler du résultat de la transformation des extrémités en pôles.
Elle consiste à observer la lettre – S ou N – qui pointe dans la même direction que le courant.
En regardant une extrémité de la bobine, on constate que le courant circule dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Si l’on met la lettre N en regard, elle pointe dans la même direction que le courant. Ce ne serait pas le cas du S. Il s’agit donc bien du pôle nord.
Si nous examinons l’autre extrémité de la bobine, le courant circule dans le sens des aiguilles d’une montre. Dans ce cas, la direction correspond au S. Il s’agit donc bien du pôle sud.
L’utilisation des électroaimants
Comme exemple d'usage d'un électroaimant, nous pouvons citer un simple système d'ouverture de porte par interphone dans un immeuble d'appartements. Une personne située au quatrième étage ne souhaite pas descendre pour ouvrir. Elle dispose d'un bouton interrupteur qui commande un électroaimant intégré dans la serrure. Lorsqu’elle appuie sur le bouton, la bobine de fil de cuivre devient un électroaimant. Ce dernier attire ainsi l'armature et tire le verrou vers l’arrière. La porte peut maintenant être ouverte.
Renforcer la puissance des électroaimants
Il est possible de renforcer la puissance des électroaimants de différentes façons. En voici quelques-unes :
• accroître l’intensité du courant en circulation
• utiliser un plus grand nombre de spires de fil de cuivre
• insérer un noyau de fer doux.
Examinons chacune de ces solutions.
Une intensité de courant accrue
Une intensité de courant accrue renforcera la puissance d’un aimant. Toutefois, il existe une limite à la quantité de courant pouvant circuler dans les fils avant qu’ils ne deviennent trop chauds. De même, une intensité de courant plus importante signifie un plus grand gaspillage d’énergie (sous forme de chaleur) à l’intérieur de la bobine et dans les fils de raccordement. Il est donc souvent préférable d’essayer d’accroître la puissance par l’ajout de plusieurs spires plutôt que par l’augmentation de l'intensité du courant.
Un plus grand nombre de spires
Imaginez que vous disposiez d’un électroaimant constitué d’une seule spire de fil. Vous lui adjoignez ensuite une autre spire. Cela revient à placer un autre électroaimant à côté du premier. La puissance de l’aimant augmente donc. La puissance de l’aimant augmentera en proportion du nombre de spires ajoutées.
Un noyau de fer
Le fer est un matériau magnétique. Des particules magnétiques sont présentes à l’intérieur du fer. Dans le fer doux, ces particules s'alignent sur un champ magnétique externe. De cette façon, le noyau de fer doux agit comme un aimant à part entière. Une fois que le champ externe aura été éliminé, le noyau retrouvera son état normal.
Imaginons maintenant que nous insérions une pièce en fer doux au centre d'une bobine de fils de cuivre. Lors de la mise sous tension, la bobine devient un électroaimant. En outre, le noyau de fer doux se transforme lui aussi en aimant. Sa puissance viendra dès lors s’ajouter à celle de l’électroaimant.
L’effet du noyau de fer doux est nettement supérieur au doublement de l’intensité du courant ou du nombre de spires.
