notions d electromagnet is me

Electromagntisme

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ElectromagntismeLes champs magntiques Les sources de champs magntiques existent ltat naturel (Terre, aimant naturel) ou peuvent tre cres artificiellement (aimant, lectro-aimant). Lunit du champ magntique B est le Tesla (T) Le champ magntique se mesure avec un teslamtre. Schma dun aimant :! ou

Bipolarit Un champ magntique possde toujours un ple nord et un ple sud. Ils sont indissociables. Si on casse un aimant on obtient deux aimants.

Action dun champ magntique sur un aimant : attraction - rpulsion Si on approche deux ples de mme polarit, les aimants se repoussent.

Si on approche deux ples opposs, les aimants sattirent.

Les forces dpendent de lintensit du champ magntique et de la distance entre les deux aimants. Visualisation du champ magntique Des grains de limaille de fer, saupoudrs autour dun aimant, vont sorienter selon les lignes de champ. - Les lignes de champs montrent lorientation du champ magntique. - La densit de lignes de champ informe sur lintensit du champ magntique. - La figure forme par la limaille de fer sappelle un spectre magntique.

Spectre dun aimant droit + symbolisation de quelques lignes de champs et quelques vecteurs champ magntique .

Claude Divoux, mai 2006

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Le champ magntique B est une grandeur vectorielle. Il varie en direction et en intensit selon lendroit considr. Observations - Les lignes de champ vont du! ple nord vers le ple sud. - Le champ B est tangent aux lignes de champs. - Si on place une boussole au point P, son ple nord va sorienter dans la direction de B .! !

Les boussoles sorientent selon les lignes de champ.

Internet - simulation du spectre dun aimant droit http://www.walter-fendt.de/ph11f/mfbar_f.htm

Ligne de champ entre les armatures dun aimant en U. (toutes les lignes de champ extrieures ne sont pas dessines)

Observation - A lintrieur dun aimant en U le champ magntique est constant en intensit et en direction. On dit quil est uniforme.


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Comment dterminer le ple dun aimant Il faut au pralable connatre la polarit dun aimant. Par exemple celui de la Terre (voir limage ci-dessous)

Le ple gographique et le ple magntique sont dcals de 11 par rapport au centre de la Terre.

Ensuite il suffit de constater la rpulsion ou lattraction entre laimant dont on veut dterminer les ples et laimant dont on connat la polarit.

Le barreau aimant prsente un ple nord la boussole

Boussole Attention, une boussole se dsaimante et saimante en inverse facilement. Utilisation industrielle - Moteurs aimants permanents Manutention

Crochet de manutention aimant permanent Laimant est lintrieur de la bote jaune. La poigne permet dapprocher laimant prs de lobjet (compos de fer) manipuler. Le crochet permet la manipulation avec un engin de levage (treuil par exemple)


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Champ magntique cre par un courant La source microscopique dun champ magntique est le dplacement de charges lectriques. Un courant lectrique tant un dplacement de charges lectrique va donc gnrer un champ magntique. Cette proprit est utilise dans de nombreux systmes lectrotechniques : - lectro-aimants (gachette de porte dentre, engin de levage de ferraille)

Sous leffet du courant, laxe de llectroaimant se rtracte.Source inconnue sur Internet

Electroaimant pour diverses applications industrielles.Source inconnue sur Internet

Levage de botes de conservesSource inconnue sur Internet

-

moteurs et gnrateurs lectriques

Stator dun moteur bipolaire

-

train sustentation magntique

Maglev - http://maglev.de/

Lintensit du champ magntique est proportionnelle au courant qui le cre : B = k " I

!

Si le courant double, le champ double.

Observation - Dans la grande majorit des applications magntiques du courant, le fil lectrique sera enroul en bobine. Cela permet daugmenter les proprits magntiques du courant en variant le nombre de spires et en plaant au centre de la bobine un noyau ferromagntique.


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Polarit dune bobine parcourue par un courant rgle de la main droite Placer votre main droite sur la bobine pour lentourer dans le sens de circulation du courant. Votre pouce vous indiquera la face Nord de la bobine.

La rgle de la main droite indique le ple nord de la bobine.

Lignes de champ dun solnode

Une autre faon pour dterminer les ples dune bobine est de la placer selon son axe et dobserver le sens de rotation du courant.

face nord

face sud


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Champ magntique au milieu dun solnode. Un solnode est une bobine qui possde une longueur l et une rpartition uniforme de N spires. Nous avons vrifi exprimentalement que le champ magntique sexprimait de la faon suivante N B = 0 I l l en mtres (m) ; I en ampres (A) ; N nombre de spires 0 est la permabilit du vide (ou de lair) : 0 ! 4.10-7 u.s.i. = 1,257.10-6 u.s.i. =

Le champ produit par ce solnode sera plus intense

que celui-ci.

Excitation magntique

N I l Les termes N, l et I dpendent de la source de champ magntique (la bobine). Le terme 0 dpend du milieu qui se trouve au centre de la bobine (lair ).Reprenons la formule B = 0 On dfinit lexcitation magntique H qui ne dpend que de la source. ! Pour le solnode lintensit H (le module du vecteur) va sexprimer : N H= I ! l -1 H sexprime en ampres par mtre (A.m ). Milieu ferromagntique ! Si lon place un noyau ferromagntique (alliage base de fer) dans la bobine, le champ sera plus intense. Cette proprit est utilise dans les moteurs lectriques et les transformateurs.

N I l est la permabilit du matriau. est beaucoup plus grand que 0. B="H = !Claude Divoux, mai 2006

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Application du ferromagntisme - transformateur : il transforme une tension sinusodale de tension efficace U1 en une autre tension de valeur efficace U2 plus grande ou plus petite que U1. Le circuit magntique canalise et intensifie le champ magntique.

Sources inconnues sur Internet

-

Moteurs et gnrateurs lectriques : tout le bti en fer du moteur contribue au transfert dnergie lectromagntique entre le rotor et le stator.

Source inconnue sur Internet

Force de Laplace Vous avez pu constater que deux aimants peuvent sattirer ou se repousser. Il existe donc une force magntique. La force de Laplace est une des expressions de cette force.

Exprience de Laplace : le barreau conducteur se dplace sur les deux rails. (vido)

Un conducteur de longueur l, plac dans un champ magntique B et parcouru par un courant I, subit une force appele force de Laplace.

F = I"l"B F en newtons (N), I en ampres (A), l en mtre (m), B! tesla (T). en Lorientation de la force peut-tre dduite par la rgle des trois doigts de la main droite. !

Rgle de la main droite : dans lordre F, I, B quivalent pousse, index, majeur.


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Tout comme un repre orthonorm (x,y,z), les trois doigts forment un tridre tri-rectangle direct. Un faisceau dlectrons tant un courant lectrique dans le vide, subit galement une force de dviation en prsence dun champ magntique.

Dviation dun faisceau dlectron.

Application de la force de Laplace - Tlviseur : cest le principe utilis dans les tubes cathodiques des tlviseurs et des crans dordinateurs (attention : ce nest plus le cas dans les crans plats).

Source inconnue sur Internet

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Moteur lectrique : le champ magntique du stator applique des forces de Laplace sur les conducteurs du rotor qui se met en rotation.

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Haut-parleur Le signal lectrique fait vibrer la membrane du haut-parleur sur le principe de la force de Laplace.

Source www.son-video.com


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Vecteur surface Soit une surface S dlimite par un cercle ; on choisit un sens de parcours sur le cercle et on dfinit le vecteur n unitaire normale la surface avec la rgle de la main droite (voir un paragraphe prcdent).!

On peut galement dfinir le vecteur S = S.n Pour une bobine parcourue par un courant, le sens de parcours sera donn par le sens du courant. Et donc n est orient comme le champ magntique gnr par la bobine ( n pointe vers la face nord de la bobine). !! !

Reprsentation dun vecteur perpendiculaire au plan de la feuilleCe symbole est celui dun vecteur qui pointe vers vous. Ce symbole est celui dun vecteur qui sloigne de vous.

Flux magntique Le flux magntique reprsente la quantit de champ magntique vu travers les spires dun enroulement (une bobine). Le flux change selon lorientation de la bobine par rapport au champ magntique.

Langle "

= B n est nul.

( )

cos" = 1 !Une spire traverse par un champ magntique (vue de face). Vu dau-dessus, langle entre la normale la surface et le champ est nul. Le flux est maximum

!


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La surface vue par le champ magntique dpend de langle .

Svue = S " cos #

Vu dau-dessus, la normale la surface et le champ scartent dun angle (thta)

!

Langle "

= B n fait 90.

( )

cos" = 0 ! !Le champ magntique ne traverse pas la spire Le flux est nul.

Le flux magntique travers un circuit est le produit du champ magntique par la surface apparente que lui prsente le circuit.

" = B # S # cos$Lunit du flux est le Weber (Wb). (thta) est langle entre la normale n la surface et la champ magntique B . ! Force lectromotrice (fm ou f..m.) Exprience : si on remue un aimant devant une bobine, non alimente, on observe une tension ses bornes. ! !

Cration dune force lectromotrice

Le champ magntique applique une force sur les lectrons de la bobine. Cette force induit une tension lectrique appele force lectromotrice. Dans quel cas observe-t-on une force lectromotrice ? - laimant bouge devant la bobine - la bobine bouge devant laimant - Dans quel cas la f..m. est nulle ? - laimant est immobile par rapport la bobine. Plusieurs expriences permettent (voir sur www.physique-appliquee.net) de comprendre que pour observer une f..m. aux bornes de la bobine, il faut une variation de flux. Do la loi de Faraday. 10/13


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Loi de Faraday Tout circuit soumis une variation de flux, voit apparatre ses bornes une force lectromotrice (tension) e telle que :

Rgle du flux maximum Les interactions entre deux sources de champ magntique sont telles que le flux devient maximum. Exemple - Cette rgle permet dexpliquer la rotation des moteurs lectriques comme le moteur courant continu et le moteur pas pas. Induction lectromagntique et courant induit La bobine, soumise une variation de flux, devient donc une source de tension lectrique (f..m.). Si on ferme le circuit de la bobine, un courant va stablir. Comme il sagit dun courant induit par un champ magntique, on parle de courant induit et dinduction lectromagntique. Un champ magntique, variable, induit un courant. Exemples - Les alternateurs des centrales lectriques utilisent ce principe pour produire la tension et le courant du rseau EDF. Sans la rotation de la machine, il ny aurait pas variation de flux et donc pas de f..m. - Le transformateur utilise ce principe pour transfrer lnergie de la bobine primaire la bobine secondaire. Pour quil y ait variation de flux, la bobine primaire du transformateur doit tre aliment en courant variable (sinuosdal). En courant continu, le champ serait constant et la fem au secondaire nulle. - Frein courant de Foucault (voir plus loin). - Four induction industriel Un fort champ magntique induit des courants dans le mtal fondre. Ce courant induit provoque des pertes par effet joule qui fait fondre le mtal. Le lyce du Haut-Barr dispose depuis peu dun four induction dans son atelier de prototypage rapide. - Plaque induction. Une plaque induction produit un champ magntique sinusodal 5 kHz. Ce champ induit des courants dans la casserole (surtout le fond). Le fond de la casserole doit tre suffisamment rsistif pour que le courant induit gnre de la chaleur par effet joule (R.I2) qui chauffe le contenu.

Principe source : membres.lycos.fr/seftech/

Plaque induction ouverte, on voit bien la bobine inductrice.

Auto-induction Mettons une bobine sous tension.Claude Divoux, mai 2006

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1. Le courant gnre un champ magntique croissant. 2. Le champ magntique croissant gnre un flux magntique croissant travers la bobine ellemme (do le nom dauto-induction). 3. Une f..m. et un courant induit apparaissent dans la bobine. Ils sont ngatifs. 4. Le courant induit tant ngatif, le champ magntique induit soppose au champ magntique inducteur (point 1). Ce principe est nonc par la loi de Lenz. 5. Le champ rsultant est la somme des champs inducteur et induit. 6. Le courant rsultant est la somme des courants inducteur et induit. Exemple - La proprit principale des bobines (ou inductances, ou selfs) est base sur lautoinduction

Bobine avec son noyau. Source e.m.c.2.free.fr/

Loi de Lenz Le sens du courant induit est tel que les effets quil produit sopposent la cause qui lui donne naissance. Exemples - Frein courant de Foucault Lorsque le chauffeur de camion appuie sur la pdale de frein, il alimente en courant les bobines des lectroaimants. Le flux variable rsultant, traverse le disque dans lequel apparat des courants induits appels courants de Foucault. Ces courants gnrent des forces qui sopposent la rotation du disque et freinent le camion.

Principe du frein courant de Foucault

Frein courant de Foucault pour machines tournantes. Source www.magtrol.com

Les vlos de salon possdent un frein courant de Foucault. Source www.manor.ch

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Freinage du TGV Le freinage de la rame est assur par 4 modes de freinage * rhostatique, * courants de Foucault (rotatif), * olopneumatique sabots, utilis pour les freinages d'appoint et d'arrt, 12/13


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* magntique, utilis pour les freinages d'urgence seulement. http://www.emdx.org/rail/30ansTGV/ Cramique supra-conductrice Laimant tient en suspension au-dessus de la cramique du fait de lapparition dun courant induit qui provoque un champ magntique qui soppose laimant.

Source http://perso.wanadoo.fr/pignolos/college/3e_en+_supraconducteurs.htm

Inductance propre dun circuit Nous avons dj parl prcdemment du phnomne dauto-induction. Donc toute bobine est soumise son auto-induction. Cest invitable. On dfinit alors linductance propre (ou simplement inductance) du composant. d# N En combinant les diffrentes relations : e = " ; " = B # S et B = I , dt l on peut en dduire une relation donnant la tension uL aux bornes de la bobine en fonction du courant i qui la traverse (en convention rcepteur). ! di ! uL = L. ! dt

! o L, appele inductance de la bobine, englobe les termes constants, , N, l, S des quations prcdentes. L se mesure en henry (H) exemple : L=100 mH, uL en volts (V), i en ampre (A), t en secondes (s) Energie emmagasine dans une bobine Lorsquune bobine est mise sous tension, elle emmagasine une certaine quantit dnergie sous forme magntique. Cette nergie sexprime. 1 W = LI 2 2 I en ampre (A), L en henry (H), W en joules (J) !Plusieurs vidos illustrant ce cours sont consultables en ligne ladresse : http://www.physique-appliquee.net/videos/index.php


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