Aimants & magnétisme - page 3/8
Le Magnétisme dynamique
Le Magnétisme lié à un courant
Bases de l'électromagnétisme
Fil rectiligne :
Tout déplacement de charges, que ce soit un faisceau d'électrons dans le vide ou un courant électrique dans un fil crée un champ magnétique.
L'expérience d'Œrsted démontre que la circulation d'un courant dans un fil fait dévier l'aiguille d'une boussole placée à proximité (qui est elle-même un aimant).
La direction du champ magnétique (B) est celle d'une aiguille au point considéré et son sens est du pôle Sud vers le pôle Nord de l'aiguille aimantée.
Son intensité dépend du courant qui crée le champ, mesurable avec un Teslamètre à sonde de Hall, et s'exprime en Teslas (T).
Un fil rectiligne, dans le vide (ou dans l'air) crée un champ B
en Teslas égal à : 
Ou µ0 est la perméabilité
du vide, I l'intensité du courant en Ampères et r, le rayon en mètres
de la ligne de champ.
Bobinages :
Si l'on réalise une boucle avec un conducteur, on crée une spire. Si l'on fait passer un courant dans cette spire elle engendrera un champ magnétique dont la polarisation dépend du sens de ce courant.
Deux méthodes mnémotechniques simples permettent de déterminer la polarité du champ magnétique :
La
règle de la main droite (faites du stop !) :
Pour un conducteur, le pouce dans le sens du courant, les doigts s'enroulent dans le sens du champ. Pour une bobine, les doigts s'enroulent dans le sens du courant et le pouce pointe vers le Nord.
La
règle du tire-bouchon de Maxwell :
Pour un conducteur, on s'enfonce vers le Nord dans le sens du courant, le sens de rotation donne le sens du champ. Pour une bobine, on s'enfonce vers le Nord, le sens de rotation donne le sens du courant.
Pour intensifier la force magnétique d'un conducteur il suffit
de multiplier les conducteurs disposés côte à côte en
les faisant
suivre la même direction. Cette disposition se réalise pratiquement
sous forme de bobinage du fil conducteur. Dans ce cas les champs magnétiques
se renforcent mutuellement.
Si la longueur de cette bobine est supérieure à 
son rayon, le bobinage
prend le nom de solénoïde. La polarité de cet électro-aimant dépend
du sens du courant qui le traverse.
Un bobinage dans le vide (ou dans l'air) crée un champ B
en Teslas égal à : 
Ou µ0 est la perméabilité
du vide, I l'intensité du courant en Ampères, Nsp le nombre
total de spires et L, la longueur en mètres du solénoïde. Le
champ magnétique produit par une bobine est d'autant plus important
que le nombre de spires est grand.
La bobine devient alors un électro-aimant dont on peut encore renforcer la puissance du champ magnétique en la munissant d'un noyau de métal ferromagnétique. Ce noyau ayant dès lors une perméabilité magnétique supérieure à l'air, le champ magnétique s'y déploiera plus facilement.
Induction et self-induction
Induction : L'électromagnétisme est un phénomène réversible. Les variations d'un courant électrique entrainent des variations correspondantes du champ magnétique qu'elles créent de même que, les variations d'un champ magnétique induisent des courants variables dans les conducteurs.
Si l'on approche ou l'on éloigne un aimant d'un bobinage, on fera apparaître un courant dans celui-ci. La variation du champ magnétique proche induira un courant électrique dans les spires de la bobine.
De même, si deux bobinages sont alignés axialement, l'excitation de l'un par un courant électrique produira un champ magnétique induisant dans le second un courant inverse. Le courant induit semble s'opposer aux variations du courant inducteur. L'intensité du courant induit est proportionnelle à la vitesse de variation et à l'intensité du courant inducteur.
Le courant inducteur augmente
Le courant induit diminue
Le
courant inducteur diminue
Le courant induit augmente
La self-induction : Si un courant circulant dans un bobinage peut induire un courant dans un autre bobinage se trouvant à proximité, il en induit aussi dans ses propres spires. Ce phénomène est soumis aux mêmes lois que le couple de bobinages inducteur-induit. En conséquence, si l'intensité du courant circulant dans une bobine augmente, un courant de self-induction en sens opposé prend naissance ralentissant ainsi l'augmentation du courant inducteur, et inversement. Le bobinage semble s'opposer aux variations d'intensité. Ce phénomène de résistance de self-induction ou inductance (L en Henrys) est d'autant plus élevée que la fréquence (f en Hertz) de variation est importante.
La résistance totale qu'oppose
une bobine au passage d'un courant alternatif s'appelle l'impédance
(Z en ohms) et se calcule par la formule : 
ou R est la résistance (en ohms) ohmique
pure du fil conducteur.
Les bobines d'Helmholtz
Il y deux méthodes pour obtenir un champ magnétique uniforme :
1) Le solénoïde dont la longueur est plus grande que le rayon
2) Les bobines de Helmholtz
On fabrique des bobines de Helmholtz en associant deux bobines plates
identiques, séparées par une distance égale à leur rayon R et parcourues
par des courants de même intensité et de même sens. Le champ magnétique
B entre les bobines est alors quasiment uniforme et prend la
valeur de : 
ou B
la valeur du champ en Teslas, µ0 la perméabilité
du vide, Nsp le nombre de spires, R le rayon de la bobine
en mètres et I, l'intensité du courant en ampères.
Les bobines de Helmholtz sont utilisées par exemple, pour s'affranchir du champ magnétique terrestre afin qu'il ne perturbe pas une expérience. Dans ce cas, on utilise R= 10cm, Nsp= 10, I= 1A. Contrairement au solénoïde, les bobines d'Helmholtz permettent d'insérer aisément un objet d'expérience au point milieu ou le champ est uniforme.
Les courants de Foucault sont des courants électriques qui naissent de la variation d'un champ magnétique au sein d'une masse conductrice. La masse conductrice est alors échauffée par effet Joule. Les courants de Foucault, conformément à la self-induction, créent un champ magnétique qui s'oppose à la variation du champ extérieur.
Dans le cas des transformateurs, les courants de Foucault sont responsables de l'échauffement et provoquent une perte de rendement. On limite les effets, d'une manière importante, de l'apparition des courants de Foucault en clivant les noyaux ou circuits magnétiques, en feuilles isolées l'une de l'autre. Ainsi, les courants ne se referment pas dans la masse conductrice.
On utilise la propriété des courants de Foucault dans les plaques de cuisson à induction, dans les systèmes de freinage et les compteurs de vitesse des véhicules.
Bibliographie :
(*) Le cours de physique de Feynman - Les cours de référence - Éditions Dunod
Il n'y a pas de problèmes, il n'y a que des solutions. L'esprit de l'homme invente ensuite le problème.
(André Gide)
