Qu’est-ce qu’un Électromagnétique ?

L’électromagnétique est un type d’aimant temporaire dans lequel son champ magnétique est produit par un courant électrique et pour concentrer le champ magnétique, le fil d’un électromagnétique est enroulé en une bobine.

Principes de Base de l’Électromagnétisme

Nous savons maintenant, d’après les tutoriels précédents, qu’un conducteur rectiligne portant un courant produit un champ magnétique circulaire autour de lui à tous les points le long de sa longueur et que le sens de rotation de ce champ magnétique dépend de la direction du flux de courant à travers le conducteur, la Règle de la Main Gauche.

Dans le dernier tutoriel sur l’électromagnétisme, nous avons vu que si nous plions le conducteur en une seule boucle, le courant circulera dans des directions opposées à travers la boucle, produisant un champ dans le sens des aiguilles d’une montre et un champ dans le sens inverse à côté l’un de l’autre. L’électromagnétique utilise ce principe en ayant plusieurs boucles individuelles reliées magnétiquement pour produire une seule bobine.

Fonctionnement des Électromagnétiques

Les électromagnétiques sont essentiellement des bobines de fil qui se comportent comme des barres magnétiques avec un pôle nord distinct et un pôle sud lorsque un courant électrique passe à travers la bobine. Le champ magnétique statique produit par chaque boucle de bobine individuelle est additionné avec son voisin, le champ magnétique combiné étant concentré comme la boucle de fil unique que nous avons examinée dans le dernier tutoriel au centre de la bobine. Le champ magnétique statique résultant avec un pôle nord à une extrémité et un pôle sud à l’autre est uniforme et beaucoup plus fort au centre de la bobine qu’autour de l’extérieur.

Le champ magnétique produit est étendu sous la forme d’une barre magnétique, donnant un pôle nord et un pôle sud distincts, avec le flux étant proportionnel à la quantité de courant circulant dans la bobine. Si des couches supplémentaires de fil sont enroulées sur la même bobine avec le même courant circulant, la force du champ magnétique sera augmentée.

Il peut donc être constaté que la quantité de flux disponible dans un circuit magnétique donné est directement proportionnelle au courant circulant à travers lui et au nombre de tours de fil dans la bobine. Cette relation est appelée Force Motrice Magnétique ou f.m.m. et est définie comme :

Force Motrice Magnétique est exprimée comme un courant, I circulant à travers une bobine de N tours. La force du champ magnétique d’un électromagnétique est donc déterminée par les ampères tours de la bobine, plus il y a de tours de fil dans la bobine, plus la force du champ magnétique sera grande.

La Force Magnétique de l’Électromagnétique

Nous savons maintenant que lorsque deux conducteurs adjacents portent un courant, des champs magnétiques sont établis selon la direction du flux de courant. L’interaction résultante des deux champs est telle qu’une force mécanique est ressentie par les deux conducteurs.

Lorsque le courant circule dans la même direction (le même côté de la bobine), le champ entre les deux conducteurs est faible, causant une force d’attraction comme montré ci-dessus. De même, lorsque le courant circule dans des directions opposées, le champ entre eux devient intensifié et les conducteurs sont repoussés.

L’intensité de ce champ autour du conducteur est proportionnelle à la distance par rapport à lui, le point le plus fort étant à côté du conducteur et devenant progressivement plus faible plus loin du conducteur. Dans le cas d’un conducteur rectiligne unique, le courant circulant et la distance par rapport à lui sont des facteurs qui gouvernent l’intensité du champ.

La formule donc pour calculer la “Force du Champ Magnétique”, H, parfois appelée “Force de Magnétisation” d’un long conducteur portant du courant est dérivée du courant circulant à travers lui et de la distance par rapport à lui.

Pour résumer, la force ou l’intensité du champ magnétique d’une bobine dépend des facteurs suivants :

• Le nombre de tours de fil dans la bobine.
• La quantité de courant circulant dans la bobine.
• Le type de matériau du noyau.

La force du champ magnétique de l’électromagnétique dépend également du type de matériau du noyau, car le but principal du noyau est de concentrer le flux magnétique dans un chemin bien défini et prévisible. Jusqu’à présent, seules des bobines à noyau d’air (creuses) ont été considérées, mais l’introduction d’autres matériaux dans le noyau (le centre de la bobine) a un effet contrôlant très important sur la force du champ magnétique.

Si le matériau est non-magnétique, par exemple le bois, pour les besoins du calcul, il peut être considéré comme un espace libre car il a des valeurs de perméabilité très faibles. Si toutefois, le matériau du noyau est constitué d’un matériau ferromagnétique tel que le fer, le nickel, le cobalt ou tout mélange de leurs alliages, une différence considérable dans la densité du flux autour de la bobine sera observée.

Les matériaux ferromagnétiques sont ceux qui peuvent être magnétiés et sont généralement constitués de fer doux, d’acier ou de divers alliages de nickel. L’introduction de ce type de matériau dans un circuit magnétique a pour effet de concentrer le flux magnétique, le rendant plus concentré et dense, et amplifie le champ magnétique créé par le courant dans la bobine.

Nous pouvons le prouver en enroulant une bobine de fil autour d’un grand clou en fer doux et en le connectant à une batterie comme montré. Cette simple expérience de classe nous permet de ramasser une grande quantité de clips ou d’épingles, et nous pouvons rendre l’électromagnétique plus fort en ajoutant plus de tours à la bobine. Ce degré d’intensité du champ magnétique, que ce soit par un noyau d’air creux ou par l’introduction de matériaux ferromagnétiques dans le noyau, est appelé Perméabilité Magnétique.

Perméabilité des Électromagnétiques

Si des noyaux en matériaux différents avec les mêmes dimensions physiques sont utilisés dans l’électromagnétique, la force de l’aimant variera en fonction du matériau du noyau utilisé. Cette variation de la force magnétique est due au nombre de lignes de flux passant à travers le noyau central. Si le matériau magnétique a une perméabilité élevée, alors les lignes de flux peuvent être facilement créées et passer à travers le noyau central, et la perméabilité (μ) est une mesure de la facilité avec laquelle le noyau peut être magnétisé.

La constante numérique donnée pour la perméabilité d’un vide est donnée comme : μ_o = 4.π.10^-7 H/m, avec la perméabilité relative de l’espace libre (un vide) généralement donnée comme une valeur de un. C’est cette valeur qui est utilisée comme référence dans tous les calculs concernant la perméabilité, et tous les matériaux ont leurs propres valeurs spécifiques de perméabilité.

Le problème avec l’utilisation uniquement de la perméabilité de différents noyaux en fer, acier ou alliage est que les calculs impliqués peuvent devenir très grands, il est donc plus pratique de définir les matériaux par leur perméabilité relative.

Perméabilité Relative, symbole μ_r, est le produit de μ (perméabilité absolue) et μ_o la perméabilité de l’espace libre.

Les matériaux ayant une perméabilité légèrement inférieure à celle de l’espace libre (un vide) et ayant une susceptibilité négative faible aux champs magnétiques sont dits Diamagnétiques par nature, tels que : l’eau, le cuivre, l’argent et l’or. Ces matériaux avec une perméabilité légèrement supérieure à celle de l’espace libre sont attirés par un champ magnétique, sont dits Paramagnétiques par nature, tels que : les gaz, le magnésium et le tantalum.

Exemple d’Électromagnétique No1

La perméabilité absolue d’un noyau en fer doux est donnée comme 80 milli-henries/m (80.10^-3). Calculez la valeur de perméabilité relative équivalente.

Lorsque des matériaux ferromagnétiques sont utilisés dans le noyau, l’utilisation de la perméabilité relative pour définir la force du champ donne une meilleure idée de la force du champ magnétique pour les différents types de matériaux utilisés. Par exemple, un vide et l’air ont une perméabilité relative de un et pour un noyau en fer, elle est d’environ 500, nous pouvons donc dire que la force du champ d’un noyau en fer est 500 fois plus forte qu’une bobine d’air équivalente, et cette relation est beaucoup plus facile à comprendre qu’une valeur de 0.628×10^-3 H/m, (500.4.π.10^-7).

Bien que l’air puisse avoir une perméabilité de juste un, certains matériaux ferrites et permalloy peuvent avoir une perméabilité de 10 000 ou plus. Cependant, il existe des limites à la force du champ magnétique pouvant être obtenue à partir d’une seule bobine, car le noyau devient fortement saturé à mesure que le flux magnétique augmente, et cela est examiné dans le prochain tutoriel concernant les courbes B-H et Hystérésis.