LES AIMANTS «Je t aime... moi non plus»

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1 LES AIMANTS «Je t aime... moi non plus» On utilise le courant produit par les cellules solaires de Solar Impulse pour alimenter les électroaimants des moteurs. L attraction ou la répulsion de ces derniers avec des aimants permanents va mettre en mouvement l axe des pales de l avion. Cette fiche te permettra de découvrir le magnétisme et de construire un électroaimant. A toi de jouer pour créer le modèle le plus performant! Projet : EPFL dgeo Solar Impulse Rédaction : Marie-Noëlle Kaempf Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro Centre d impression EPFL Suivi de projet : Yolande Berga 1/9

2 LE MAGNÉTISME TERRESTRE pôle sud magnétique N pôle Nord géographique Jusqu en 1820, le magnétisme était peu connu. Sa seule utilisation concrète était la boussole! En effet, la Terre se comporte comme un énorme aimant. Son pôle sud magnétique se trouve non loin de son pôle Nord géographique (Fig. 1). Or deux aimants qui présentent des pôles opposés (nord et sud) s attirent. S ils présentent des pôles de même nature, ils se repoussent. Pour étudier la force qu un aimant exerce sur un autre objet, les scientifiques ont imaginé la présence d un champ magnétique autour de l aimant. On représente ce champ par des lignes qui partent du pôle nord pour aller au pôle sud (Fig. 2). La direction des lignes est donnée par l orientation qu une aiguille de boussole adopterait à cet endroit. Ainsi une boussole, en l absence d aimant à proximité, va s aligner en fonction du champ magnétique terrestre, permettant à l utilisateur de connaître la position du pôle sud magnétique terrestre. S N pôle Sud géographique S Fig. 1 N pôle nord magnétique S Fig. 2 Ils ne perdent pas le nord! Paleixmart (CC-BY-SA) Barge rousse : recordbird du monde de la plus grande migration sans escale Depuis longtemps, on se demande comment certains animaux, en particulier les oiseaux, arrivent à migrer sur des distances énormes sans se perdre. Ils se dirigent jour et nuit même s il y a une mauvaise visibilité ou aucun point de repère comme sur l océan. La barge rousse peut migrer de l Alaska à la Nouvelle-Zélande parcourant plus de km en 8 jours! De même les chauves-souris, les requins et bien d autres animaux accomplissent de longs trajets. On a découvert en 1970 des bactéries capables de s orienter grâce à la magnétoréception. Les chercheurs ont observé des mouvements en masse de ces bactéries. Les expériences ont montré qu elles se guidaient grâce au champ magnétique. Même si l orientation des pigeons voyageurs a fait l objet de beaucoup d études, leur système d orientation est encore mal connu. Ils se dirigent grâce au Soleil. Mais par temps couvert, ils utilisent le champ magnétique. On a réussi à démontrer en laboratoire qu ils perçoivent des champs dont l intensité est comparable à celle du champ magnétique terrestre. C est sans doute une combinaison de la vue, de l odorat, de la polarisation de la lumière, de la position des étoiles et de l utilisation du champ magnétique terrestre qui permet aux animaux de se repérer... Mais cela reste une affaire à suivre! 2/9 LES AIMANTS

3 LES AIMANTS PERMANENTS Avant le 1 er siècle de notre ère, les Chinois utilisent l interaction entre une aiguille aimantée et le champ magnétique terrestre pour se diriger : la boussole est née. Les premiers aimants sont en magnétite. C est un oxyde de Fer (Fe ) qui doit son nom au mot grec Magnetikos : le nom de la contrée de Magnésie en Grèce où l on extrayait ce minerai. Les aimants les plus courants sont constitués d alliages intégrant du fer, du nickel ou du cobalt. Rob Lavinsky, irocks.com (CC-BY-SA) Magnétite Un examen microscopique d une substance ferromagnétique montre qu elle présente des domaines de moins de 1 mm qui se comportent chacun comme un aimant (Fig. 3a). Dans un morceau non aimanté, ces domaines ont leur champ orienté de manière aléatoire d un domaine à l autre ; ce qui a pour conséquence qu à l échelle macroscopique (de l objet) la somme vectorielle des champs de chaque domaine est nulle. Sous l effet d un champ magnétique extérieur puissant (Fig. 3b), les champs de chaque domaine tendront à s orienter dans la direction la plus semblable possible à celle du champ extérieur. Cette matière va donc, sous l effet du champ magnétique extérieur, en créer un autre qui va s y additionner. Un barreau ferromagnétique baignant dans un champ magnétique concentre et amplifie celui-ci. Selon sa nature, il va garder plus ou moins longtemps son aimantation. Les aimants utilisés dans les générateurs des éoliennes, ainsi que dans certains moteurs des véhicules hybrides ou ceux de Solar Impulse, sont constitués de lanthane ou de lanthanides (terres rares n 57 à 71 du tableau des éléments (Fig. 4)). Les aimants au Néodyme Fer Bore (Nd 2 Fe 14 B) sont les plus puissants disponibles sur le marché. Ce sont ceux qui sont le moins facilement démagnétisables. Fig. 3a Fig. 3b Fig. 4 Fais en sorte que deux clous s attirent Matériel des petits clous (en acier ou en fer) un aimant LES AIMANTS 3/9

4 LA RÉVOLUTION : L AIMANT «ARTIFICIEL» OU ÉLECTROAIMANT Hans Christian Ørsted, convaincu depuis quelques années que le magnétisme et l électricité sont liés, publie le 21 juillet 1820 le fruit de ses recherches. A toi de faire la même expérience. Bricotest : Vérifie le lien entre le courant électrique et le champ magnétique Réalise un circuit fermé avec une source de tension : ce peut être un générateur ou une batterie. Pour éviter la surchauffe du fil, ajoute un élément résistif qui est dissipatif et qui réduit par conséquent l échauffement du fil dû à l effet Joule, par exemple une ampoule. Approche une boussole de l un des fils. Que constates-tu? Fais plusieurs essais pour être capable de prédire comment l aiguille va être déviée. Conseil : oriente le fil selon le champ magnétique terrestre. Quiz Dessine la façon dont l aiguille de la boussole se positionne. L aiguille rouge indique le nord. Dans cet exercice, on suppose que le courant électrique dans le fil est suffisamment important pour que le champ magnétique terrestre soit négligeable par rapport au champ créé par le courant. Observe attentivement la position de la boussole par rapport au fil. A) C) G G B) D) G G champ magnétique B courant électrique I En effet, lorsqu un courant électrique parcourt un fil, il génère un champ magnétique circulaire. Pour te souvenir du sens du champ magnétique, tu peux utiliser ta main droite (Fig. 5). Fig. 5 4/9 LES AIMANTS

5 Le champ créé autour d un fil est faible malgré un courant important. Pour amplifier cet effet, on pourrait mettre plusieurs fils... Mais en 1824, William Sturgeon présente un meilleur dispositif : il enroule un fil isolé dans lequel le courant circule pour former une bobine. Si les champs entre chaque boucle (spire) s annulent, en revanche ils s additionnent au centre de la bobine (Fig. 6). Lorsqu il fait circuler un courant dans la bobine, celle-ci se comporte comme un aimant (Fig. 7). S il interrompt le courant, le champ magnétique est coupé. B B B I S I N l : longueur Fig. 6 Les champs produits par chaque spire s additionnent au cœur du bobinage Fig. 7 Solénoïde (bobine longue) à 29 spires qui fonctionne comme un électroaimant Quiz Indique dans quel sens le courant doit parcourir la bobine pour obtenir les pôles marqués sur le dessin. Indique par une flèche le sens des lignes du champ magnétique. S N N S Qui parviendra à soulever le plus de ferraille avec son électroaimant? Matériel nécessaire une pile ou une alimentation du fil de cuivre gainé ou avec un revêtement en céramique vis et clous cure-dent, crayon une lame (couteau ou cutter) LES AIMANTS 5/9

6 PORTRAIT MANUELA TABASSO, CONSTRUCTRICE CHEZ ETEL S.A. Passer des calculs et des simulations au moteur construit. Comment fabriquer de manière efficace les éléments qui ont été conçus pour atteindre les spécifications, tout en limitant les coûts. Tel est le rôle de Manuela Tabasso. Elle est constructrice chez ETEL S.A., le fabricant des moteurs de Solar Impulse. Son rôle est de réaliser les plans de définition des moteurs en partant du fichier de calcul. Elle s occupe également de la réalisation des plans d outillage (assemblage, banc de test) qui permettent le montage et la qualification de ces moteurs. Ces plans sont transmis au département «Supply Chain» qui se charge de faire fabriquer les pièces. Ce qui passionne Manuela? Un travail qui évolue en raison des progrès technologiques. Le cas de Solar Impulse représentait un beau défi en raison des contraintes de masse et de rendement optimum qui avaient été imposées à travers le calcul. La réalisation de ce challenge a été accomplie avec la collaboration de deux ingénieurs et deux techniciens. Manuela a fait ses études au Centre professionnel du Littoral neuchâtelois (CPNL). Elle travaille chez ETEL S.A. depuis 19 ans, en tant que constructrice dans le service R&D du département moteur. Les aimants sont une partie intégrante d un moteur électrique car, pour les faire tourner, un champ magnétique créé par des aimants est nécessaire. Toutefois, cela peut induire des pertes. Les moteurs du premier prototype Solar Impulse, le HB-SIA, intègrent une nouvelle technologie qui a été développée par ETEL, entreprise partenaire de Solar Impulse. ETEL a développé un moteur électrique qui diminue radicalement la perte d énergie et intègre les contraintes de poids. Pour y parvenir, les aimants ont été coupés en fine tranches juxtaposées. Dans les moteurs de HB-SIA il y a 20 aimants au total, 10 aimants nord et 10 aimants sud. Ces développements permettent d atteindre une efficacité de 98% (avant boîte à vitesse). André-Marie Ampère ( ) est un physicien français. C est l un des derniers savants autodidactes qui s intéressent à beaucoup de domaines différents des sciences. Il a contribué à «mathématiser» la physique. Auteur de travaux importants en électromagnétisme, il est l inventeur de nombreux dispositifs, comme le solénoïde et le télégraphe électrique. Pour lui rendre hommage, on a donné son nom à l unité internationale qui quantifie le courant électrique : l Ampère. 6/9 LES AIMANTS

7 VÉRIFIONS... André-Marie Ampère avait prévu, avant même que François Arago en fasse l expérience, que le champ magnétique d une bobine serait proportionnel à l intensité du courant qui la parcourt et à son nombre de spires. Matériel nécessaire une alimentation et des fils électriques un long fil de cuivre isolé ou gainé (2 ou 3 m) un ampèremètre un tube (rouleau de papier ménage, tube PVC pour canalisations de 4 cm de diamètre env.) un aimant permanent un dispositif pour suspendre l aimant à un fil divers petits objets en matière magnétique (fer, acier, etc.) une règle, du scotch de carrossier Fig. 8 Fais attention de ne pas dépasser les normes indiquées sur les appareils (notamment l alimentation) Réalise avec le fil un bobinage qui ne comporte que 10 spires autour du tube. Garde le reste de l ampleur de fil non enroulée. N hésite pas à scotcher le bobinage pour maintenir le fil sur le tube. A) Alimente le bobinage et vérifie qu il fonctionne comme un électroaimant. Suspends l aimant permanent à un fil. (Fig. 8) B) Prévois quel pôle de l aimant permanent va être attiré par l électroaimant. C) Inverse le sens du courant en permutant les fiches branchées sur l alimentation et vérifie ce qui se passe. Nous allons vérifier expérimentalement que le champ magnétique est proportionnel au nombre de spires d une bobine et à l intensité du courant qui circule dans le fil. Pour pouvoir quantifier ce champ, nous allons évaluer l attraction entre la bobine et l aimant suspendu. D) Intègre l ampèremètre au circuit électrique de la bobine pour connaître l intensité du courant qui circule dans la bobine. Approche de plus en plus la bobine de l aimant suspendu. Mesure la distance d entre la bobine et l aimant lorsque celui-ci commence à bouger. Réalise les mêmes mesures en augmentant l intensité du courant. Garde un nombre fixe de spires. E) Renouvelle l expérience pour un nombre de spires de plus en plus grand en embobinant le fil de plus en plus. Garde toujours la même intensité de courant. F) Vérifie que les prévisions d Ampère étaient correctes par rapport à tes séries de mesures. C est sur cette base qu Ampère a établi la formule que tu trouves au paragraphe suivant. LES AIMANTS 7/9

8 ET TOUT CELA EN CHIFFRES On calcule l intensité B du champ magnétique à l intérieur d un solénoïde grâce à la relation suivante établie par Ampère : B = µ 0 I N l B l intensité du champ magnétique en teslas [T] N le nombre de spires de la bobine l la longueur de la bobine (solénoïde) en mètres [m] (Fig. 7) I l intensité du courant en ampères [A] µ 0 la perméabilité magnétique du vide : µ 0 = 4π 10-7 [Tm/A] Il faut que la longueur de la bobine soit grande par rapport au diamètre des spires pour que cette formule soit valable Exercice 1 Calcule l intensité du champ magnétique à l intérieur d une bobine de 500 spires et de 10 cm de long sachant qu elle est parcourue par un courant de 5 A. Exercice 2 On prépare un bobinage de 120 spires de 5 cm de long. Il est utilisé avec un courant de 2 A. Coche ce qui convient. L intensité du champ est Vrai Faux 3 fois plus importante si je triple le nombre de spires 3 fois plus grande si j espace les spires pour que le bobinage mesure 15 cm 2 fois plus importante si j utilise un courant de 4 A plus importante si les spires sont de diamètre inférieur identique si le courant est 2 fois moins grand et s il y a 2 fois plus de spires identique s il y a 2 fois plus de spires mais que la bobine a la même longueur identique s il y a 2 fois plus de spires mais que la bobine est 2 fois plus longue Exercice 3 Pour chacun des emplois suivants, indique si un aimant naturel est plus indiqué qu un électroaimant. Explique pourquoi. Trier l aluminium des boîtes de conserve dans les bennes de tri de recyclage Afficher ton dessin sur le frigo Déplacer les carcasses des voitures à la casse Construire un moteur pour Solar Impulse 8/9 LES AIMANTS

9 POUR ALLER PLUS LOIN Exercice 4 Pour tester si des bactéries flagellées s orientent grâce au champ magnétique terrestre, on veut créer un champ qui le compense exactement. Le champ magnétique que doit produire la bobine de 6 cm de long et de 80 spires doit être opposé au champ terrestre et avoir la même intensité. Calcule l intensité du courant qui doit circuler dans le solénoïde. Indication : la valeur moyenne de l intensité du champ magnétique terrestre en Suisse vaut T. Exercice 5 Un courant de 80 ma circule dans le fil d une bobine de 10 cm. L aiguille de la boussole forme un angle de 45 avec l axe de la bobine dans laquelle elle est glissée. Par contre, lorsqu il n y a pas de courant, l aiguille s oriente perpendiculairement à cet axe. Quel est le nombre de spires de la bobine? Exercice 6 Quelle est l intensité du courant qui circule dans le fil d une bobine de 5 cm de 100 spires, si l aiguille de la boussole forme un angle de 65 avec l axe de la bobine? Lorsqu aucun courant ne circule, la boussole au cœur de la bobine s oriente perpendiculairement à l axe de cette dernière. LES AIMANTS 9/9