L'électromagnétisme est l'une des forces fondamentales de l'univers, responsable de tout, des champs électriques et magnétiques à la lumière. À l'origine, les scientifiques pensaient que le magnétisme et l'électricité étaient des forces distinctes. Mais à la fin du 19e siècle, ce point de vue a changé, car la recherche a démontré de manière concluante que les charges électriques positives et négatives étaient régies par une seule force (c'est-à-dire le magnétisme).
Depuis ce temps, les scientifiques ont cherché à tester et à mesurer les champs électromagnétiques, et à les recréer. À cette fin, ils ont créé des électroaimants, un appareil qui utilise le courant électrique pour induire un champ magnétique. Et depuis leur invention initiale en tant qu'instrument scientifique, les électroaimants sont devenus une caractéristique régulière des appareils électroniques et des processus industriels.
Les électroaimants se distinguent des aimants permanents en ce qu'ils ne montrent une attraction magnétique pour les autres objets métalliques que lorsqu'un courant les traverse. Cela présente de nombreux avantages, en ce sens que la puissance de son attraction magnétique peut être contrôlée et activée et désactivée à volonté. C'est pour cette raison qu'ils sont largement utilisés dans la recherche et l'industrie, là où des interactions magnétiques sont nécessaires.
Histoire des électroaimants:
La première découverte enregistrée de la relation entre l'électricité et le magnétisme s'est produite en 1820, lorsque le scientifique danois Hans Christian Orsted a remarqué que l'aiguille de sa boussole pointait loin du nord magnétique lorsqu'une batterie voisine était allumée. Cette déviation l'a convaincu que les champs magnétiques rayonnent de tous les côtés d'un fil transportant un courant électrique, tout comme la lumière et la chaleur.
Peu de temps après, il a publié ses résultats, montrant mathématiquement qu'un courant électrique produit un champ magnétique lorsqu'il traverse un fil. Quatre ans plus tard, le scientifique anglais William Sturgeon a développé le premier électro-aimant, qui consistait en un morceau de fer en forme de fer à cheval enveloppé de fil de cuivre. Lorsque le courant traversait le fil, il attirait d'autres morceaux de fer, et lorsque le courant était arrêté, il perdait sa magnétisation.
Bien que faible par rapport aux normes modernes, l'électro-aimant de Sturgeon démontre leur utilité potentielle. Bien qu'il ne pèse que 200 grammes (7 onces), il pouvait soulever des objets pesant environ 4 kg (9 livres) avec uniquement le courant d'une batterie monocellulaire. En conséquence, la recherche a commencé à s'intensifier à la fois dans les électroaimants et dans la nature de l'électrodynamique.
Dans les années 1930, le scientifique américain Joseph Henry a apporté une série d'améliorations à la conception de l'électro-aimant. En utilisant du fil isolé, il a pu placer des milliers de tours de fil sur un seul noyau. En conséquence, l'un de ses électro-aimants pouvait supporter jusqu'à 936 kg (2 063 lb) de poids. Cela devait avoir un effet de vulgarisation sur l'utilisation des électro-aimants.
Types d'électro-aimants:
Un courant électrique circulant dans un fil crée un champ magnétique autour du fil, en raison de la loi d'Ampère. Cette loi stipule que, pour tout chemin en boucle fermée, la somme des éléments de longueur multipliée par le champ magnétique dans la direction de l'élément de longueur est égale à la perméabilité multipliée par le courant électrique enfermé dans la boucle.
Pour concentrer le champ magnétique dans un électroaimant, le fil est enroulé plusieurs fois dans une bobine, garantissant que les fils de spires sont côte à côte le long du bord. Le champ magnétique généré par les tours de fil passe par le centre de la bobine, créant là un champ magnétique puissant. Le côté de l'aimant d'où émergent les lignes de champ est défini comme étant le pôle Nord.
Une bobine de fil qui prend la forme d'une hélice est appelée «solénoïde». Cependant, des champs magnétiques beaucoup plus puissants peuvent être produits si un matériau ferromagnétique (c'est-à-dire du fer) est placé à l'intérieur de la bobine. C'est ce qu'on appelle un «noyau ferromagnétique» (ou «électroaimant à noyau de fer»), qui peut générer un champ magnétique mille fois plus puissant qu'une bobine.
Vient ensuite ce qu'on appelle un «noyau toirodal», dans lequel le fil est enroulé autour d'un noyau ferromagnétique sous la forme d'une boucle fermée (aka. Circuit magnétique). Dans ce cas, les champs magnétiques prennent la forme d'une boucle fermée, présentant ainsi beaucoup moins de «résistance» au champ magnétique que l'air. En conséquence, un champ plus fort peut être obtenu si la majeure partie du chemin du champ magnétique se trouve dans le noyau.
Et puis il y a les électroaimants «supraconducteurs», qui sont composés de fil enroulé en matériaux supraconducteurs (comme le niobium-titane ou le diborure de magnésium). Ces fils sont également maintenus à des températures cryogéniques pour garantir une résistance électrique minimale. De tels électroaimants peuvent conduire des courants beaucoup plus importants que les fils ordinaires, créant les champs magnétiques les plus puissants de n'importe quel électroaimant, tout en étant moins chers à utiliser car il n'y a pas de perte d'énergie.
Utilisations modernes des électro-aimants:
Aujourd'hui, il existe d'innombrables applications pour les électro-aimants, allant des machines industrielles à grande échelle aux composants électroniques à petite échelle. En outre, les électroaimants sont largement utilisés pour mener des recherches et des expériences scientifiques, en particulier lorsque la supraconductivité et une accélération rapide sont nécessaires.
Dans le cas des solénoïdes électromagnétiques, ils sont utilisés partout où un champ magnétique uniforme (c'est-à-dire contrôlé) est nécessaire. Il en va de même pour l'électro-aimant à noyau de fer, où un fer ou un autre noyau ferromagnétique peut être inséré ou retiré pour intensifier l'intensité du champ de l'aimant. En conséquence, les aimants à solénoïde se trouvent couramment dans les marqueurs de paintball électroniques, les flippers, les imprimantes matricielles et les injecteurs de carburant, où le magnétisme est appliqué et contrôlé pour assurer le mouvement contrôlé de composants spécifiques.
Compte tenu de leur capacité à générer des champs magnétiques très puissants, une faible résistance et une efficacité élevée, les électroaimants supraconducteurs se retrouvent souvent dans les équipements scientifiques et médicaux. Il s'agit notamment des machines d'imagerie par résonance magnétique (IRM) dans les hôpitaux et des instruments scientifiques tels que les spectromètres de résonance magnétique nucléaire (RMN), les spectromètres de masse et également les accélérateurs de particules.
Les électro-aimants sont également largement utilisés en ce qui concerne l'équipement musical. Il s'agit notamment des haut-parleurs, des écouteurs, des cloches électriques et des équipements d'enregistrement magnétique et de stockage de données - tels que les magnétophones. L'industrie du multimédia et du divertissement s'appuie sur les électroaimants pour créer des appareils et des composants, tels que des magnétoscopes et des disques durs.
Les actionneurs électriques, qui sont des moteurs chargés de convertir l'énergie électrique en couple mécanique, reposent également sur des électro-aimants. L'induction électromagnétique est également le moyen par lequel les transformateurs de puissance fonctionnent, qui sont responsables de l'augmentation ou de la diminution des tensions de courant alternatif le long des lignes électriques.
Le chauffage par induction, utilisé pour la cuisson, la fabrication et les traitements médicaux, reposait également sur des électro-aimants, qui convertissent le courant électrique en énergie thermique. Les électroaimants sont également utilisés pour des applications industrielles, telles que les poussoirs magnétiques qui utilisent l'attraction magnétique pour soulever des objets lourds ou des séparateurs magnétiques qui sont chargés de trier les métaux ferromagnétiques de la ferraille.
Et enfin et surtout, il y a l'application des trains maglev. En plus d'utiliser la force électromagnétique pour permettre à un train de léviter au-dessus d'une voie, les électroaimants supraconducteurs sont également responsables de l'accélération des trains à grande vitesse.
En bref, les utilisations des électro-aimants sont pratiquement illimitées, alimentant tout, des appareils grand public aux équipements lourds en passant par les transports en commun. À l'avenir, ils pourraient également être responsables des voyages dans l'espace, où les systèmes de propulsion ionique utilisent des champs magnétiques pour accélérer les particules chargées (c'est-à-dire les ions) et atteindre la poussée.
Nous avons écrit de nombreux articles intéressants sur les électro-aimants ici à Space Magazine. Voici qui a découvert l'électricité?, De quoi sont faits les aimants?, Comment fonctionnent les aimants?, Champ magnétique terrestre et Propulsion ionique.
Pour plus d'informations, assurez-vous de consulter les ressources pédagogiques de la NASA sur l'expérimentation des électro-aimants et le rôle de la Terre en tant qu'électro-aimant et création d'aurores, et la page de la NASA Wavelength sur les électro-aimants.
How Stuff Works a également une excellente page, intitulée "Introduction to How Electromagnets Work", et le National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) a de merveilleux articles sur les électro-aimants, comment les fabriquer et comment ils fonctionnent.
Vous pouvez également consulter Astronomy Cast. L'épisode 103 concerne les forces électromagnétiques.
