Électro-aimants et moteurs électriques : comment ça marche

Une aiguille qui a bougé

En 1820, Hans Christian Ørsted, à Copenhague, a vu une aiguille de boussole placée près d’un fil tourner quand on a mis le courant. Selon le récit habituel, c’était pendant une démonstration. Il a publié en juillet 1820 que l’électricité et le magnétisme sont liés. La scène dessine des anneaux de champ autour du fil, et l’aiguille tourne pour les suivre. Pour un long fil droit, B = μ₀I / (2πr), avec μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A. À 10 A et 5 cm, B = 2 × 10⁻⁷ × 10 / 0,05 = 4 × 10⁻⁵ T, soit 40 µT, de l’ordre du champ terrestre.

La bobine

Enroulez le fil en bobine, un solénoïde, et les anneaux s’additionnent en un champ fort le long de son axe. À l’intérieur, B = μ₀·n·I, où n est le nombre de spires par mètre et I le courant. Une bobine de 500 spires sur 0,10 m a n = 5 000 par mètre ; à 2 A, B = 4π × 10⁻⁷ × 5 000 × 2 ≈ 0,0126 T, soit 12,6 mT, avec seulement de l’air à l’intérieur. Glissez un noyau de fer doux et le champ est multiplié par des centaines, car les domaines du fer s’alignent. William Sturgeon a construit un des premiers électro-aimants pratiques dans les années 1820. Coupez le courant et le champ disparaît.

Force sur un fil

Placez un fil parcouru par un courant dans un champ magnétique et il est poussé sur le côté. La force est F = B·I·L, où B est le champ en teslas, I le courant en ampères et L la longueur de fil dans le champ en mètres. Avec B = 0,5 T, I = 4 A et L = 0,10 m, F = 0,5 × 4 × 0,10 = 0,2 N. En 1821, Michael Faraday a utilisé cette poussée pour faire tourner un fil autour d’un aimant, la première rotation électromagnétique continue, et l’idée du moteur électrique était née.

Le moteur de l’image

Le moteur en coupe a une boucle rectangulaire entre deux aimants. Le courant monte d’un côté et descend de l’autre, donc les deux côtés sont poussés en sens contraires et la boucle tourne. Après un demi-tour, la poussée s’inverserait et la bloquerait ; un anneau fendu appelé collecteur change alors le sens du courant. Les balais touchent l’anneau et la boucle continue de tourner. Un aimant plus fort, plus de boucles ou plus de courant donnent plus de force de rotation. Les moteurs pratiques à courant continu sont venus dans les années 1830. Le bac à sable vous laisse changer le courant et les spires.

Haut-parleurs et voitures

Un haut-parleur est un moteur qui ne tourne pas : une bobine collée à un cône baigne dans le champ d’un aimant. Le signal de la musique fait varier le courant, la force F = B·I·L pousse le cône d’avant en arrière et le cône déplace l’air. Avec 5 m de fil dans un champ de 1 T parcouru par 1 A, la force est de 1 × 1 × 5 = 5 N. Une voiture électrique utilise un moteur de la même famille. À 25 m/s (90 km/h), un moteur qui délivre 50 kW pousse la voiture avec F = P / v = 50 000 / 25 = 2 000 N.

Des trains qui flottent

Les trains maglev décollent de la voie. Dans une conception, des électro-aimants sous le train tirent vers le haut vers le rail ; dans une autre, des aimants supraconducteurs et des bobines du guidage soulèvent et poussent. Sans roues qui frottent, la principale traînée est celle de l’air. Le Maglev de Shanghai transporte des passagers depuis 2004 jusqu’à 431 km/h, soit 431 / 3,6 ≈ 120 m/s. Un train d’essai japonais a atteint 603 km/h en 2015. Dans la scène, les bobines le long de la voie s’allument tour à tour, comme un moteur déroulé en ligne droite.

Électro-aimants et moteurs