Électroaimant — wikipédia gas constant in kj

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Le Danois Hans Christian Ørsted découvrit en 1820 que des courants électriques créent des champs magnétiques. Le Britannique William Sturgeon inventa l’électroaimant en 1824 [1 ] , [2 ]. Son premier électroaimant était composé d’une pièce de fer en forme de fer à cheval entourée d’environ 18 tours de fil de cuivre non isolé (Le fil isolé n’existait pas encore). Le fer était vernis pour l’isoler de l’enroulement de cuivre. Lorsqu’un courant traversait la bobine, le fer devenait magnétique et attirait d’autres morceaux de fer. Quand le courant était coupé, cet effet disparaissait. Sturgeon montra que, bien qu’il ne pesait qu’environ 200 grammes (7 onces), son électroaimant était capable de soulever environ 4 kilogrammes (9 livres) quand le courant d’une seule pile était appliqué. Cependant, les électroaimants de Sturgeon étaient faibles car le fil non isolé ne pouvait être enroulé que sur une seule couche autour du cœur magnétique, ce qui limite le nombre de tours.

A partir de 1830, le physicien américain Joseph Henry améliora et popularisa l’électroaimant [3 ] , [4 ]. En utilisant du fil isolé par du fil de soie, et en s’inspirant de l’utilisation de multiples tours de fil par Johann Schweigger pour son galvanomètre [5 ], il réussit à enrouler plusieurs couches de fil sur les cœurs, créant des aimants puissants présentant des milliers de tours de fil, dont un pouvant supporter 936 kilogrammes (2063 livres). Les électroaimants ont eu pour la première fois une application majeure dans la technologie du télégraphe électrique au XIXe siècle.

Un matériau ferromagnétique est utilisé comme cœur de l’électroaimant. Si un courant traverse la bobine, le cœur ferromagnétique est aimanté par le champ magnétique produit par la bobine. Grâce à la superposition des ces deux champs magnétiques, la présence du cœur permet d’augmenter l’induction magnétique générée par la bobine. Il existe des électroaimants de formes diverses :

Un matériau ferromagnétique soumis à un champ magnétique subit une force orientée dans le sens du champ. Le calcul de cette force est en général assez difficile à cause de la complexité des lignes de champ. Il faut donc faire quelques approximations pour aboutir à une équation simple :

Pour construire un électroaimant puissant, il est donc préférable d’utiliser un circuit magnétique court avec une grande superficie. La force magnétique reste toutefois limitée par l’aimantation à saturation, correspondant à environ 2 Teslas pour les matériaux ferromagnétiques. Les électroaimants utilisés pour lever des charges fonctionnent en circuit fermé avec une petite ouverture permettant de passer la partie magnétique de l’objet par laquelle on pourra le maintenir, ce grâce au fort champ magnétique créé dans cet espace. Cette géométrie est utilisée pour soulever des conteneurs de plus de 25 tonnes. Contraintes d’utilisation [ modifier | modifier le code ] Dissipation thermique par effet Joule [ modifier | modifier le code ]

La puissance consommée par un électroaimant en DC est uniquement due à la résistance de la bobine, cette dernière étant dissipée sous forme de chaleur. Certains gros électroaimants nécessitent donc d’avoir un circuit de refroidissement autour des bobines afin d’éviter toute surchauffe. Comme le champ magnétique est proportionnel au nombre de spires de la bobine et au courant : B≈NI, on peut diminuer le courant I en augmentant le nombre de spires N afin de garder le produit NI constant.

Comme la puissance dissipée P=RI² augmente comme le carré du courant, la puissance dissipée peut être réduite en diminuant le courant I à travers la bobine. C’est pourquoi, on augmente généralement le nombre de spires N et on réduit le diamètre du fil afin de réduire aussi la résistance R de la bobine.

Cependant, il existe une limite à l’augmentation du nombre de spires. En effet, si on augmente le nombre de tours, on augmente la place que prend la bobine dans l’électroaimant. Lorsque qu’il n’y a plus de place, on doit effectuer un bobinage au dessus de l’autre ce qui implique de réduire le diamètre des spires. Or l’augmentation du diamètre augmente la résistance ce qui annule l’intérêt de réduire le courant I.

Un électroaimant possède une certaine inductance qui résiste au variation du courant à travers les spires. Chaque soudaine variation de courant entraîne d’importants pics de tension dans la bobine. C’est pourquoi, quand le courant à travers l’aimant augmente (à l’allumage), l’énergie du circuit doit être stockée dans le champ magnétique. Quand on éteint électroaimant, cette énergie retourne au circuit.

Si l’on utilise un simple interrupteur pour contrôler le courant dans la bobine, des dommages importants peuvent alors subvenir au niveau de l’interrupteur et du circuit. En effet, à l’arrêt de l’électroaimant, l’énergie du champ magnétique est renvoyée spontanément dans le circuit, causant un fort pic de tension et un arc électrique au niveau de l’interrupteur. C’est pourquoi, pour de petits électroaimants, des capacités sont utilisées au niveau des interrupteurs pour réduire les arcs en stockant temporairement le courant.

Les grands électroaimants sont quant à eux généralement alimentés par un courant variable contrôlé par des microcontrôleurs afin de prévenir ces pics de tension en accomplissant des petits changements de courants sous forme de rampe. Cela peut prendre plusieurs minutes pour compenser toute l’énergie retournée au circuit sur un grand électroaimant. Applications [ modifier | modifier le code ]

L’électroaimant fait souvent partie d’un ensemble électrique ( moteur électrique, générateur, radio, télévision, magnétophone, magnétoscope, disque dur, microscope électronique, machines diverses). Dans les moteurs et les générateurs, il est utilisé pour créer un champ électromagnétique que l’on peut contrôler (inducteur) ou un collecteur de courant électrique (induit).

• Quand il est utilisé seul, l’électroaimant peut être assimilé à un aimant commandé. En fonction du courant électrique envoyé, on peut activer ou non l’aimant. On peut ainsi faire de nombreux dispositifs qui couvrent des applications allant du confort quotidien aux systèmes de sécurité.