Un électro-aimant est un type d'aimant dans lequel le champ magnétique est produit par la circulation d'un courant électrique. Si le flux de courant électrique disparaît, le champ magnétique et les effets qui en découlent disparaissent également.
Ces appareils électriques sont utilisés pour générer des forces magnétiques contrôlables dans des applications industrielles telles que les grues électromagnétiques et les systèmes de tri. De plus, ils jouent un rôle crucial dans la technologie médicale, permettant la création d’images détaillées dans les thérapies d’imagerie par résonance magnétique (IRM) et de stimulation magnétique.
Dans la vie quotidienne, différents types d'électro-aimants sont utilisés dans des exemples très divers. Sa capacité à modifier et à contrôler les champs magnétiques a stimulé l’innovation dans un large éventail de domaines, des transports à la médecine et à la recherche avancée.
Types d'électro-aimants
Il existe différents types d'électro-aimants selon le sens du courant et la puissance souhaitée. Parmi eux, se distinguent ceux à courant circulaire, à courant continu, rectangulaires et à entraînement.
Électro-aimants à courant circulaire
Ces électro-aimants comportent un fil enroulé en forme de spirale ou de cercle. Le courant électrique circule le long de cette spirale circulaire, générant un champ magnétique dans une direction perpendiculaire au plan du cercle.
Ils sont utilisés dans les applications où un champ magnétique est nécessaire dans une zone spécifique et dans une direction particulière.
Les petits moteurs électriques, comme ceux d’un ventilateur, sont deux exemples qui peuvent utiliser des électro-aimants à courant circulaire pour générer du mouvement.
Électro-aimants CC
Ces électro-aimants fonctionnent avec un courant électrique constant et unidirectionnel. Le courant circule dans une seule direction à travers le fil enroulé, créant un champ magnétique constant.
Ils sont courants dans les applications où une force magnétique constante est requise, comme dans les relais électromagnétiques.
Ce type d'électro-aimants est utilisé dans les sonnettes électriques. Dans cet exemple, le courant circule dans une seule direction pour entraîner un mécanisme de carillon.
Électro-aimants rectangulaires
Les électroaimants rectangulaires ont une conception en forme de rectangle. Le courant électrique circule dans le fil enroulé autour du périmètre du rectangle.
Ces électro-aimants sont utilisés dans des situations où le but est de générer un champ magnétique dans une direction spécifique ou lorsque la forme rectangulaire est plus adaptée à l'application.
Les électro-aimants rectangulaires sont utilisés dans des appareils tels que les haut-parleurs, où la conception rectangulaire permet de contrôler la forme du champ magnétique nécessaire pour déplacer le cône et produire du son.
Électro-aimants d’entraînement
Les électroaimants d'entraînement sont utilisés pour exercer une force ou un mouvement contrôlé en réponse aux changements de courant électrique. Ils sont courants dans les dispositifs d'actionnement, tels que les solénoïdes, qui ouvrent et ferment les vannes, activent les interrupteurs ou produisent des mouvements précis dans les systèmes automatisés.
Un exemple courant d’électro-aimants d’actionnement est celui des mécanismes d’ouverture automatique des portes, qui utilisent des solénoïdes pour contrôler l’accès.
Exemples d'électro-aimants
Ces éléments peuvent être utilisés directement ou indirectement. Dans les deux cas, nous pouvons trouver les exemples suivants :
- Pour dévier les particules chargées électriquement, comme dans les tubes cathodiques ou les accélérateurs de particules.
- Pour soulever de grandes masses de fer. Certaines grues utilisent de puissants électro-aimants industriels pour accrocher et soulever la ferraille.
- Moteurs électriques. Les moteurs électriques fonctionnent grâce à cette technologie.
- Générateurs électriques. Il fonctionne de la même manière que les moteurs électriques mais en sens inverse.
- Fermeture des contacts électriques dans les relais ou commande des vannes dans les électrovannes.
- Activer les serrures électriques
- Déplacer la tête d'un disque dur
- Freins et embrayages électromagnétiques pour automobiles.
- Séparer magnétiquement les métaux dans les centres de recyclage.
- Les trains à sustentation magnétique utilisent cette technologie pour flotter et réduire considérablement les pertes dues au frottement avec la voie.
Exemple d'utilisation dans des portes automatiques
Un autre exemple d'utilisation est dans le domaine des serrures, où il est utilisé pour maintenir une porte fermée, garantissant ainsi son ouverture en cas de panne de courant.
Vers 1980, le champ magnétique dérivé d’un électro-aimant a commencé à être utilisé dans la construction et plus précisément dans le domaine des fenêtres de sécurité.
Une entreprise suisse a commencé à produire un électro-aimant, de très petite taille et poids, qui, alimenté à basse tension (12 Vdc - 24 Vdc), développait un champ magnétique capable de résister à une force de plusieurs milliers de newtons.
Cette application a immédiatement connu un grand succès dans le domaine des issues de secours car elle garantissait la sécurité contre le vol sans avoir recours à des pièces mécaniques mais, en même temps, elle garantissait l'ouverture de la porte, sans intervention humaine, en cas d'accident. panne de courant.
L'évolution de ce système a conduit le secteur de la construction à utiliser massivement l'électro-aimant comme élément électrique de fermeture. Aujourd'hui, il est utilisé de différentes manières en fonction des dimensions, des utilisations, des profils et du type de porte.
Électro-aimants dans les moteurs électriques
Dans les moteurs électriques, ce sont les principaux composants responsables de la génération du mouvement à partir de l’énergie électrique. Dans les moteurs électriques, les électroaimants sont utilisés pour créer des champs magnétiques qui interagissent avec les courants électriques et génèrent des forces qui entraînent le mouvement.
Les moteurs électriques peuvent être classés en plusieurs types, les moteurs à courant continu (CC) et les moteurs à courant alternatif (AC) étant les plus courants. Dans les deux cas, les électro-aimants jouent un rôle crucial :
Moteurs à courant continu (CC)
Dans ces moteurs, le flux du courant électrique est constamment inversé pour maintenir une rotation continue du rotor (partie mobile du moteur). Des électro-aimants, appelés bobines, sont disposés dans le stator (partie fixe du moteur) et génèrent des champs magnétiques qui interagissent avec les bobines du rotor.
La commutation du courant électrique dans les bobines du stator crée un champ magnétique tournant qui fait tourner le rotor.
Moteurs à courant alternatif (AC)
Les moteurs à courant alternatif peuvent être à induction ou synchrones. Dans les moteurs à induction, le champ magnétique est créé dans le stator grâce à des électroaimants alimentés en courant alternatif. Ce champ magnétique induit des courants dans le rotor, ce qui génère du mouvement.
Dans les moteurs synchrones, le rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique tournant du stator, ce qui nécessite un timing précis.
Un peu de physique : Comment fonctionne un électro-aimant ?
Un électro-aimant fonctionne grâce à la propriété que possèdent tous les conducteurs électriques : lorsqu'un courant traverse un conducteur, un champ magnétique est toujours généré.
Le type d’électro-aimant le plus simple est un morceau de fil métallique enroulé en bobine. Une bobine de forme cylindrique avec le fil enroulé en hélice (semblable à un tire-bouchon en forme de tire-bouchon) est souvent appelée solénoïde ; un solénoïde fermé serait un tore. Les extrémités du câble sont connectées à une source d'alimentation.
Des champs magnétiques plus puissants peuvent être produits si un noyau d'un matériau paramagnétique ou ferromagnétique est placé à l'intérieur de la bobine, généralement un noyau de fer doux est utilisé. Le noyau concentre le champ magnétique afin qu'il soit plus intense que s'il n'y avait que l'enroulement de la bobine.
Le type de courant avec lequel fonctionne un électro-aimant peut être continu ou alternatif.
Les champs magnétiques créés par les bobines suivent une forme de règle de droite. Si les doigts de la main gauche sont courbés dans le sens du flux du courant électronique à travers la bobine, le pouce pointe dans le sens de la force magnétique.
Le côté de l’aimant d’où proviennent les lignes de champ est considéré comme le pôle Nord.
Différences entre un aimant et un électro-aimant
Les différences les plus importantes entre un aimant permanent et un électro-aimant sont les suivantes :
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Le champ magnétique d'un électro-aimant peut être manipulé rapidement en contrôlant la quantité de courant électrique. Au contraire, il faut qu'il y ait un apport continu d'énergie électrique pour entretenir le champ.
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La force magnétique de l'électro-aimant dépend de l'alimentation électrique. Si le courant cesse de circuler, l'électro-aimant perd ses propriétés.
Inventeur de l'électro-aimant
L'inventeur de l'électroaimant fut le physicien anglais William Sturgeon , en 1825.
Le premier électro-aimant était un morceau de fer en forme de fer à cheval entouré d’un enroulement. Dans ce fer à cheval, lorsque le courant traversait la bobine de l'électro-aimant, il était magnétisé et lorsqu'il s'arrêtait, il était démagnétisé.
Sturgeon a démontré les propriétés magnétiques de l'électro-aimant en soulevant environ 4 kg avec un morceau de fer pesant moins de 200 grammes avec un enroulement à travers lequel passait le courant d'une batterie unicellulaire.
De plus, Sturgeon pouvait réguler son électro-aimant en faisant varier l'intensité du courant électrique.