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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

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LE MAGNÉTISME TERRESTRE

Jusqu’en 1820, le magnétisme était peu connu. Sa seule utili-sation 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 géo-graphique (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 don-née par l’orientation qu’une aiguille de boussole adopterait à cet endroit. Ainsi une boussole, en l’absence d’aimant à proxi-mité, va s’aligner en fonction du champ magnétique terrestre, permettant à l’utilisateur de connaître la position du pôle sud magnétique terrestre.

Barge rousse : recordbird du monde de la plus grande migration sans escale

Fig. 1

Fig. 2

Ils ne perdent pas le nord !

Depuis longtemps, on se demande comment certains animaux, en par-ticulier 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 mi-grer de l’Alaska à la Nouvelle-Zélande parcourant plus de 10’000 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 magné-tique terrestre qui permet aux animaux de se repérer... Mais cela reste une affaire à suivre !

S

N

pôle sudmagnétique

pôle nordmagnétique

N pôle Nordgéographique

Spôle Sud

géographique

N S

Paleixmart (CC-BY-SA)

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Fig. 3a Fig. 3b Fig. 4

LES AIMANTS PERMANENTS

Avant le 1er 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 (Fe304) 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 cou-rants sont constitués d’alliages intégrant du fer, du nickel ou du cobalt.

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 aiman-té, 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 (Nd2Fe14B) sont les plus puissants disponibles sur le marché. Ce sont ceux qui sont le moins facilement démagnétisables.

Fais en sorte que deux clous s’attirent

Matériel

• des petits clous (en acier ou en fer)

• un aimant

Magnétite

Rob Lavinsky, iRocks.com (CC-BY-SA)

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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 atten-tivement la position de la boussole par rapport au fil.

En effet, lorsqu’un courant élec-trique parcourt un fil, il génère un champ magnétique circulaire. Pour te souvenir du sens du champ ma-gnétique, tu peux utiliser ta main droite (Fig. 5).

G

G

G

G

A)

C)

B)

D)

courantélectrique

I

champmagnétique

B

Fig. 5

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Le champ créé autour d’un fil est faible malgré un courant important. Pour amplifier cet effet, on pour-rait 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.

Fig. 6Les champs produits par chaque spire s’additionnent au cœur du bobinage

Fig. 7Solénoïde (bobine longue) à 29 spires qui

fonctionne comme un électroaimant

B B BI NS I

l : longueur

Quiz

Indique dans quel sens le courant doit parcou-rir la bobine pour obte-nir 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)

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André-Marie Ampère (1775 - 1836) est un physicien français. C’est l’un des derniers savants autodidactes qui s’intéressent à beaucoup de do-maines différents des sciences. Il a contribué à « mathématiser » la phy-sique. 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.

Les aimants sont une partie intégrante d’un moteur élec-trique 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 Impul-se, le HB-SIA, intègrent une nouvelle technologie qui a été développée par ETEL, entreprise partenaire de Solar Im-pulse. 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).

Passer des calculs et des simulations au moteur construit. Comment fabri-quer 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 par-tant 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 qua-lification de ces moteurs. Ces plans sont transmis au département « Supply Chain » qui se charge de faire fabriquer les pièces.

MANUELA TABASSO, CONSTRUCTRICE CHEZ ETEL S.A. PORTRAIT

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.

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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

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.

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 sco-tcher 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 sus-pendu.

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. Me-sure 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.

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On calcule l’intensité B du champ magnétique à l’intérieur d’un solénoïde grâce à la relation sui-vante établie par Ampère :

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] µ0 la perméabilité magnétique du vide : µ0 = 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 1Calcule 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 2On 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 3Pour 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

B = µ0 ∙ I ∙ Nl

ET TOUT CELA EN CHIFFRES…

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POUR ALLER PLUS LOIN…

Exercice 4Pour 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 47 ∙ 10-6 T.

Exercice 5Un 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 6Quelle 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.