Besoin de trier de la ferraille ? Les électro-aimants à la rescousse ! Ici, un électro-aimant est utilisé pour capter une partie des environ 3, 500 armes confisquées à fondre. David McNew/Getty Images Qu'est-ce qu'un chantier de démolition, un concert de rock et votre porte d'entrée ont-ils en commun ? Ils utilisent chacun électro-aimants , dispositifs qui créent un champ magnétique par application d'électricité. Les chantiers de démolition utilisent des électro-aimants extrêmement puissants pour déplacer de lourds morceaux de ferraille ou même des voitures entières d'un endroit à un autre. Votre groupe préféré utilise des électro-aimants pour amplifier le son sortant de ses haut-parleurs. Et quand quelqu'un sonne à votre porte, un petit électro-aimant tire un battant métallique contre une cloche.
Mécaniquement, un électro-aimant est assez simple. Il se compose d'une longueur de fil conducteur, généralement du cuivre, enroulé autour d'un morceau de métal. Comme le monstre de Frankenstein, cela semble être un peu plus qu'une collection lâche de pièces jusqu'à ce que l'électricité entre en scène. Mais vous n'avez pas besoin d'attendre qu'un orage donne vie à un électro-aimant. Un courant est introduit, soit à partir d'une batterie ou d'une autre source d'électricité, et coule à travers le fil. Cela crée un champ magnétique autour du fil enroulé, magnétiser le métal comme s'il s'agissait d'un aimant permanent. Les électro-aimants sont utiles car vous pouvez allumer et éteindre l'aimant en complétant ou en interrompant le circuit, respectivement.
Avant d'aller trop loin, nous devrions discuter de la différence entre les électro-aimants et vos aimants "permanents" ordinaires, comme ceux qui tiennent votre art Popsicle au réfrigérateur. Comme tu le sais, les aimants ont deux pôles, "Nord et Sud, " et attirer les choses en acier, fer ou une combinaison de ceux-ci. Comme les pôles se repoussent et les contraires s'attirent (ah, l'intersection de la romance et de la physique). Par exemple, si vous avez deux barres magnétiques avec leurs extrémités marquées "nord" et "sud, " l'extrémité nord d'un aimant attirera l'extrémité sud de l'autre. D'autre part, l'extrémité nord d'un aimant repoussera l'extrémité nord de l'autre (et de même, le sud repoussera le sud). Un électro-aimant est de la même manière, sauf qu'il est "temporaire" - le champ magnétique n'existe que lorsque le courant électrique circule.
La sonnette est un bon exemple de la façon dont les électroaimants peuvent être utilisés dans des applications où les aimants permanents n'auraient tout simplement aucun sens. Lorsqu'un invité appuie sur le bouton de votre porte d'entrée, le circuit électronique à l'intérieur de la sonnette ferme une boucle électrique, ce qui signifie que le circuit est terminé et "allumé". Le circuit fermé permet à l'électricité de circuler, créant un champ magnétique et provoquant la magnétisation du clapet. Le matériel de la plupart des sonnettes traditionnelles se compose d'une cloche en métal et d'un battant en métal qui, lorsque l'attraction magnétique les fait s'entrechoquer, vous entendez le carillon à l'intérieur. La cloche sonne, l'invité relâche le bouton, le circuit s'ouvre et la sonnette arrête sa sonnerie infernale. Ce magnétisme à la demande est ce qui rend l'électroaimant si utile.
Dans cet article, nous examinerons de plus près les électro-aimants et découvrirons comment ces appareils utilisent une science assez intéressante et l'appliquent aux gadgets tout autour de nous qui nous facilitent la vie.
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Le grand électro-aimant en fer à cheval utilisé par le physicien et chimiste anglais Michael Faraday, vers 1830. Stringer/Hulton Archive/Getty Images La relation entre l'électricité et le magnétisme n'a été étudiée en profondeur qu'en 1873, lorsque le physicien James Maxwell observé l'interaction entre les charges électriques positives et négatives [source :Mahon]. Grâce à une expérimentation continue, Maxwell a déterminé que ces charges s'attirent ou se repoussent en fonction de leur orientation. Il fut aussi le premier à découvrir que les aimants ont des pôles, ou des points individuels où la charge est focalisée. Et, important pour l'électromagnétisme, Maxwell a observé que lorsqu'un courant passe à travers un fil, il génère un champ magnétique autour du fil.
Le travail de Maxwell était responsable de nombreux principes scientifiques à l'œuvre, mais il n'était pas le premier scientifique à expérimenter l'électricité et le magnétisme. Près de 50 ans plus tôt, Hans Christian Oersted a découvert qu'une boussole qu'il utilisait réagissait lorsqu'une batterie de son laboratoire était allumée et éteinte [source :Gregory]. Cela ne se produirait que s'il y avait un champ magnétique présent pour interférer avec l'aiguille de la boussole, il a donc déduit qu'un champ magnétique était généré à partir de l'électricité provenant de la batterie. Mais Oersted s'est tourné vers le domaine de la chimie et a laissé la recherche de l'électricité et du magnétisme à d'autres [source :Mahon].
Le grand-père de l'électromagnétisme est Michael Faraday , un chimiste et physicien qui a conçu de nombreuses théories sur lesquelles Maxwell a construit plus tard. L'une des raisons pour lesquelles Faraday est tellement plus important dans l'histoire que Maxwell ou Oersted est probablement due au fait qu'il est un chercheur et un inventeur si prolifique. Il est largement présenté comme un pionnier de l'électromagnétisme, mais il est également crédité d'avoir découvert l'induction électromagnétique, dont nous discuterons plus tard lorsque nous explorerons certaines applications du monde réel. Faraday a également inventé le moteur électrique, et en plus de ses travaux influents en physique, il a également été la toute première personne à être nommée au poste prestigieux de professeur fullerien de chimie à l'Institution royale de Grande-Bretagne. Pas trop mal.
Alors, qu'est-ce que le travail de ces hommes a révélé ? Dans la section suivante, nous verrons comment fonctionnent les électro-aimants.
Ce schéma montre un électro-aimant simple. CommentStuffWorks Comme nous l'avons mentionné dans l'introduction, les électro-aimants de base ne sont pas si compliqués; vous pouvez en construire un simple vous-même en utilisant des matériaux que vous avez probablement dans la maison. Un fil conducteur, cuivre généralement isolé, est enroulé autour d'une tige métallique. Le fil deviendra chaud au toucher, pourquoi l'isolation est importante. La tige sur laquelle le fil est enroulé s'appelle un solénoïde , et le champ magnétique résultant rayonne loin de ce point. La force de l'aimant est directement liée au nombre de fois où le fil s'enroule autour de la tige. Pour un champ magnétique plus fort, le fil doit être plus serré.
D'ACCORD, il y a un peu plus que ça. Plus le fil est enroulé autour de la tige, ou noyau, plus le courant fait de boucles autour, augmenter la force du champ magnétique. En plus de la tension du fil enroulé, le matériau utilisé pour le noyau peut également contrôler la force de l'aimant. Par exemple, le fer est un ferromagnétique métal, ce qui signifie qu'il est très perméable [source :Boston University]. Perméabilité est une autre façon de décrire dans quelle mesure le matériau peut supporter un champ magnétique. Plus un certain matériau est conducteur d'un champ magnétique, plus sa perméabilité est élevée.
Tout compte, comprenant la tige de fer d'un électro-aimant, est composé d'atomes. Avant que le solénoïde ne soit électrifié, les atomes du noyau métallique sont disposés de manière aléatoire, ne pointant dans aucune direction particulière. Lorsque le courant est introduit, le champ magnétique pénètre dans la tige et réaligne les atomes. Avec ces atomes en mouvement, et tout dans le même sens, le champ magnétique augmente. L'alignement des atomes, petites régions d'atomes magnétisés appelées domaines , augmente et diminue avec le niveau de courant, donc en contrôlant le flux d'électricité, vous pouvez contrôler la force de l'aimant. Il arrive un point de saturation lorsque tous les domaines sont alignés, ce qui signifie que l'ajout de courant supplémentaire n'entraînera pas une augmentation du magnétisme.
En contrôlant le courant, vous pouvez essentiellement allumer et éteindre l'aimant. Lorsque le courant est coupé, les atomes retournent à leur état naturel, état aléatoire et la tige perd son magnétisme (techniquement, il conserve quelques propriétés magnétiques mais pas beaucoup et pas très longtemps).
Avec un aimant permanent ordinaire, comme ceux qui tiennent la photo du chien de la famille au réfrigérateur, les atomes sont toujours alignés et la force de l'aimant est constante. Saviez-vous que vous pouvez supprimer le pouvoir collant d'un aimant permanent en le laissant tomber ? L'impact peut en fait provoquer le désalignement des atomes. Ils peuvent être à nouveau magnétisés en frottant un aimant dessus.
L'électricité pour alimenter un électro-aimant doit venir de quelque part, droit? Dans la section suivante, nous allons explorer certaines des façons dont ces aimants obtiennent leur jus.
Voici à quoi ressemblent les champs magnétiques dans un électro-aimant de base. Hemera/Thinkstock Comme un courant électrique est nécessaire pour faire fonctionner un électro-aimant, d'où est ce que ça vient? La réponse rapide est que tout ce qui produit un courant peut alimenter un électro-aimant. Des petites piles AA utilisées dans la télécommande de votre téléviseur aux grandes, centrales électriques industrielles qui tirent l'électricité directement d'un réseau, s'il stocke et transfère des électrons, alors il peut alimenter un électro-aimant.
Commençons par examiner le fonctionnement des batteries domestiques. La plupart des batteries ont deux pôles facilement identifiables, un positif et un négatif. Lorsque la batterie n'est pas utilisée, les électrons s'accumulent au pôle négatif. Lorsque les piles sont insérées dans un appareil, les deux pôles entrent en contact avec les capteurs de l'appareil, fermant le circuit et permettant aux électrons de circuler librement entre les pôles. Dans le cas de votre télécommande, l'appareil est conçu avec un charge , ou point de sortie, pour l'énergie stockée dans la batterie [source :Grossman]. La charge utilise l'énergie pour faire fonctionner la télécommande. Si vous deviez simplement connecter un fil directement à chaque extrémité d'une batterie sans charge, l'énergie s'écoulerait rapidement de la batterie.
Pendant que cela se produit, les électrons en mouvement créent également un champ magnétique. Si vous retirez les piles de votre télécommande, il conservera probablement une petite charge magnétique. Vous ne pouviez pas prendre une voiture avec votre télécommande, mais peut-être quelques petites limaille de fer ou même un trombone.
À l'autre extrémité du spectre se trouve la Terre elle-même. Par la définition dont nous avons parlé plus tôt, un électro-aimant est créé lorsque des courants électriques circulent autour d'un noyau ferromagnétique. Le noyau de la Terre est en fer, et nous savons qu'il a un pôle nord et un pôle sud. Ce ne sont pas seulement des désignations géographiques, mais de véritables pôles magnétiques opposés. L'effet dynamo , un phénomène qui crée des courants électriques massifs dans le fer grâce au mouvement du fer liquide à travers le noyau externe, crée un courant électrique. Ce courant génère une charge magnétique, et ce magnétisme naturel de la Terre est ce qui fait fonctionner une boussole. Une boussole pointe toujours vers le nord parce que l'aiguille métallique est attirée par l'attraction du pôle Nord.
Clairement, il existe une large gamme d'applications d'électroaimants entre petits, des expériences scientifiques faites maison et la Terre elle-même. Donc, où ces appareils apparaissent-ils dans le monde réel ? Dans la section suivante, nous examinerons comment notre vie quotidienne est affectée par l'électromagnétisme.
L'électroaimant du Grand collisionneur de hadrons (LHC) a la forme d'une gigantesque mâchoire. Il se compose de deux bobines de 27 tonnes (24 tonnes métriques), installé dans un 1, 450 tonnes (1, 315 tonnes) culasse. Francis DEMANGE/Getty Images De nombreux électro-aimants ont un avantage sur les aimants permanents car ils peuvent être facilement allumés et éteints, et augmenter ou diminuer la quantité d'électricité circulant autour du noyau peut contrôler leur force.
La technologie moderne repose fortement sur les électro-aimants pour stocker des informations à l'aide d'appareils d'enregistrement magnétique. Lorsque vous enregistrez des données sur un disque dur d'ordinateur traditionnel, par exemple, minuscule, des morceaux de métal magnétisés sont incrustés sur un disque selon un motif spécifique aux informations enregistrées. Ces données ont commencé leur vie sous la forme d'un langage informatique numérique binaire (0s et 1s). Lorsque vous récupérez ces informations, le motif est converti en le motif binaire d'origine et traduit en une forme utilisable. Alors, qu'est-ce qui en fait un électro-aimant? Le courant qui traverse les circuits de l'ordinateur magnétise ces minuscules morceaux de métal. C'est le même principe utilisé dans les magnétophones, magnétoscopes et autres supports à bande (et oui, certains d'entre vous possèdent encore des magnétophones et des magnétoscopes). C'est pourquoi les aimants peuvent parfois faire des ravages dans la mémoire de ces appareils.
Vous pouvez utiliser l'électromagnétisme tous les jours si vous chargez un téléphone ou une tablette sans fil. Le bloc de charge crée un champ magnétique. Votre téléphone a une antenne qui se synchronise avec le chargeur, laissant passer un courant. Comme vous pouvez l'imaginer, les bobines électromagnétiques à l'intérieur d'appareils comme ceux-ci sont petites, mais des bobines plus grosses peuvent charger des appareils plus gros tels que des voitures électriques.
Les électro-aimants ont également ouvert la voie à une véritable exploitation du potentiel de l'électricité en premier lieu. Dans les appareils électriques, le moteur se déplace parce que le courant venant de votre prise murale produit un champ magnétique. Ce n'est pas l'électricité elle-même qui alimente le moteur, mais la charge créée par l'aimant. La force de l'aimant crée un mouvement de rotation, ce qui signifie qu'ils tournent autour d'un point fixe, semblable à la façon dont un pneu tourne autour d'un essieu.
Donc, pourquoi ne pas sauter ce processus et simplement utiliser la prise pour alimenter le moteur en premier lieu ? Parce que le courant nécessaire pour alimenter un appareil est assez important. Avez-vous déjà remarqué à quel point allumer un gros appareil comme une télévision ou une machine à laver peut parfois faire clignoter les lumières de votre maison ? C'est parce que l'appareil consomme beaucoup d'énergie au départ, mais cette grande quantité n'est nécessaire que pour démarrer le moteur. Une fois que cela se produit, ce cycle de induction électromagnétique prend le relais.
De l'électroménager, nous passons à certaines des machines les plus complexes jamais construites pour voir comment les électro-aimants sont utilisés pour découvrir les origines de l'univers. Les accélérateurs de particules sont des machines qui propulsent des particules chargées les unes vers les autres à des vitesses incroyablement élevées afin d'observer ce qui se passe lorsqu'elles entrent en collision. Ces faisceaux de particules subatomiques sont très précis et le contrôle de leur trajectoire est essentiel afin qu'ils ne dévient pas et n'endommagent pas la machinerie. C'est là qu'interviennent les électro-aimants. Les aimants sont positionnés le long du trajet des faisceaux en collision, et leur magnétisme est en fait utilisé pour contrôler leur vitesse et leur trajectoire [source :NOVA Teachers].
Pas mal reprendre pour notre ami l'électroaimant, hein? De quelque chose que vous pouvez créer dans votre garage à l'utilisation des outils que les scientifiques et les ingénieurs utilisent pour déchiffrer les origines de l'univers, les électro-aimants ont un rôle assez important dans le monde qui nous entoure.
Prêt à essayer vos propres expériences électromagnétiques ? Lisez la suite pour quelques idées amusantes.
Les électro-aimants sont faciles à fabriquer; quelques éléments matériels et une alimentation électrique vous permettent de vous mettre en route. D'abord, vous aurez besoin des éléments suivants :
Une fois que vous avez ces éléments, retirer l'isolant de chaque extrémité du fil de cuivre, juste assez pour assurer une bonne connexion avec la batterie. Enroulez le fil autour de l'ongle; plus vous pouvez l'envelopper serré, plus le champ magnétique sera puissant. Finalement, connectez la batterie en attachant une extrémité du fil à la borne positive et une à la borne négative (peu importe quelle extrémité du fil est associée à quelle borne). Presto! Un électro-aimant fonctionnel [source :Jefferson Lab].
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Publié à l'origine :1er avril 2000
