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Cette page: Electricité, électromagnétisme.      (bas)  


Le courant électrique et la bobine
Toute bobine alimentée par un courant continu crée deux pôles magnétiques opposés de signes   +   et  -  
Le signe de ces pôles dépend du sens du courant électrique dans la bobine.

Toute bobine alimentée par un courant alternatif crée deux pôles magnétiques opposés qui changent de polarité en concordance avec le sens du courant.
  +   et  -    puis   -   et  +    puis à nouveau  +   et  -   et ainsi de suite.

Avec le courant domestique 220 volts (227), les polarités changent 50 fois par seconde.


Cette bobine parcourue par un courant électrique crée un champ électrique intense qui lui fera "avaler" dans son trou la tige de fer, présentée ici totalement extraite pour la clarté de l'explication.

Le pôle N (nord) de la bobine correspond au sens du flux magnétique, ici dirigé selon la flèche blanche, et créé par le courant électrique circulant dans le sens de la sens flèche rouge. L'ensemble des mouvements rotation et translation, correspond à la progression d'un tire-bouchon. Ce pôle N (nord) induit un pôle S (sud, en blanc) sur la tige de fer proche,  et ces deux là s'attirent. Note : le fer doux ne conserve pas l'aimantation. Un ressort ramène la tige en arrière dès la coupure du courant électrique (ici, du 24 volts).

Champs produits par les bobines. quelles sont les facteurs (variables) qui influent : tout d'abord, le nombre de spires (tours de fil de cuivre), puis l'intensité du courant qui circule dans les spires. viennent ensuite diamètre et longueur de la bobine avec la considération suivante : on ne tient compte que de la longueur pour une bobine longue (dix fois son rayon par exemple), et on tient compte que du diamètre pour une bobine courte ! (pas toujours évident). Enfin,un coefficient est appliqué.

Il n'y a pas de pôles magnétiques dans un circuit magnétique fermé, mais un champ orienté continu qui peut être utilisé au centre (exemple, voir transformateur plus bas)

Note: hibis s'attache surtout aux phénomènes physiques et à leurs réalités matérielles :  pour les formules, calculs précis et cas complexes, je conseille de rechercher sur Internet les travaux et démonstrations mathématiques publiés à ce sujet (taper "induction", "champs électromagnétiques", etc).



Tout flux magnétique variable induit des courants parasites dans la carcasse métallique qui est là pour canaliser et renforcer le flux !  on lutte contre ce travers en "feuilletant" les masses métalliques, ce qui coupe le circuit des courants indésirables. Ces couches isolées entre elles donnent un aspect strié au métal.

Tout courant électrique créé par une variation de champ induit un champ inverse qui s'oppose au mouvement qui le crée. Et à cet instant, ce qui paraissait si simple se complique..  car cela entraîne de l'échauffement, des distorsions de champ magnétique et autres parasitages contre lesquelles il faut lutter.

Autre "meffets" indésirable de l'électromagnétisme, la "self induction", une sorte d'inertie du courant qui ne veut pas se laisser couper quand on ouvre l'interrupteur. Analogie hydraulique, le coup de bélier dans les tuyaux lorsqu'on ferme brutalement un robinet (une masse d'eau est en marche..).

Cette self induction a pour conséquence de freiner toute variation de courant que l'on que l'on imposerait et au pire, pour toute coupure, de générer des étincelles sur les contacts électriques ! que se passe-t-il alors ? au moment de la coupure du courant, qui renâcle comme on le sait, la tension augmente comme par magie. C'est le phénomène de "l'extra courant de rupture".

Nuisible et Utile. Cet extra courant haute tension est nuisible par les dégâts qu'il cause - métal fondu) - il faut en protéger les disjoncteurs forte puissance, qui "soufflent" l'étincelle par effet de cheminée.
Cet extra courant haute tension est extraordinairement utile pour l'allumage des moteurs. Tous les moteurs essence du monde utilisent cette étincelle, éclatant sur les électrodes de bougies, grâce à une bobine magnétique, dite de "Ruhmkorf". Le savant qui en avait ainsi démontré l'existence.


Notions sur les pôles et circuits magnétique. On donne le nom de pôle magnétique à l'extrémité de la la pièce métallique, le noyau, autour duquel est enroulé le fil de la bobine. Ce noyau peut être en fer, alliages de métaux, ou poudres équivalentes comprimées encore plus performantes (flux produit considérablement augmenté (permalloy, ferrites..).

Noyau et circuit magnétique: photo ci-contre, un contacteur avec sa bobine jaune-orangé, (derrière le mot bobine). L'extrémité de son noyau de fer rond dépasse un peu. En établissant le courant électrique, le flux magnétique du fer rond attire la plaque articulée, dénommée armature, dont l'épaisseur est soulignée de jaune. Le circuit magnétique "se ferme" alors, les deux traits jaunes ne faisant plus qu'un.
- Le flux magnétique se referme parce que l'autre extrémité du fer rond est soudée sur la carcasse métallique qui entoure la bobine.

Le contacteur est utilisé pour établir un courant électrique à distance; par exemple pour démarrer un moteur ou allumer des lampes..). Plus généralement, il permet d'établir un puissant circuit électrique à partir d'un petit bouton et de fils électriques fins : le puissant démarreur d'un moteur de voiture est alimenté par l'intermédiaire d'un contacteur "relais", situé près du démarreur. Ce relais est relié à la clé de contact par des fils électriques fins. Si non, les gros fils entre batterie et démarreur devraient passer par la clé de contact, munie d'un gros contact!

Electroaimants.

Voir le contacteur ci-dessus. Le circuit électrique d'un électroaimant ne doit pas conserver le magnétisme après la coupure du courant dans la bobine, phénomène parasite appelé "réluctance" parce que qu'il rechigne à lâcher son magnétisme.
La force de l'électroaimant dépend de l'intensité du courant, de l'importance de la bobine, et de la capacité du noyau à concentrer les lignes de force magnétiques. L'importance de la bobine est liée à son nombre de tours de fils (nombre de spires) et à l'intensité du courant qui peut la parcourir. Ces conditions ont naturellement un impact sur la taille puisque, pour faire passer un courant important; il faut accroître le diamètre des fils de cuivre.


Le magnétisme, un étrange phénomène..
Au travers des siècles quelles vertus, aussi magiques qu'incertaines, ne lui ont-elles pas été attribuées ? Sans contester l'effet magnétique sur la vie, sa qualité première est bien souvent d'être rémunératrice. Il en est peut-être ainsi pour les petits et gros aimants, placés au poignet pour divers espoirs, ou autour des tuyaux contre le calcaire. Les effets du magnétisme s'étendent jusqu'aux confins de nos frontières cognitives, et l'on peut être très gêné de voir des gendarmes faire appel à des magnétiseurs avec leur pendule pour retrouver quelqu'un, cela avec paraît-il un pourcentage réel de succès. On peut être tout aussi ému sinon déstabilisé de constater par soi-même que deux fers coudés se rapprochent au passage d'un cours d'eau souterrain. Rien ne peut donc être opposé au succès des sourciers et leur bâton de coudrier. Surtout lorsqu'on apprend que ce ne serait pas le champ de l'eau qui fait bouger les fers ou le bâton, mais nos propres muscles recevant l'information. Si le champs terrestre a quelque influence sur nous, nous n'en avons aucune conscience et rien ne permet jusqu'à présent de le vérifier. Des guérisseurs réputés disent qu'ils guérissent par leur magnétisme, mais il est probable qu'ils ne savent pas pourquoi eux-mêmes.
Le TRANSFORMATEUR de courant électrique.

Il ne fonctionne qu'avec du courant alternatif ou en courant pulsé car le flux magnétique doit varier cycliquement.
Sans lui que ferions nous ? il y en a partout. Les plus connus sont les tranfos des alimentations/adaptateurs que l'on branche dans une prise pour faire fonctionner les chargeurs en tout genre, les players, radios, etc. Il y en a pour les éclairages halogènes de petite puissance (10 à 50 watts).

Sécurité. Il devrait y en avoir dans les salles de bains pour le rasoir électrique et le sèche cheveux (cas des hôtels), bien que danc ce cas, la tension ne soit pas changée (rapport 1); mais il supprime le lien avec le sol. Pour la même raison de sécurité, il est obligatoire dans les locaux humides, alimentés en 24 volts.

Il y en dans tous les équipements électroniques, radios, chaînes HIFI etc, pour leur alimentation, y compris dans les postes de radio, anciens et modernes, et de minuscules pour de hautes fréquences radio car il faut y modifier des rapports de puissance ou de tension. Il s'agit dans ce cas de courants extrêmement faibles.

Caractéristiques du transformateur. On nomme respectivement B1 et b2 les deux bobines qui le composent. Ces deux bobines sont traversées par un même flux magnétique.
Le rapport des tensions d'entrée et de sortie (en volts), soit entre B1 et B2, dépend uniquement du rapport de leur nombre respectif de spires. La puissance transmise étant conservée, le rapport des tensions est équilibré par un rapport inverse des intensités, soit une tension élevée avec une faible intensité sur B1, et une tension faible avec intensité élevée sur B2.

- La puissance produite est liée au flux produit, donc à n (nombre de spires (tours), et i l'intensité de courant (leur produit - multiplication - est nommé ampère-tour). La puissance produite est également liée au refroidissement (ça chauffe, et la perte de rendement vient de là). Les gros transfos sont donc refroidis avec des ailettes et si nécessaire avec un fluide, généralement une huile. (c'est une de ces huiles, le pyralène, qui a été interdite parce que très nocive).

Le fonctionnement du transformateur est symétrique : si on applique du 12 volts au secondaire, on obtiendra du 230 volts au primaire (il élève ou abaisse la tension du courant), mais on comprend bien que si l'on inversait les tensions et applique du 230 sur le circuit secondaire B2 car on obtiendrait du 4400 volts sur B1 !! et surtout, on risquerait quelques dégâts, même si un fusible saute, car appliquer du 230 volts sur l'enroulement prévu pour 12 volts créerait dans B1 une intensité de courant près de 20 fois supérieure à la norme et côté 4400 volts, on imagine..


Construction
Le transformateur de courant électrique est basiquement constitué d'un anneau métallique fermé (appelé tore), autour duquel ont enroule deux types de fils : l'un très long et fin, l'autre relativement court et gros : le circuit long et fin - dénommé primaire - est relié à la tension à réduire (exemple 230 volts). Le flux magnétique produit circule dans le tore et induit un courant dans le deuxième circuit appelé secondaire (exemple 12 volts).

Le transformateur à tore (anneau) est le meilleur parce qu'il réduit les pertes de flux (qui n'aiment pas les angles..). Mais il est coûteux à produire et son usage pour les tours d'alimentation, est réservé aux amplificateurs HI FI de qualité supérieure (moins de pertes magnétiques, moins de bruits parasites). Les transformateurs courants sont tous du type "anguleux"
Si le transformateur était parfait, il n'y aurait pas de perte de puissance entre le primaire (fil long et fin) et le secondaire (fil court et gros), ce qui signifie que le rapport des nombres de tours primaire/secondaire serait applicable aux tension et intensités respectives dans le rapport de 12 à 220, soit un peu moins de 20. Danc ce cas de perfection, si le primaire consomme 1 Ampère sous 230 volts, on pourrait débiter un peu moins de 20 Ampère sous 12 volts au secondaire.
En fait il y a des pertes de flux magnétique, des pertes par échauffement, des courants induits parasites (*) de sorte que le rendement peut tomber à 90 ou 80 %.
(*) dès qu'un flux magnétique circule, il induit un courant dans toute masse perméable au magnétisme, dont la carcasse métallique qui est là pour canaliser et renforcer le flux !  on lutte contre ce travers en "feuilletant" les masses métalliques, ce qui coupe le circuit des courants indésirables. A droite, photo d'un transformateur d'alimentation qui délivre des tension allant de 3 à 12 volts à partir du 230 volts. Le 220 volts - les deux fils rouges à droite du transfo - circule dans une bobine "primaire" qui traverse la masse feuilletée du circuit magnétique 'en gris). Une autre bobine au fil plus gros et avec moins de spires produit, avec différentes sorties, des tensions alternatives inférieures (3 à 12 volts). Ces tensions alternatives "basses" sont ensuite "redressés" par un groupe de 4 diodes, puis filtrées et régulées pour fournir de 3 à 12 volts de courant continu. Les transformateurs, dits aussi "adaptateurs", des réveils, radios, chargeurs en tous genres, etc. sont très semblables en plus simple (un peu plus plus petits, une seule tension secondaire, pas de régulation). Inutile de les présenter, tout le monde en possède.

Transport et distribution du courant alternatif.
Le transformateur est un élément essentiel pour le transport  et la distribution du courant électrique industriel et domestique (réseaux électriques très haute, haute, moyenne et basse tension). Le courant alternatif peut ainsi être élevé en tension pour le transport (fils de cuivre de moindre section, donc moins lourds et moins coûteux), puis abaissé pour l'utilisation. La tension finale de 220 volts est malheureusement trop élevée et dangereuse d'autant qu'il y a retour par le sol. Autrefois, le 110 était bien mieux adapté, et cette tension est toujours utilisée aux USA.

Le transformateur est-il "une espèce "en voie de disparition", comme tout ce qui est plus ou moins mécanique en audio vidéo ?
Je possède trois petites lampes halogène de 20 watts 12 volts qui fonctionnent sur le secteur 220 volts sans transformateur d'alimentation (seulement un petit circuit électronique). Disparue de la vente (Allemagne), je n'en trouve plus ! D'ordinaire, une lampe halogène de 12 volts est assortie d'un transformteur réducteur de tension 220/12v, soit un bloc noir directement enfichable. En confirmation de cette absolue nécessité, un variateur ne peut réduire la lumière d'une ampoule à filament que si celle-ci est branchée sur une prise correspondant à sa tension nominale, soit au cas présent, 12 volts. Il existe deux types de variateurs, l'un pour les lampes 220 v l'autre pour les circuits inductifs - traduisons par transformateurs - pour celles de 12 volts.
Un variateur est composé d'un élément électronique de puissance, le triac, qui est piloté par un diac, lequel relaie au triac l'action du curseur ou de la molette de réglage. Le cas de ma lampe - sans variateur ni tranformateur, est unique, d'autant que le tout petit boitier ne chauffe pas du tout ! toutes les autres lampes basse tension (12 v), ont un transformateur. Il semble que le courant soit bien contrôlé par une sorte de variateur fixe, si l'on peut dire, ce qui serait étonant car un tel montage n'empêche pas les pics de tension du secteur 22O V alternatif sur l'ampoule halogène, pics qui atteignent en réalité 320 volts, car la valeur 220 (227v nominale EDF), est une valeur moyenne efficace, équivalente à un courant continu de même valeur.
Pour imaginer la disparition du transformateur, je m'appuie, à tort ou à raison, sur l'exemple de mes petites lampes 12 volts sans transformateur mais aussi sur les prouesses technologiques en matière d'électronique, dont les alimentations à découpage ou bien mieux encore, sur l'exemple du passage de la haute tension en souterrain sous un sommet des Pyrénées, avec transformation du courant alternatif en courant continu et vice et versa ! L'électronique et la bionique apporteront ce que l'on ne peut imaginer aujourd'hui.



L'électromagnétisme et ses applications.
Une première grande invention a permis de communiquer à grande distance, immédiatement et hors de la vue : le télégraphe. Au départ, une manette permet d'établir et de rompre un courant qui est reçu à l'extrémité du fil sur un électroaimant. Par la suite, en équipant l'électroaimant d'un stylet, on a pu tracer des points et des traits (méthode Morse), ou, avec un écouteur, d'entendre ces points et traits. Les moteurs et générateurs électriques ont révolutionné la société. L'écouteur téléphonique, le haut parleur de radio et de chaîne HI FI; les oreillettes de nos players et baladeurs MP3 sont toujours basés sur le principe de l'électroaimant qui fait vibrer une membrane. Il y a eu des minuteries de cage d'escalier : un balancier était lancé par une tige "aspirée" dans bobine de fil électrique lorsque, en appuyant sur le bouton, le courant passait. L'arrêt du balancier provoquait l'extinction de la lumière. La sonnerie du téléphone ou des gares a été tributaire de l'électroaimant, de même que nos plus récents gongs et carillons de porte. L'usage de l'électromécanique n'a cessé de s'étendre : manutention par grues des ferrailleurs, machines industrielles, commande de fermeture de serrure, commandes de modèles réduits d'avion, serrures de portes de voiture télécommandées, et dans le domaine d'ultra précision du monde de l'électronique, toute une génération de lecteurs de cassettes, de CD et DVD, disques durs, magnétoscopes.
Enfin(..), le domaine médical n'est pas en reste avec la résonance magnétique (IRM) et tant d'autres usages.

Magnétisme et Electromagnétisme

LES EXEMPLES QUI SUIVENT SONT PEDAGOGIQUES, toute cette mécanique ayant disparu ou étant en passe de l'être. Photo: tête d'enregistrement et lecture d'un magnétoscope fixée sur le tambour d'enroulement de la bande (cassette VHS). On aperçoit deux points noirs qui sont deux pôles magnétiques en ferrite avec chacun leur minuscule bobine (une bonne loupe est nécessaire pour les voir) ; cette "tête magnétique" magnétise par points toutes les inscription nécessaires à la lecture et la reproduction de l'image sur la télé (couleurs, intensités), un peu comme un point de lumière marquait pellicule photo ; le magnétoscope VHS, est analogique, donc sans codage comme pour le numérique.  les charges magnétiques inscrites sur la bande lors de l'enregistrement. Il y a des têtes spécialisées pour lire, enregistrer ou effacer. On retrouve l'équivalent en plus minuscule sur les caméscopes mini DV), ou en presque grosse taille sur les cassettes audio. Bien des fonctions avec mécanique-électronique  ont été remplacées par de l'électronique pure: le Fameux MP3 a coulé les cassettese et les mini disques !   ce qui était sur une bande ou un disque est désormais un fichier lu par un autre fichier programme, les disques durs de PC ont un challenger, le SSD.


Aimant et champ électromagnétique en électronique.
Oui, la mécanique d'enregistrement et de lecture fait de la résistance !
 Photo ci-contre, tête de lecture de disque dur de PC pivotant autour d'un axe (à droite en rouge), qui lui permet de balayer la surface du disque dur du bord vers le centre. L'ensemble est très, très rigide car la précision de placement du stylet est extrême : un tel disque peut comporter 2400 milliards de points magnétiques élémentaires, et bien plus encore ! on fait actuellement (2011) trois ou quatre fois plus, on parle alors de un tera-octets soit 1000 giga); On ne disposait que de quelques kilos octets dans les premiers PC.  Cette magnétisation des points et leur lecture s'effectue, comme pour le tambour de magnétoscope ou caméscope ci-dessus, par l'intermédiaire de minuscules pôles magnétiques situés à la point du stylet, avec bobines et fils d'alimentation. C'est une partie très vulnérable du disque dur; quand tout le reste est si rigide. Le disque dur lui, tourne au maximum à la vitesse de 7200 tours minute, mû par un petit moteur.



Disque dur de PC.Ensemble électromécanique "moteur" assurant le déplacement d'une tête magnétique placée au bout d'un bras. Ce bras, qui pivote autour d'un axe (trait rouge), comporte une bobine plate trapézoïdale (fil vert), laquelle assure un positionnement ultra précis grâce à l'action combinée de deux aimants en arc de cercle entre lesquels elle peut osciller. L'électronique gère, à partir d'une adresse, le courant à envoyer à la bobine pour que le stylet atteigne l'entrée de la piste contenant les données désignées.. Cette tête, qui affleure la surface, enregistre et lit les points magnétisés du disque en se déplaçant du bord extérieur du disque vers son centre.
Un disque dur de 300 giga octets, comporte 300x 8 = 2400 milliards de points magnétiques élémentaires ! le Tera, millier de milliard d'octets, est désormais l'unité de base.
Platine CD/DVD "pas trop ancienne" (historique, mais c'est pédagogique). Un ensemble électromécanique "moteur" assure le déplacement de la tête de lecture, une diode laser (*).
Deux bobines entourent chacune un aimant en arc de cercle. Les deux aimants sont fixes et les bobines peuvent osciller (flèches bleu et orange) autour d'un axe (rond rouge). La tête de lecture laser est fixé sur ce châssis oscillant (clic ! pour voir la diode laser et son puit optique.
Pour y voir plus clair : un aimant A traverse une bobine de fil B enroulée sur un cadre. Un deuxième aimant traverse une deuxième bobine identique. Les deux bobines sont reliées entre elles et tournent autour de l'axe rouge. La diode laser fait partie de cet ensemble et tourne avec pour balayer la surface du CD/DVD. L'électronique gère le courant à envoyer aux bobines pour que le diode laser atteigne l'entrée de la piste contenant les données désignées, suive les autres du même contenu ou saute à la demande de l'utilisateur. C'est un système au positionnement très souple et quasi instantané est comparable à celui du disque dur. La vitesse du CD:DVD est variable.
Platine CD ancienne. Un moteur classique petit modèle entraîne une vis sans fin (en gris clair), qui déplace un chariot coulissant sur une barre ronde parallèle. Ce chariot porte le lecteur à diode laser, dirigée vers le haut (en mauve). Le CD est posé sur l'axe vertical d'un petit moteur pour être lu par le rayon de lumière laser.

(*) Lumière laser. La "diode" est un composant électronique (une sorte de demi transistor), qui ne laisse passer le courant électrique que dans un sens; sa variante "laser" émet une lumière dite "cohérente" , au sens où toutes ses mutiples vibrations "marchent d'un même pas". Comment ? La lumière est émise par de la matière lorsque dans ses atomes, des électrons chutent d'un niveau de rotation (orbite), à un niveau plus bas; cela correspond à une perte d'énergie qui se traduit par l'émission de photons (lumière). Lorsque cela se produit, les électrons chutent naturellement,"en désordre". Dans une matière spécifique, si l'on provoque la chute simultanée d'un grand nombre d'électrons sur une orbite inférieure, on fabrique de la lumière laser dont la propriété est de ne presque pas "diffuser" ; le faisceau se maintient très fin (un point) sur de très grandes distances.. voir aussi "Physique 1", énergie.



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