Électroaimants
Une bobine de 200 spires sur 10 cm parcourue par 2 A produit à l’intérieur environ 5 mT, soit environ 100 fois le champ terrestre.
Un courant crée un champ magnétique
En 1820, le savant danois Hans Christian Oersted remarque qu’une aiguille de boussole bouge lorsqu’un courant passe dans un fil voisin. C’est la première preuve claire du lien entre électricité et magnétisme. Si l’on cartographie avec des boussoles le champ autour d’un long fil rectiligne, les lignes forment des cercles autour du fil. Leur sens suit ce qu’OpenStax appelle la règle de la main droite 2 : pointe le pouce droit dans le sens du courant ; tes doigts se replient dans le sens du champ.
L’intensité diminue avec la distance : B = μ₀ I ÷ (2π r), où r est la distance au fil. La constante μ₀ est la perméabilité du vide. Les manuels écrivent 4π × 10⁻⁷ T·m/A ; la valeur actuelle du NIST est 1.25663706127 × 10⁻⁶ N/A², concordante à mieux qu’un milliardième près. OpenStax demande quel courant produit deux fois le champ terrestre, soit 1.0 × 10⁻⁴ T, à 5.0 cm d’un fil. La réponse est I = 2π r B ÷ μ₀ = 25 A. Les géomètres connaissent bien cet effet : les lignes électriques aériennes peuvent fausser leurs relevés à la boussole.
Les bobines créent des champs intenses et uniformes
Courbe le fil en une boucle : les champs de toutes ses parties s’additionnent au centre. Enroule de nombreuses spires en une longue bobine, un solénoïde : le champ intérieur devient intense et presque uniforme, tandis que le champ juste à l’extérieur des spires est proche de zéro. Dans un solénoïde long, B = μ₀ n I, où n est le nombre de spires par mètre, N ÷ L. Davantage de spires sur une même longueur, ou un courant plus intense, renforcent le champ. À l’extérieur, le champ du solénoïde a la même forme que celui d’un aimant droit, avec une extrémité nord et une sud.
Quelle extrémité est le pôle nord ? Replie les doigts de ta main droite autour de la bobine dans le sens du courant des spires : ton pouce indique l’extrémité nord. Inverse le courant : les pôles s’inversent. La bobine du laboratoire mesure 10 cm. Avec 200 spires et 2 A, n = 2000 par mètre et B = 1.2566 × 10⁻⁶ × 2000 × 2 = 5.03 × 10⁻³ T, soit environ 5 mT, à peu près 100 fois les 50 μT retenus pour le champ terrestre. Le grand exemple d’OpenStax est un solénoïde de 2.00 m avec 2000 spires parcourues par 1600 A : n = 1000 par mètre et B = 2.01 T, l’intensité d’un aimant d’IRM. Un tel courant surchaufferait du cuivre ordinaire ; les appareils d’IRM utilisent donc des bobines supraconductrices.
Fais glisser pour tourner. Fais défiler ou écarte et rapproche deux doigts pour zoomer.
Noyaux de fer et usages des électroaimants
Place un noyau de fer dans la bobine : le champ du courant aligne ses domaines. Le fer devient lui aussi un aimant et ajoute son champ à celui de la bobine. Quand on recherche de forts effets magnétiques, on dote les électroaimants de noyaux ferromagnétiques. Contrairement à un aimant permanent, on peut éteindre un électroaimant, le renforcer ou inverser ses pôles. Les grues des casses soulèvent des voitures puis les lâchent en coupant le courant. Les accélérateurs de particules s’en servent pour guider les faisceaux, et les appareils d’IRM placent les patients dans une grande bobine supraconductrice. La résistance de la bobine impose une limite : trop de courant fait surchauffer le fil.
| Oersted, 1820 | Un courant déplace l’aiguille d’une boussole |
| Champ d’un long fil rectiligne | B = μ₀ I ÷ (2π r), cercles autour du fil |
| Champ dans un solénoïde | B = μ₀ n I, n = spires par mètre |
| μ₀ | 4π × 10⁻⁷ T·m/A ≈ 1.2566 × 10⁻⁶ |
| Quelle extrémité d’une bobine est N ? | Doigts de la main droite dans le sens du courant, pouce vers N |
- Un courant crée un champ magnétique (Oersted, 1820).
- Autour d’un long fil rectiligne, les lignes de champ sont des cercles ; B = μ₀ I ÷ (2π r).
- Dans un solénoïde, B = μ₀ n I ; davantage de spires par mètre ou de courant renforcent le champ.
- La règle de la main droite indique l’extrémité N ; inverser le courant inverse les pôles.
- Un noyau de fer renforce considérablement un électroaimant.
- Qui a observé le premier un courant dévier une aiguille de boussole, en 1820 ?
- Hans Christian Oersted
- Michael Faraday
- William Gilbert
- Isaac Newton
- Les lignes de champ autour d’un long fil rectiligne sont :
- Des cercles autour du fil
- Des droites le long du fil
- Des droites s’éloignant du fil
- Il n’y a pas de champ
- Champ à 5.0 cm d’un long fil parcouru par 25 A, en unités de 10⁻⁴ T ? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷)
- Bobine du laboratoire : 200 spires, longueur 0.10 m, courant 2 A. Champ intérieur en mT ? (deux décimales)
- Nombre de spires par mètre pour 2000 spires sur 2.00 m ?
- Ce solénoïde est parcouru par 1600 A. Champ intérieur en teslas ? (deux décimales)
- Tu doubles le nombre de spires et le courant d’un solénoïde de longueur fixe. Le champ devient :
- 4 fois plus intense
- 2 fois plus intense
- Identique
- 8 fois plus intense
- Tu inverses le courant dans un électroaimant. Que se passe-t-il ?
- Les extrémités N et S s’inversent
- Il cesse d’être un aimant
- Il devient deux fois plus puissant
- Rien ne change
- Pourquoi les grues des casses utilisent-elles des électroaimants plutôt que des aimants permanents ?
- On peut les éteindre pour lâcher la charge
- Ils sont plus légers que l’air
- Ils attirent l’aluminium
- Ils n’ont pas besoin d’électricité
- Ajouter un noyau de fer dans une bobine :
- Renforce considérablement le champ
- Annule le champ
- Inverse les pôles
- Arrête le courant
Sources de ce cours (16)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 22.1 Magnets (all magnets have N and S poles, north-seeking and south-seeking, like poles repel and unlike attract, poles cannot be separated, the magnetic pole near the geographic North Pole is a south magnetic pole, sunspots come in N/S pairs)
- 22.2 Ferromagnets and electromagnets (iron, cobalt, nickel, gadolinium; neodymium alloys; domains grow to millimetre size; Curie temperature of iron 1043 K (770 °C); Oersted saw a compass needle deflected by a current; electromagnets in scrapyard cranes, particle accelerators and MRI; electric current is the source of all magnetism; no monopoles observed)
- 22.3 Magnetic fields and field lines (direction = where a compass north end points; four rules: tangent, density = strength, never cross, closed loops from N to S outside)
- 22.7 Magnetic force on a current-carrying conductor (F = I l B sin θ, 1 T = 1 N/(A·m), example 20.0 A, 5.00 cm, 1.50 T gives 1.50 N; motors)
- 22.9 Magnetic fields produced by currents (Oersted 1820, right hand rule 2, B = μ0 I ÷ (2π r), μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A, Earth's field about 5.0 × 10⁻⁵ T, 25 A at 5.0 cm gives twice that; loop centre B = N μ0 I ÷ 2R; solenoid B = μ0 n I, 2000 loops over 2.00 m with 1600 A gives 2.01 T, MRI; ferromagnetic cores)
- 23.1 Induced emf and magnetic flux (Faraday's iron-ring apparatus, emf only while the field changes, magnet pushed into a coil, faster motion gives more emf, generators, Φ = B A cos θ)
- NIST CODATA 2022 vacuum magnetic permeability μ0 = 1.25663706127(20) × 10⁻⁶ N/A² (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0)
- NOAA NCEI Geomagnetism Frequently Asked Questions (ncei.noaa.gov/products/geomagnetism-frequently-asked-questions): field like a dipole at Earth's centre, over 90% from the outer core, intensity roughly 25,000 to 65,000 nT (0.25 to 0.65 gauss)
- 1 gauss = 100,000 nT, declination = angle between magnetic north and true north (east positive)
- inclination, dip poles, dipole axis 9.41° from the rotation axis (WMM2020, 2020.0)
- north magnetic pole moving about 55 km per year north-northwest (2001 and 2007 surveys)
- last reversal about 750,000 to 780,000 years ago, reversals spaced 5 thousand to 50 million years, a reversal would take several thousand years, models renewed every five years, blackout zones where H < 2000 nT, compass balance weights differ by hemisphere, true bearing = magnetic bearing + declination
- NOAA NCEI news "World Magnetic Model 2025 Released" (17 December 2024)
- NOAA NCEI "December 2025 State of the Geomagnetic Field" (north dip pole 36 km/yr and south dip pole 9 km/yr since 1 January 2025)
- USGS, "Pre-gilbertian conceptions of terrestrial magnetism" (pubs.usgs.gov/publication/70009843): Gilbert's De Magnete (1600) first suggested that Earth behaves as a great magnet. Royal Institution, Michael Faraday's ring-coil apparatus (rigb.org): made August 1831, success on 29 August 1831, the first electric transformer
- APS News "This Month in Physics History" (Aug 2001): Faraday's electromagnetic rotation experiments of September 1821, the principle behind the electric motor.
Consulté le: 2026-10-17