L'électromagnétisme appliqué

Le champ autour d'un câble

Un conducteur parcouru par un courant crée autour de lui un champ magnétique circulaire (chapitre 2). Il décroît avec la distance :

Situation	Champ
champ magnétique terrestre	≈ 50 µT
conducteur seul, 100 A, à 1 m	0,2 × 100 / 1 = 20 µT
même conducteur, à 10 cm	200 µT
phase et neutre côte à côte, 100 A	presque nul : les deux champs s'opposent

• Un câble de batterie ou de panneaux solaires, en courant continu, fait dévier une boussole à quelques dizaines de centimètres : attention au compas d'un bateau ou d'un camping-car.
• Aller et retour dans la même gaine, les champs se compensent : c'est pourquoi l'enrouleur du chapitre 5 n'est pas une bobine, et c'est aussi le principe du tore du différentiel, qui ne voit que la différence (cours sur le différentiel).
• À l'inverse, séparer la phase et le neutre dans deux chemins différents crée une grande boucle qui rayonne : à éviter.

Pour l'exposition du public aux champs de 50 Hz, les recommandations européennes retiennent une valeur de référence100 µT selon la recommandation européenne de 1999 pour le public : à vérifier dans les textes en vigueur., bien au-dessus des valeurs relevées dans un logement.

La force d'un électro-aimant

Un électro-aimant qui colle sur une pièce de fer exerce une force qui dépend du champ dans l'entrefer B et de la surface de contact S : Exemple : 1 tesla sur 1 cm² : F ≈ 1² × 0,0001 / (2 × 4π × 10⁻⁷) ≈ 40 N, soit le poids d'environ 4 kg par centimètre carré.

• La force croît comme le carré du champ : doubler B, c'est quadrupler la force ;
• mais le fer sature vers 1,5 à 2 T (chapitre 3 : l'hystérésis) : au-delà, plus de courant n'apporte presque rien ;
• la moindre lame d'air entre les pièces fait chuter B, donc la force, de façon spectaculaire.

Applications :

• la ventouse électromagnétique d'une porte coupe-feu ou d'un contrôle d'accès retient plusieurs centaines de kilos avec quelques watts : la surface de contact est grande, et l'entrefer presque nul ;
• le contacteur : ouvert, son entrefer est grand, sa force faible, d'où le fort courant d'appel de la bobine (voir l'Aller plus loin des relais et contacteurs).

Les aimants permanents

Tous les aimants ne se valent pas. Leur force, leur prix et leur tenue en température varient beaucoup :

Aimant	Force	Chaleur	Usages
ferrite	modeste	bonne	haut-parleurs, petits moteurs, aimants de réfrigérateur
AlNiCo	moyenne	excellente	instruments de mesure, capteurs
néodyme (NdFeB)	la plus forte	sensible	moteurs brushless, éoliennes, disques durs
samarium-cobalt	très forte	très bonne	moteurs chauds, aéronautique

• Le point de Curie (chapitre 1) détruit toute aimantation. Mais bien avant, dès la température maximale d'emploi, un aimant perd une partie de sa force, sans retour. Pour un néodyme courant, elle est de l'ordre de 80 °CSelon la nuance : certaines nuances de néodyme supportent bien davantage, jusqu'à 150 °C et plus. Voir la fiche du fabricant. ;
• un moteur brushless qui a surchauffé peut ainsi avoir perdu définitivement une partie de son couple (cours sur les moteurs brushless) ;
• le néodyme rouille : il est presque toujours nickelé.

Les capteurs magnétiques

L'ILS, interrupteur à lame souple : deux lames de fer dans une petite ampoule de verre. Un aimant approché les aimante et elles se touchent.

• détecteurs d'ouverture de porte et de fenêtre, capteurs de niveau à flotteur, compteurs d'impulsions ;
• contacts minuscules : quelques centaines de milliampères au plus. Pour commander une charge, il pilote un relais (cours sur les relais et contacteurs).

Le capteur à effet Hall : une plaquette de semi-conducteur traversée par un courant produit une petite tension proportionnelle au champ qui la traverse.

• il mesure un champ sans contact et sans mouvement : position du rotor d'un moteur brushless, vitesse d'une roue, joystick ;
• il permet surtout la pince ampèremétrique en courant continu. La pince classique est un transformateur (cours sur les transformateurs, chapitre 3) : elle ne voit que les variations, donc que l'alternatif. La pince à effet Hall mesure directement le champ, donc aussi le continu : batteries, panneaux solaires, véhicules électriques.

Le détecteur de proximité inductif, si courant sur les machines : une bobine crée un champ alternatif. Une pièce métallique qui s'approche y développe des courants de Foucault, qui absorbent de l'énergie : le capteur le détecte et commute (cours sur l'automate programmable).

L'induction au quotidien

La loi de Lenz (chapitre 5) est partout autour de nous :

• La plaque à induction : une bobine parcourue par un courant de quelques dizaines de kHz crée un champ variable. Le fond de la casserole, en fer, y est le siège de courants de Foucault qui le chauffent directement. Une casserole en aluminium ou en cuivre, trop conductrice et non magnétique, chauffe mal : d'où les casseroles « compatibles induction » (voir aussi le cours sur les transformateurs, chapitre 3).
• Le chargeur sans fil : c'est un transformateur dont le primaire et le secondaire sont séparés par de l'air. Sans noyau commun, une partie du champ se perd : le rendement est plus faible qu'avec un câble, et le téléphone doit être bien centré.
• Le badge et la carte sans contact : le lecteur crée un champ alternatif ; la petite bobine du badge y puise par induction l'énergie nécessaire pour répondre. Aucune pile dans le badge.
• Le détecteur de métaux : même principe que le détecteur inductif de l'écran précédent, avec une grande bobine.

Plus la fréquence est élevée, plus la tension induite est forte pour un même champ (E = − ΔΦ / Δt) : c'est pourquoi ces applications travaillent à des dizaines de kHz, voire des MHz pour les badges.