Un courant électrique circulant dans un fil crée un champ magnétique autour du fil, en raison de la loi d’Ampère (voir dessin ci-dessous)., Pour concentrer le champ magnétique, dans un électroaimant, le fil est enroulé dans une bobine avec de nombreux tours de fil côte à côte. Le champ magnétique de tous les spires de fil traverse le centre de la bobine, créant ainsi un fort champ magnétique. Une bobine formant la forme d’un tube droit (une hélice) est appelée solénoïde.

La direction du champ magnétique à travers une bobine de fil peuvent être trouvés à partir d’un formulaire de la règle de droite., Si les doigts de la main droite sont enroulés autour de la bobine dans le sens du flux de courant (courant conventionnel, flux de charge positive) à travers les enroulements, le pouce pointe dans la direction du champ à l’intérieur de la bobine. Le côté de l’aimant d’où émergent les lignes de champ est défini comme étant le pôle Nord.

des champs magnétiques beaucoup plus forts peuvent être produits si un « noyau magnétique » d’un matériau ferromagnétique doux (ou ferrimagnétique), tel que le fer, est placé à l’intérieur de la bobine., Un noyau peut augmenter le champ magnétique à des milliers de fois la force du champ de la bobine seule, en raison de la perméabilité magnétique élevée μ du matériau. C’est ce qu’on appelle un électroaimant à noyau ferromagnétique ou à noyau de fer. Cependant, tous les électroaimants n’utilisent pas de noyaux, et les électroaimants les plus puissants, tels que les électroaimants supraconducteurs et les électroaimants à courant très élevé, ne peuvent pas les utiliser en raison de la saturation.

Ampère lawEdit

Pour les définitions des variables ci-dessous, voir l’encadré à la fin de l’article.,

le champ magnétique des électroaimants dans le cas général est donné par la loi D’Ampère:

∫ J d d A = H H ⋅ d l {\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {h} \cdot d\mathbf {L} }

qui dit que l’intégrale du champ magnétisant h autour de toute boucle fermée du champ est égale à la somme du courant traversant la boucle. Une autre équation utilisée, qui donne le champ magnétique dû à chaque petit segment de courant, est la loi de Biot–Savart. Le calcul du champ magnétique et de la force exercée par les matériaux ferromagnétiques est difficile pour deux raisons., Premièrement, parce que la force du champ varie d’un point à l’autre de manière compliquée, en particulier à l’extérieur du noyau et dans les entrefers, où les champs de franges et le flux de fuite doivent être pris en compte. Deuxièmement, parce que le champ magnétique B et la force sont des fonctions non linéaires du courant, en fonction de la relation non linéaire entre B et H pour le matériau central particulier utilisé. Pour des calculs précis, des programmes informatiques capables de produire un modèle du champ magnétique à l’aide de la méthode des éléments finis sont utilisés.,

noyau Magnétiquemodifier

Le matériau d’un noyau magnétique (souvent en fer ou en acier) est composé de petites régions appelées domaines magnétiques qui agissent comme de minuscules aimants (voir ferromagnétisme). Avant que le courant dans l’électroaimant ne soit allumé, les domaines dans le noyau de fer pointent dans des directions aléatoires, de sorte que leurs minuscules champs magnétiques s’annulent et que le fer n’a pas de champ magnétique à grande échelle., Lorsqu’un courant traverse le fil enroulé autour du fer, son champ magnétique pénètre dans le fer et provoque la rotation des domaines, s’alignant parallèlement au champ magnétique, de sorte que leurs minuscules champs magnétiques s’ajoutent au champ du fil, créant un grand champ magnétique qui s’étend dans l’espace autour de l’aimant. L’effet du noyau est de concentrer le champ, et le champ magnétique traverse le noyau plus facilement qu’il ne traverserait l’air.

plus le courant passe à travers la bobine de fil, plus les domaines s’alignent et plus le champ magnétique est fort., Enfin, tous les domaines sont alignés, et de nouvelles augmentations de courant ne provoquent que de légères augmentations du champ magnétique: ce phénomène est appelé saturation.

lorsque le courant dans la bobine est éteint, dans les matériaux magnétiquement mous qui sont presque toujours utilisés comme noyaux, la plupart des domaines perdent leur alignement et reviennent à un état aléatoire et le champ disparaît. Cependant, une partie de l’alignement persiste, car les domaines ont du mal à tourner leur direction d’aimantation, laissant le noyau un aimant permanent faible., Ce phénomène est appelé hystérésis et le champ magnétique restant est appelé magnétisme rémanent. L’aimantation résiduelle du noyau peut être éliminée par démagnétisation. Dans les électroaimants à courant alternatif, tels que ceux utilisés dans les moteurs, l’aimantation du noyau est constamment inversée et la rémanence contribue aux pertes du moteur.

circuit magnétique – l’approximation du champ B constantmodifier

dans de nombreuses applications pratiques des électroaimants, tels que les moteurs, les générateurs, les transformateurs, les aimants de levage et les haut-parleurs, le noyau de fer se présente sous la forme d’une boucle ou d’un circuit magnétique, éventuellement rompu par quelques entrefers étroits. En effet, les lignes de champ magnétique sont sous la forme de boucles fermées. Le fer présente beaucoup moins de » résistance  » (réluctance) au champ magnétique que l’air, de sorte qu’un champ plus fort peut être obtenu si la majeure partie du chemin du champ magnétique se trouve dans le noyau.,

étant donné que la majeure partie du champ magnétique est confinée dans les contours de la boucle centrale, cela permet une simplification de l’analyse mathématique. Voir le dessin à droite. Une hypothèse simplificatrice commune satisfaite par de nombreux électroaimants, qui sera utilisée dans cette section, est que l’intensité du champ magnétique B est constante autour du circuit magnétique (à l’intérieur du noyau et des entrefers) et nulle à l’extérieur de celui-ci. La majeure partie du champ magnétique sera concentrée dans le matériau central (C)., Dans le noyau, le champ magnétique (B) sera approximativement uniforme sur toute section transversale, donc si en plus le noyau a une surface à peu près constante sur toute sa longueur, le champ dans le noyau sera constant. Cela laisse juste les entrefers (G), le cas échéant, entre les sections de base. Dans les interstices, les lignes de champ magnétique ne sont plus confinées par le noyau, de sorte qu’elles « renflent » au-delà des contours du noyau avant de se courber pour entrer dans le prochain morceau de matériau du noyau, réduisant l’intensité du champ dans l’espace. Les renflements (BF) sont appelés champs de franges., Toutefois, tant que la longueur de l’intervalle est plus petite que la section transversale dimensions du noyau, le champ dans l’entrefer sera environ le même que dans le noyau. De plus, certaines lignes de champ magnétique (BL) prendront des « raccourcis » et ne passeront pas à travers tout le circuit central, et ne contribueront donc pas à la force exercée par l’aimant. Cela inclut également les lignes de champ qui encerclent les enroulements de fil mais ne pénètrent pas dans le noyau. C’est ce qu’on appelle le flux de fuite., Par conséquent, les équations de cette section sont valables pour les électroaimants pour lesquels:

1. Le circuit magnétique est une seule boucle de matériau central, éventuellement brisée par quelques entrefers
2. Le noyau a à peu près la même section transversale sur toute sa longueur.
3. tous les espaces d’air entre les sections du matériau du noyau ne sont pas Grands par rapport aux dimensions de la section transversale du noyau.
4. Il y a un flux de fuite négligeable

la principale caractéristique non linéaire des matériaux ferromagnétiques est que le champ B sature à une certaine valeur, qui est d’environ 1.,6 à 2 teslas (T) pour la plupart des aciers à noyau à haute perméabilité. Le champ B augmente rapidement avec l’augmentation du courant jusqu’à cette valeur, mais au-dessus de cette valeur, le champ se stabilise et devient presque constant, quelle que soit la quantité de courant envoyée par les enroulements. Ainsi, la force maximale du champ magnétique possible à partir D’un électroaimant à noyau de fer est limitée à environ 1,6 à 2 T.,

champ magnétique créé par un courantmodifier

le champ magnétique créé par un électroaimant est proportionnel à la fois au nombre de spires dans L’enroulement, N, et au courant dans le fil, I, d’où ce produit, NI, en ampères-spires, reçoit le nom de force magnétomotrice.,la loi D’Ampère se réduit à:

N I = H c o r E L C O R E + H G A p L G A P {\displaystyle NI=H_{\mathrm {core} }L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {gap} }l_{\mathrm {gap}}} l_ {\mathrm {gap}}\,} n i = B ( L c o r e μ + L G A P μ 0 ) ( 1) {\displaystyle ni=b\left ({\frac {l_{\mathrm {core}}} {\mu}} +{\frac {l_{\mathrm{gap}}} {\Mu _{0}}}\right) \qquad \qquad \qquad\ qquad (1)\,} Où μ = B / H {\displaystyle\ mu =B/H\,} est la perméabilité magnétique du matériau de base au champ B particulier utilisé., μ 0 = 4 π ( 10 − 7 ) N ⋅ A − 2 {\displaystyle \mu _{0}=4\pi (10^{-7})\ \mathrm {N} \cdot \mathrm {A} ^{-2}} est la perméabilité du vide (ou l’air); à noter qu’Un {\displaystyle \mathrm {A} } dans cette définition est ampères.

il s’agit d’une équation non linéaire, car la perméabilité du noyau, μ, varie avec le champ magnétique B. Pour une solution exacte, la valeur de μ à la valeur B utilisée doit être obtenue à partir de la courbe d’hystérésis du matériau du noyau. Si B est inconnu, l’équation doit être résolue par des méthodes numériques., Cependant, si la force magnétomotrice est bien au-dessus de la saturation, de sorte que le matériau central est en saturation, le champ magnétique sera approximativement la valeur de saturation Bsat pour le matériau et ne variera pas beaucoup avec les changements de NI. Pour un circuit magnétique fermé (pas d’entrefer), la plupart des matériaux de base saturent à une force magnétomotrice d’environ 800 ampères-tours par mètre de chemin de flux.

pour la plupart des matériaux de base, μ r = μ / μ 0 ≈ 2000 − 6000 {\displaystyle \mu _{r}=\mu /\mu _{0}\environ 2000-6000\,} . Ainsi, dans l’équation (1) ci-dessus, le deuxième terme domine., Par conséquent, dans les circuits magnétiques avec un entrefer, la force du champ magnétique B dépend fortement de la longueur de l’entrefer, et la longueur du chemin de flux dans le noyau n’a pas beaucoup d’importance. Étant donné un entrefer de 1mm, une force magnétomotrice d’environ 796 ampères-tours est nécessaire pour produire un champ magnétique de 1T.,

Force exercée par le champ magnétiquemodifier

la force exercée par un électroaimant sur une section de matériau de noyau est:

F = B 2 A 2 μ 0 ( 2 ) {\displaystyle F={\frac {b^{2}A}{2\mu _{0}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad\ qquad\qquad \ qquad \ displaystyle A} est la section transversale du noyau. L’équation de force peut être dérivée de l’énergie stockée dans un champ magnétique. L’énergie est la force fois la distance. Le réarrangement des termes donne l’équation ci-dessus.

le 1.,6 t limite sur le champ mentionné ci-dessus fixe une limite sur la force maximale Par unité de surface centrale, ou pression magnétique, un électro − aimant à noyau de fer peut exercer; en gros:

F A = B s a t 2 2 μ 0 ≈ 1000 k P a = 10 6 N / m 2 = 145 L b F i i n-2 {\displaystyle {\frac {F}{A}}={\frac {b_{sat}^{2}}{2\mu _{0}}}\env 1000\ \mathrm {kPa} =10^{6}\mathrm {n/m^{2}} =145\ \mathrm {lbf} \cdot \mathrm {in} ^{-2}\,}

dans des unités plus intuitives, il est utile de se rappeler qu’à 1 T la pression magnétique est d’environ 4 atmosphères, soit kg/cm2.,

étant donné une géométrie de noyau, le champ B nécessaire pour une force donnée peut être calculé à partir de (2); s’il sort à beaucoup plus de 1,6 T, un noyau plus grand doit être utilisé.

circuit magnétique Fermémodifier