Eld3-1 - Électroaimant
Fonction
Produire un champ magnétique intense dans un entrefer réglable.
Description
Figure 1 : l’électroaimant de Faraday
Deux bobines M et N (figure 1) sont montées chacune sur un noyau de fer doux, fixé sur une équerre massive en fer doux qui peut glisser sur la partie horizontale, d'un support de même métal formant avec les équerres un circuit magnétique comportant l'entrefer O. Par glissement de l'une ou de l'autre équerre, on règle l'écartement des pièces polaires et, par suite, l'intensité du champ magnétique dans l'entrefer. Un support C (figure 2) muni d'un crochet auquel on peut suspendre divers corps tels que bâton de bismuth (diamagnétique), petit tube contenant un sel ferrique (paramagnétique), un cube de cuivre dont on montre l'amortissement des oscillations par courants de Foucault (cas de la figure 2).
Figure 2 : l'entrefer de l'électroaimant
Bien d'autres expériences nécessitant un champ magnétique intense peuvent être faites : par exemple on peut placer dans l'entrefer l'une des branches d'un tube en U contenant soit une solution de sel ferrique, soit de l'eau pure et de telle sorte que la surface libre soit un peu en dessous de l'axe des pièces polaires. On projette sur un écran l'image de la surface libre du liquide de cette branche : lorsqu'on établit le courant à l'aide de l'interrupteur on voit le niveau monter dans le tube dans le premier cas (sel ferrique paramagnétique) on le voit baisser dans le second cas (eau dia-magnétique). Ce sont de telles expériences que dut faire Michaël Faraday en 1845 quand il découvrit l'existence du diamagnétisme. Un trou percé dans les pièces polaires et selon leur axe lui permit également, la même année, de découvrir la polarisation rotatoire magnétique (cas de la figure 1).
Théorie : Le flux à travers une section du circuit magnétique de section S se maintient constant tout le long de ce circuit. Il est relié au nombre d'ampères-tours, E = NI produit du nombre N de spires par l'intensité I, par la relation Φ = E / R où R est appelé "réluctance" du circuit. Il convient donc de diminuer R qui, pour une portion homogène et cylindrique de circuit de longueur et de section S est approximativement donnée par :
Il faut réaliser des circuits magnétiques courts (diminuer 𝓁) et massifs (augmenter S) ; μ est la perméabilité du fer qui constitue la portion du circuit. μ peut être de l'ordre de 1000, mais décroît rapidement lorsque le champ dans le fer est intense. À saturation μ vaut 1 comme pour l'air, alors, mettre du fer dans une bobine ne sert plus à rien.
Histoire
De cet électroaimant
Citons le tome 1 de Jamin (page 374), publié en 1870 : « Faraday a étendu la liste des corps magnétiques en opérant avec l'appareil suivant que construit M. Ruhmkorff (fig. 1) ». Or cette figure, que l'on peut voir dans cette notice représente fort bien notre électroaimant : on peut légitimement penser que celui-ci sort des ateliers de M. Ruhmkorff.
Des électroaimants en général
Il convient de distinguer trois sortes d'électroaimant :
1. les petits électroaimants qui attirent une armature et employés dans les sonneries, relais...
2. les électroaimants « porteurs »
3. les électroaimants destinés à produire des champs magnétiques intenses (notre appareil appartient à cette dernière catégorie).
Wheatstone (1802-1875) est peut-être l'inventeur de l'électroaimant du premier type, sinon il en fut un grand utilisateur.
Pour ce qui concerne les électroaimants de la deuxième catégorie, on peut dire que Claude Pouillet (1790-1868) a construit un électroaimant porteur puissant en 1831 ; on lui doit aussi la redécouverte de la loi d'Ohm, la boussole des tangentes (voir notice Eld2-4), une mesure (la première ?) de la constante solaire, des études sur la compressibilité des gaz.
L'étude des électroaimants de la troisième catégorie a été le fait de nombreux physiciens. Ganot (1862) cite Lentz, Jacobi, Müller, Dub, Niklès....mais il faut dire que les phénomènes mis en jeu ne sont bien compris que depuis Weiss, Langevin, Néel, Landau...
Les règles de construction des électroaimants ont été établies par Aimé Cotton et Pierre Weiss. Elles permirent la construction du gros électroaimant de l'Académie des Sciences à Bellevue en 1928. On obtenait 70 000 Gauss dans un entrefer cylindrique de 4 cm de diamètre et de 2 mm d'épaisseur, (46 400 Gauss pour une épaisseur de 4 cm) ; la puissance consommée était de 93 kW. Le circuit magnétique pesait 80 tonnes, les conducteurs creux (pour le refroidissement par courant d'eau) pesaient 10 tonnes. Cet électroaimant faisait 2m de hauteur et 4,5 m de longueur. On a fait mieux depuis avec les aimants supraconducteurs !
Pierre Weiss (1865-1940) fit la théorie du ferromagnétisme en 1907 par extension de la théorie de Langevin pour le paramagnétisme. Ses travaux ont été poursuivis par Louis Néel (1904-2000), prix Nobel, qui découvrit l'antiferromagnétisme, le ferrimagnétisme et qui sut développer à Grenoble un important centre de recherches sur le magnétisme.
Aimé Cotton (1869-1915) fit, en 1896, une thèse sur le dichroïsme circulaire, il étudia avec Henri Mouton la biréfringence des liquides dans un champ magnétique intense ; il mit au point l’ultra-microscope ; avec Pierre Weiss, il étudia l’effet Zeeman ; il édicta les règles de construction des électroaimants. Il fut aussi l'inventeur de la « balance de Cotton » pour la mesure du champ magnétique dans un entrefer.