Karamö, le prof virtuelLeçon 15 sur 17
L'électroaimant et ses applications
Je sais décrire un électroaimant, expliquer pourquoi son noyau est en fer doux, et expliquer le fonctionnement d'appareils qui l'utilisent comme la sonnette électrique ou la grue de ferraille.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire la constitution d'un électroaimant (bobine et noyau de fer doux)
- Expliquer ses propriétés : aimant temporaire, commandable et réglable
- Justifier le choix du fer doux pour le noyau
- Expliquer le fonctionnement d'applications : grue électromagnétique, sonnette, relais, gâche électrique
Avant de commencer : Les aimants (fer doux et acier), les bobines et l'analogie entre un aimant et une bobine.
1Je découvre
Au port de Conakry, Alpha regarde une grue décharger un bateau de ferraille. Au bout du câble, pas de crochet : seulement un gros disque métallique. Le disque descend sur le tas de ferraille, et d'un coup, des dizaines de barres de fer s'y collent. La grue pivote au-dessus d'un camion… et soudain, toute la ferraille tombe dans la benne, comme si on l'avait lâchée.
Le soir, à la maison, Alpha appuie sur le bouton de la sonnette électrique de son oncle : on entend un « drrring » continu tant qu'il garde le doigt sur le bouton.
La grue et la sonnette cachent le même secret. Un aimant ordinaire ne pourrait pas lâcher la ferraille tout seul, ni frapper un timbre des dizaines de fois par seconde. Qu'est-ce qu'un électroaimant, et comment l'utilise-t-on ?
2Je comprends
1. Constitution d'un électroaimant
Un électroaimant est formé :
- d'une bobine (fil de cuivre isolé enroulé en de nombreuses spires) ;
- d'un noyau de fer doux placé à l'intérieur de la bobine.
Quand un courant traverse la bobine, celle-ci crée un champ magnétique ; le noyau de fer doux s'aimante à son tour et renforce fortement ce champ. L'ensemble devient un aimant puissant.
Il existe des électroaimants droits (un seul noyau) et des électroaimants en U (noyau en forme de fer à cheval, avec une bobine sur chaque branche), plus puissants car leurs deux pôles agissent ensemble sur l'objet attiré.
2. Les propriétés de l'électroaimant
a) C'est un aimant temporaire. Il n'est aimanté que tant que le courant passe. Dès qu'on coupe le courant, il perd presque toute son aimantation et lâche les objets en fer.
b) Ses pôles dépendent du sens du courant. Comme pour toute bobine, inverser le courant inverse ses pôles nord et sud.
c) Sa force est réglable. L'attraction est plus forte quand :
- l'intensité du courant augmente ;
- le nombre de spires augmente ;
- le noyau est plus gros et bien en fer doux ;
- l'objet attiré est plus proche des pôles.
- toujours aimanté
- pôles fixes
- force fixe
- ne peut pas lâcher seul un objet
- aimanté seulement quand le courant passe
- pôles inversés si on inverse le courant
- force réglable par l'intensité et le nombre de spires
- lâche l'objet quand on coupe le courant
3. Pourquoi un noyau en fer doux ?
Tu as vu dans la leçon sur les aimants que :
- le fer doux s'aimante facilement et perd son aimantation dès que la cause disparaît ;
- l'acier garde son aimantation.
Si le noyau était en acier, il resterait aimanté après la coupure du courant : la grue ne pourrait pas lâcher la ferraille, et la sonnette resterait bloquée. Le fer doux est donc choisi parce qu'il s'aimante fortement quand le courant passe et se désaimante presque entièrement quand le courant est coupé.
Exemple
Sékou fabrique un électroaimant avec un gros clou en fer enroulé de 80 spires de fil isolé, relié à une pile plate. Le clou soulève 12 trombones. Il coupe le courant : les trombones tombent, sauf un qui reste collé quelques secondes. Explique.
Quand le courant passe, la bobine aimante le clou, qui attire les trombones.
Quand le courant est coupé, le clou perd son aimantation : les trombones tombent.
Le trombone qui reste un instant montre que le clou garde une très faible aimantation : ce clou n'est pas en fer doux parfaitement pur. Plus le fer est « doux », plus il lâche vite.
4. Application 1 : la grue électromagnétique
La grue des ports, des usines de recyclage et des ferrailleurs porte un gros électroaimant en forme de disque :
- le grutier ferme le circuit : l'électroaimant attire la ferraille ;
- la grue la transporte ;
- le grutier ouvre le circuit : l'électroaimant n'attire plus, la ferraille tombe où il faut.
Elle permet aussi de trier : seuls le fer et l'acier sont soulevés, pas l'aluminium ni le cuivre.
Sécurité : en cas de coupure d'électricité, la charge tombe. On interdit donc de passer sous une grue électromagnétique.
5. Application 2 : la sonnette électrique
La sonnette électrique classique comprend un électroaimant, une lame souple en fer (la palette) portant un marteau, un timbre (la cloche) et une vis de contact qui touche la lame au repos.
- On appuie sur le bouton : le courant passe dans l'électroaimant à travers la lame et la vis de contact.
- L'électroaimant attire la lame de fer : le marteau frappe le timbre.
- En se déplaçant, la lame s'éloigne de la vis : le circuit est coupé.
- Sans courant, l'électroaimant n'attire plus : la lame, souple, revient en arrière.
- La lame touche de nouveau la vis : le courant repasse, et tout recommence.
Ce cycle se répète très vite : on entend un son continu. On appelle ce système un trembleur (ou interrupteur automatique).
6. Autres applications
- Le relais : un petit courant dans un électroaimant attire une lame qui ferme un autre circuit, parcouru par un fort courant. Il permet de commander sans danger un moteur puissant ou une pompe avec un petit interrupteur.
- La gâche électrique des portails et portes d'immeuble : on appuie sur un bouton de l'interphone, un électroaimant libère le pêne et la porte s'ouvre.
- Le disjoncteur : si l'intensité devient trop forte (court-circuit), l'électroaimant qu'il contient devient assez puissant pour attirer une pièce qui ouvre le circuit et protège la maison.
- Le haut-parleur, les moteurs électriques et le séparateur magnétique des usines de tri utilisent aussi des bobines associées à des aimants ou à du fer.
Méthode
Pour expliquer le fonctionnement d'un appareil à électroaimant :
- Je repère l'électroaimant (bobine + noyau de fer doux) et la pièce en fer qu'il attire.
- Je décris ce qui se passe quand le courant passe : l'électroaimant attire la pièce.
- Je décris ce qui se passe quand le courant est coupé : la pièce est libérée (ressort ou lame souple qui la ramène).
- Je conclus sur le rôle de l'appareil (soulever, frapper, ouvrir, couper un circuit).
3Je retiens
Je retiens
Un électroaimant est une bobine avec un noyau de fer doux.
Il est aimanté seulement quand le courant passe : c'est un aimant temporaire, qu'on peut commander.
Ses pôles s'inversent si on inverse le courant ; sa force augmente avec l'intensité et le nombre de spires.
Le noyau est en fer doux parce qu'il se désaimante quand on coupe le courant (l'acier resterait aimanté).
Applications : grue de ferraille, sonnette électrique (trembleur), relais, gâche électrique, disjoncteur, haut-parleur.
Sonnette : l'attraction de la lame coupe elle-même le courant, d'où un mouvement de va-et-vient rapide.
4Erreurs fréquentes
- Croire que le noyau d'un électroaimant doit être en acier : il resterait aimanté et l'appareil ne pourrait pas lâcher l'objet.
- Oublier que l'électroaimant n'agit que si le circuit est fermé.
- Dire que l'électroaimant attire tous les métaux : comme un aimant, il n'attire que le fer, l'acier, le nickel et le cobalt.
- Mal expliquer la sonnette : c'est le déplacement de la lame qui ouvre le contact et coupe le courant, pas le bouton.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Complète.
a) Un électroaimant est formé d'une ……… et d'un noyau de ……… .
b) Quand on coupe le courant, l'électroaimant ……… les objets en fer.
c) Pour rendre un électroaimant plus puissant, on peut augmenter ……… ou ……… .
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Un électroaimant est formé d'une bobine et d'un noyau de fer doux.
b) Quand on coupe le courant, l'électroaimant lâche les objets en fer.
c) On peut augmenter l'intensité du courant ou le nombre de spires (ou utiliser un électroaimant en U).
2Exercice 2
Explique pourquoi on n'utilise pas un noyau en acier dans la grue électromagnétique du port.
Voir le corrigéCacher le corrigé
L'acier garde son aimantation après la coupure du courant. Avec un noyau en acier, l'électroaimant resterait aimanté et la ferraille resterait collée : la grue ne pourrait pas la déposer dans le camion. Le fer doux, lui, se désaimante dès qu'on coupe le courant.
3Exercice 3
Remets dans l'ordre les étapes du fonctionnement de la sonnette électrique.
A. La lame s'éloigne de la vis de contact : le courant est coupé.
B. On appuie sur le bouton : le courant passe dans l'électroaimant.
C. La lame revient et touche la vis : le courant passe de nouveau.
D. L'électroaimant attire la lame : le marteau frappe le timbre.
E. L'électroaimant n'attire plus la lame.
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Ordre : B – D – A – E – C, puis le cycle recommence tant qu'on appuie sur le bouton.
4Exercice 4
Kadiatou fabrique un électroaimant avec un clou, du fil isolé et une pile. Il soulève 5 trombones.
a) Propose deux modifications pour soulever davantage de trombones.
b) Elle inverse les bornes de la pile. Soulève-t-elle toujours les trombones ? Qu'est-ce qui change ?
c) Elle débranche la pile. Que se passe-t-il ? Pourquoi ?
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a) Augmenter le nombre de spires ; utiliser une pile de tension plus grande pour augmenter l'intensité (ou un clou plus gros en fer doux).
b) Oui, elle soulève toujours les trombones : un électroaimant attire le fer quel que soit le sens du courant. Ce qui change, c'est la position des pôles : le pôle nord et le pôle sud sont inversés.
c) Les trombones tombent : sans courant, la bobine ne crée plus de champ magnétique et le noyau de fer se désaimante.
5Exercice 5
(Analyse d'un appareil) Dans un immeuble, on ouvre la porte d'entrée en appuyant sur un bouton de l'interphone, depuis l'appartement. Le pêne de la serrure est retenu par une petite pièce en fer, maintenue par un ressort.
a) Quel dispositif, placé dans la serrure, permet d'ouvrir la porte à distance ?
b) Explique ce qui se passe quand on appuie sur le bouton, puis quand on le relâche.
c) Que se passe-t-il pendant une coupure d'électricité ?
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a) Un électroaimant placé dans la serrure (c'est la gâche électrique).
b) Quand on appuie sur le bouton, le courant passe dans l'électroaimant : il attire la pièce en fer, qui libère le pêne ; on peut pousser la porte. Quand on relâche le bouton, le courant est coupé, l'électroaimant n'attire plus et le ressort remet la pièce en place : la porte se verrouille de nouveau en se refermant.
c) Pendant une coupure d'électricité, l'électroaimant ne peut plus fonctionner : on ne peut pas ouvrir la porte à distance ; il faut l'ouvrir avec une clé.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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Leçon ajoutée par Kharandi pour compléter le programme de la classe.
