Electromagnétisme : Les effets des champs magnétiques et leur ...

ELECTROMAGNÉTISME: LES EFFETS DES CHAMPS MAGNÉTIQUES ET LEUR UTILISATION DANS LES DOMAINES DE LA MICROTECHNIQUE

Pr. Yves Perriard Institut de Microtechnique (IMT) – EPFL - Neuchâtel

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL – IMT - NE

La nature

Un peu d’histoire …

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•  Pendant l’antiquité, deux phénomènes à distance étaient observables et suscitaient beaucoup d’intérêt de questions : – celui de l’attraction d’un petit morceau de

fer par la pierre d’aimant – celui de la paille attiré par un morceau

d’ambre frottée

Antiquité •  Ces phénomènes étaient-ils réellement

des observations d’action à distance ou bien y avait-il un vecteur invisible ? Dans tous les cas, ils étaient souvent confondus …

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Antiquité •  La pierre d’aimant qui attire les petits

morceaux de fer, est née grâce à la foudre qui en imposant un fort champ électrique à la surface de la Terre, a induit un champ magnétique permanent dans les pierres composées d’oxyde de fer.

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Antiquité •  Ainsi, la relation intime entre électricité

et magnétisme nous explique pourquoi on a trouvé des aimants permanents il y a longtemps.

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Magnétite ou « pierre d’aimant »

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Source : histoire de l’électromagnétisme, Julien Geandrot

Ethymologie •  Le mot électricité provient du mot

“elektron” qui signifie ambre en grec. On doit l’invention de ce mot à William Gilbert (16ème siècle) ;

•  Le mot magnétisme a été créé à partir de la région de Magnésie (nord de la Grèce). C’est là qu’à l’antiquité on a découvert la pierre qui avait la propriété d’attirer le fer

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Ethymologie •  Le mot aimant est apparenté au mot

diamant : cela viendrait de “adamas” en grec, qui signifierait inébranlable. On qualifiait les pierres extrêmement dures avec cet adjectif.

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Magnésie

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Source : wikipedia

Ambre

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Antiquité Thalès de Milet (vers 625-547 av. J.-C.) aurait été le premier à expérimenter l’attraction du fer par la pierre de Magnésie. Ensuite dans les écrits de Platon (vers 428-348 av. J.-C.), on note qu’un morceau de fer en contact avec un aimant se comporte lui-même comme un aimant. Démocrite un peu plus tard est peut-être le premier à essayer d’expliquer l’attraction du fer par l’aimant avec la théorie atomiste.

Cours U3a UNINE 2013 15

Antiquité Les grecs pendant l’antiquité, pensaient que tout ce qui pouvait créer du mouvement avait une âme. Pendant longtemps, peu de personnes mise à part celles citées s’aventurèrent dans des explications du phénomène magnétique. Ils connaissaient les propriétés de l’ambre frottée, ce serait Thalès de Milet qui le premier aurait décrit l’expérience.


Chinois On a retrouvé les premiers écrits chinois parlant du magnétisme datés de 240 av. J.C. : il est déjà noté la différence entre effet magnétique de la pierre d’aimant qui n’attire que le fer, et ambre frottée qui peut attirer les grains de moutarde.


Feng shui Les chinois avait découvert cette magnétite il y a longtemps, cette pierre, trouvée dans la région de Magnésie, s’orientait dans une direction particulière. Alors, croyant en un message des dieux, ils pensaient que cette direction était sacrée.


Feng shui, cuillère boussole



Boussole, traité Chinois de 1044 On imagine que dans un premier temps cette cuillère était utilisée pour prédire l’avenir, puis son utilisation par les navigateurs pour se diriger se généralisa. On fabriquait alors les boussoles en frottant une aiguille en fer contre une pierre d’aimant.


Les Olmèques Les recherches récentes sur l’histoire du magnétisme montreraient, par quelques découvertes, que les Olmèques, première civilisation précolombienne, auraient découvert et utiliser (boussole) le magnétisme 1000 ans avant les chinois. Mais on continue néanmoins à dire que les chinois ont été les précurseurs. William Gilbert, auteur du premier traité de physique, attribue d’ailleurs l’invention de la boussole aux asiatiques.


Premier scientifique •  Pierre de Maricourt, surnommé Pierre le

Pèlerin, (Petrus Peregrinus) est un savant du Moyen Âge.

•  exposa au 13ème siècle l’existence et la propriété (attraction-répulsion) des pôles magnétiques.

•  La dénomination des pôles provient de son observation de la direction Nord-sud prise par l’aimant


Premier traité de physique William Gilbert (1540-1603) qui publia après de nombreuses années d’expérimentation “De Magnete” ; probablement le premier vrai livre de physique. Il reprit les expériences de Maricourt, mais exploita aussi de nouvelles expériences. Gilbert faisait très peu appel aux mathématiques. Il n’accordait que peu de crédit aux formules ! Il n’a donc rien formuler mathématiquement …


Différence entre électricité et magnétisme vu par Gilbert

•  L’aimant n’attire que le fer alors que l’ambre peut attirer plusieurs corps légers (paille, papier, …) ;

•  L’ambre nécessite un frottement pour attirer, pas l’aimant ; •  Le magnétisme courant ne vient que d’un seul objet (la pierre

d’aimant ou magnétite) alors que d’autres corps frottés (ambre, verre, résines) peuvent aussi attirer de petits objets;

•  L’aimant peut agir à travers un écran de bois, pas l’ambre frotté;

•  L’humidité a une influence sur l’attraction de l’ambre, pas sur celle de l’aimant.


Machines diverses pour électriser Pour « rendre électrique » c’est à dire à mieux frotter les objets, quelques scientifiques à partir du 17ème fabriquèrent des machines à frotter : le premier fut Otto von Guericke (1602-1686) en 1672. Puis à Leyde Petrus van Musschenbroek (1692-1761) invente le condensateur grâce à une bouteille d’eau


La machine à frotter



Le premier condensateur



Expériences amusantes! Grâce à ces nouveaux dispositifs, les effets des e x p é r i e n c e s d ’ é l e c t r i c i t é d e v i e n n e n t spectaculaires, la science ne progresse pas beaucoup mais les expériences se multiplient pour épater la galerie :

–  on électrise le corps d’un homme que l’on suspend à des cordes de soie et qui est capable d’attirer des petits bouts de papier avec ses doigts ;

–  on transmet des décharges électriques à travers de longues chaînes humaines …


Invention du paratonnerre •  Benjamin Franklin (1706-1790) a laissé sa

trace dans l’histoire avec l’invention du paratonnerre mais aussi avec l’invention des termes conducteur, charge électrique, électricité positive et négative.

•  Il postule que l’électricité est un fluide qui imprègne tous les corps, le frottement ne fait passer ce fluide que d’un corps vers un autre.


Benjamin Franklin (1706-1790)



Les bases de l’électrostatique En dehors de ces débats sur les théories fluidiques, les bases de l’électrostatique sont justement posées par Coulomb : •  Rappelons que la loi de Coulomb (1785)

exprime mathématiquement la force qui s’exercent entre deux particules chargées et qui varie comme l’inverse de la distance entre les charges au carré. Cette loi est établie grâce à une balance de torsion construite par Coulomb lui-même.


Invention de la Pile Volta en 1800 eut l’idée de séparer des disques de deux métaux différents par des disques cartonnés imbibés pour créer la première pile électrique. « Lorsqu’un expérimentateur touche les deux extrémités de la pile, il reçoit une légère commotion du fait du courant de fluide électrique qui traverse et envahit le corps. »


Naissance de l’électromagnétisme •  C’est un professeur de physique danois, Hans

Christian Oersted (1777-1851), qui commença la véritable histoire de l’électromagnétisme avec sa célèbre expérience de 1820 : il montra qu’un courant circulant dans un fil crée un champ magnétique perpendiculaire au fil.

•  En effet, faisant des expériences sur le pouvoir calorifique du courant, il brancha une pile de Volta aux deux bornes d’un fil et observa la déviation d’une aiguille aimantée située à proximité. L’interversion des deux pôles de la pile fait dévier l’aiguille dans l’autre sens.


Expérience d’Oersted


Source : Wikipedia

Contribution d’Ampère Andre-Marie Ampère (1775-1836) fut un adepte du double fluide, il conserva l’appellation d’électricité positive et négative et affirma que les deux électricités sont produites par la pile. Il posa la première convention de sens du courant électrique : en disant que si on connaît le sens de transport d’un des fluides, on connaît forcément l’autre. Par convention, c’est le fluide positif qui sera choisi. Cette théorie des deux fluides s’impose alors, surtout en Europe continentale. Mais il est difficile d’expliquer comment les deux fluides se croisent sans se neutraliser.


Règle •  Ampère propose le « bonhomme

Ampère » •  John Clerk Maxwell (1831-1879),

considéré comme le père de l’électromagnétisme, invente la règle du tire-bouchon !

•  On invente alors le concept du courant électrique


Invention non reconnue … Ampère interprète le phénomène du magnétisme par la théorie du courant moléculaire, selon laquelle d'innombrables p a r t i c u l e s m i n u s c u l e s , c h a r g é e s électriquement, seraient en mouvement dans le conducteur. Cet te théor ie es t re je tée par les scientifiques de l'époque et ne parvient à s'imposer que soixante ans plus tard avec la découverte des électrons.


Loi d’Ampère •  La loi d'Ampère la plus connue est celle de

l'électrodynamique. Elle décrit les forces que deux conducteurs parallèles parcourus par des courants électriques exercent l'un sur l'autre.

•  Il décrit également la relation qui existe entre la force du courant et celle du champ magnétique c o r r e s p o n d a n t . C e s t r a v a u x f o n d e n t l'électrodynamique et influencent considérablement la physique du XIXe siècle.

•  La loi d’Ampère définit le Newton comme grandeur de mesure de la force.


Premier moteur, Barlow 1822



Michael Faraday (1791-1867) Michael Faraday qui n’était pas physicien mais relieur (il lisait les livres scientifiques qu’il devait relier), ne rata pas la découverte de l’induction électromagnétique en 1831 : si le flux du champ magnétique à travers une bobine de fil varie, un courant électrique induit apparaît dans cette bobine. C’est cette découverte qui donnera naissance à l’alternateur, au moteur électrique, au transformateur, à la plaque à induction … Cependant, Faraday ne formalisera pas mathématiquement cette découverte


Le télégraphe •  Ampère a théorisé le télégraphe

électrique, mais ne la pas conçu. On doit la construct ion du premier télégraphe électrique à Wheatstone en 1838, ce lu i -c i re l ia Londres à Birmingham.

•  Le télégraphe le plus célèbre est celui de Samuel Morse et son code associé : un brevet lui est accordé en 1840 pour cette invention.


Enfin Maxwell vint !!! (1864)

•  Reformula la loi d'Ampère •  Prédit la propagation de perturbations électriques dans

les milieux diélectriques •  Calcula la vitesse de perturbations électriques (lumière) •  Découvrit qu'électromagnétisme et lumière sont de

même nature •  Prédit théoriquement l'existence des ondes

électromagnétiques

Phénomènes électriques et magnétiques intimement liés

Enfin Maxwell vint !!! (1864)James Clerk Maxwell (1831-1879)

150 après, que reste-t-il ?

•  20 équations unifiées, regroupant toutes les lois électriques et magnétiques

•  C'est la seconde réunification (1ère : méca-nique terrestre et céleste de Newton)

Il laisse :

Avec les opérateurs vectoriels : Avec les opérateurs vectoriels :

Les équations de Maxwell

εµ

Les courants électriques variant dans l’espace et dans le temps

et agissant au sein d’un milieu spécifique créent

des champs électromagnétiques

∇×∇× −

+==

( / )t∂ ∂( / )t∂ ∂

H !

E !

H ! E !

J !

Les courants électriques variant dans l’espace et dans le temps

et agissant au sein d’un milieu spécifique créent

des champs électromagnétiques

rot H = J rot E = - ∂B/∂ t div B = 0 div D = ρ

Les équations de Maxwell

Les équations de MAXWELL

∇×!H =!J ??∇×!H =!J +ε ∂

!E / ∂t !!

∇×!H = ε ∂

!E / ∂t ??

James Clerk et Katherine M axwell,

1869

De Maxwell (1865) à Hertz (1888), puis Einstein

Maxwell n’a pas eu de chance

vraiment

Maxwell qualité filtre…

Grâce à Mawell :

•  On peut formuler la conversion Electro-mécanique

•  Cette conversion définit le passage de l’énergie électrique en énergie mécanique (ou inversement) en passant par l’énergie magnétique !

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Cours U3a UNINE 2013

Tension induite

Maxwell : une variation de flux magnétique crée une tension induite

N S

N S

Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques

N S

N

S

δ


N

S

N

S


N S

N S

Βs

Βr

N S

S

N

N

S

S N


N S

N

S

δ

δ

N

N

S N S

S

S

N

Βs

Βr


N

S

N

S

N

N

S N

S

S

S N

Βs

Βr


Champ pulsant résultant de l’alimentation d’une spire diamétrale par un courant alternatif

Champs pulsants par un système de courants alternatifs triphasés symétriques

Champ tournant résultant de la somme vectorielle des trois champs pulsants

Pour plusieurs paires de pôles

Utilisation de ces effets dans les domaines de la

microtechnique

Quelques exemples

Moteur Lavet utiliser dans une montre

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Rendement du moteur environ 15%

Source : Swatch Group


MEMs hybride

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Moteur 3 phases Processus batch


Innovations dans la montre

1861: Charles-Edouard Guillaume à Fleurier •  Inventeur de l’Invar (alliage à faible coef. De dilatation) •  Prix Nobel de physique en 1920

2009: Technologie MEMS pour le ressort spiral (Prof. N. de Rooij) 2010: Oscillateur magnétique pour le ressort spiral (Prof Y. Perriard)

66 Cours U3a UNINE 2013

Un nouvel oscillateur magnétique pour Tag Heuer


TAG HEUER PENDULUM CONCEPT

2010 : TAG HEUER PENDULUM NO MORE HAIRSPRING (6 Hz / 43’200 BEATS PER HOUR)

Source : Tag Heuer SA


TAG HEUER PENDULUM CONCEPT


Exemple du Cœur artificiel •  Grâce aux aimants, on peut

miniaturiser •  La conversion électromécanique

remplace la fonction cardiaque


Pionnier dans son domaine Willem J Kolff


Fonctionnement


Le ventricule Novacor

Moteur à aimant


Matériaux magnétiques liquides !

*Sachiko Kodama, Yasushi Miyajima, "Morpho Towers”, ferrofluid


Merci pour votre attention !


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