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Toute bobine alimentée par un courant continu crée deux pôles magnétiques opposés de signes   +   et  -   Le signe de ses pôles (polarités) dépend du sens du courant électrique dans la bobine.

Toute bobine alimentée par un courant alternatif crée deux pôles magnétiques opposés qui changent de polarité en concordance avec le sens du courant.   +   et  -    puis   -   et  +    puis à nouveau  +   et  -   et ainsi de suite. Avec le courant domestique 220 volts (227 nominal), les polarités changent 50 fois par seconde.

Cette bobine parcourue par un courant électrique crée un champ électrique intense qui lui fera "avaler" dans son trou la tige de fer, présentée ici totalement extraite pour la clarté de l'explication. Le pôle N (nord) de la bobine correspond au sens du flux magnétique, ici dirigé selon la flèche blanche, et créé par le courant électrique circulant dans le sens de la sens flèche rouge. L'ensemble des mouvements rotation et translation, correspond à la progression d'un tire-bouchon. Ce pôle N (nord) induit un pôle S (sud, en blanc) sur la tige de fer proche,  et ces deux là s'attirent. Note : le fer doux ne conserve pas l'aimantation. Un ressort ramène la tige en arrière dès la coupure du courant électrique (ici, du 24 volts).

Champs produits par les bobines. Les facteurs qui influent : tout d'abord, le nombre de spires (tours de fil de cuivre), puis l'intensité du courant qui circule dans les spires. viennent ensuite diamètre et longueur de la bobine avec la considération suivante : on ne tient compte que de la longueur pour une bobine longue (dix fois son rayon par exemple), et on tient compte que du diamètre pour une bobine courte ! (pas toujours évident). Enfin,un coefficient est appliqué. Il n'y a pas de pôles magnétiques dans un circuit magnétique fermé, mais un champ orienté continu qui peut être utilisé au centre (voir plus bas, transformateurs) Note. hibis s'attache surtout aux phénomènes physiques et à leurs réalités matérielles :  pour les formules, calculs précis et cas complexes, je conseille de rechercher sur Internet les travaux et démonstrations mathématiques publiés à ce sujet (taper "induction", "champs électromagnétiques", etc).

Notions sur les pôles et circuits magnétique. Un pôle magnétique est l'extrémité d'une bobine avec ou sans noyau. Il y en a souvent un, ou plusieurs (de même polarité), avec une armature métallique. Ce noyau peut être en fer, alliages de métaux, ou poudres équivalentes comprimées plus performantes (flux produit considérablement augmenté (permalloy, ferrites..).

Noyau et circuit magnétique: photo ci-contre, contacteur avec sa bobine jaune-orangé, (derrière le mot bobine). On voit 'extrémité du noyau en fer rond qui dépasse un peu (flèche). Le courant électrique crée un flux magnétique qui se concentre dans le noyau de la bobine, puis dans l'armature métallique qui l'entoure, car l'autre extrémité du noyau est soudée dessus.
Si l'extrémité visible du noyau est un pôle + , sa base est un pôle - , polarité que l'on retrouve donc sur la carcasse ouverte qui entoure le pôle +
Dès lors, le flux magnétique, qui ne demande avidement qu'à se refermer sur lui-même (en boucle), va attirer la plaque articulée (armature mobile), dont l'épaisseur est soulignée de jaune. Une fois le circuit magnétique refermé, les deux traits jaunes ne font plus qu'un.
Lorsque le courant est coupé, l'armature métallique de ce contacteur ne doit pas laisser persister le magnétisme (sa "rémanence" doit être très faible).

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ENTREFER. C'est l'espace d'air laissé entre les deux pôles opposés d'un circuit magnétique ouvert. Il est généralement limité au minimum pour éviter les pertes magnétiques, et pour préserver l'action forte du magnétisme qui ne s'exerce qu'à courte distance. voir "magnétisme"
Un circuit magnétique peut être constitué de fer ou, c'est très tendance, de poudres comprimées bien plus "perméables" qui augmentent considérablement le flux (permalloy, ferrites..). A l'inverse, d'autres métaux ou poudres comprimées doivent conserver le magnétisme (aimants permanents). voir "magnétisme"

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Le contacteur est utilisé pour établir un courant électrique à distance, au plus près de l'utilisation; par exemple pour démarrer un moteur ou allumer des lampes..). Plus généralement, son intérêt est d'établir un puissant circuit électrique à partir d'un petit bouton et de fils électriques fins : c'est une télécommande filaire. Le puissant démarreur d'un moteur de voiture - qui peut faire avancer la voiture - est alimenté par l'intermédiaire d'un contacteur "relais", situé près du démarreur. Ce relais est relié à la clé de contact par des fils électriques fins. Si non, les gros fils entre batterie et démarreur devraient passer par la clé de contact, munie d'un gros contact, ce qui est bien plus encombrant, compliqué et coùteux.

Electro-aimants. La force de l'électro-aimant dépend de l'intensité du courant, de l'importance de la bobine, et de la capacité du noyau à concentrer les lignes de force magnétiques. L'importance de la bobine est liée à son nombre de tours de fils (nombre de spires) et à l'intensité du courant qui peut la parcourir. Ces conditions ont naturellement un impact sur la taille puisque, pour faire passer un courant important; il faut accroître le diamètre des fils de cuivre.

Le transformateur de courant électrique est basiquement constitué d'un anneau métallique fermé (appelé tore), autour duquel ont enroule deux types de fils : l'un très long et fin, l'autre relativement court et gros : le circuit long et fin - dénommé primaire - est relié à la tension à réduire (exemple 230 volts). Le flux magnétique produit circule dans le tore et induit un courant dans le deuxième circuit appelé secondaire (exemple 12 volts).

Le transformateur à tore (anneau) est le meilleur parce qu'il réduit les pertes de flux (qui n'aiment pas les angles..). Mais il est coûteux à produire et son usage pour les tours d'alimentation, est réservé aux amplificateurs HI FI de qualité supérieure (moins de pertes magnétiques, moins de bruits parasites). Les transformateurs courants sont tous du type "anguleux"
Si le transformateur était parfait, il n'y aurait pas de perte de puissance entre le primaire (fil long et fin) et le secondaire (fil court et gros), ce qui signifie que le rapport des nombres de tours primaire/secondaire serait applicable aux tension et intensités respectives dans le rapport de 12 à 220, soit un peu moins de 20. Danc ce cas de perfection, si le primaire consomme 1 Ampère sous 230 volts, on pourrait débiter un peu moins de 20 Ampère sous 12 volts au secondaire.
En fait il y a des pertes de flux magnétique, des pertes par échauffement, des courants induits parasites (*) de sorte que le rendement peut tomber à 90 ou 80 %.
(*) dès qu'un flux magnétique circule, il induit un courant dans toute masse perméable au magnétisme, dont la carcasse métallique qui est là pour canaliser et renforcer le flux !  on lutte contre ce travers en "feuilletant" les masses métalliques, ce qui coupe le circuit des courants indésirables. A droite, photo d'un transformateur d'alimentation qui délivre des tension allant de 3 à 12 volts à partir du 230 volts. Le 220 volts - les deux fils rouges à droite du transfo - circule dans une bobine "primaire" qui traverse la masse feuilletée du circuit magnétique 'en gris). Une autre bobine au fil plus gros et avec moins de spires produit, avec différentes sorties, des tensions alternatives inférieures (3 à 12 volts). Ces tensions alternatives "basses" sont ensuite "redressés" par un groupe de 4 diodes, puis filtrées et régulées pour fournir de 3 à 12 volts de courant continu. Les transformateurs, dits aussi "adaptateurs", des réveils, radios, chargeurs en tous genres, etc. sont très semblables en plus simple (un peu plus plus petits, une seule tension secondaire, pas de régulation). Inutile de les présenter, tout le monde en possède.

Les exemples qui suivent peuvent être purement pédagogiques, car toute cette mécanique peut avoir disparu ou est en passe de l'être. Seul l'historique disque dur de PC, présenté ici fait de la résistance !!

Aimant et champ électromagnétique en électronique.
 Photo ci-contre, bras de tête de lecture de disque dur de PC pivotant autour d'un axe (fin trait vertical rouge), qui lui permet de balayer la surface du disque dur du bord vers le centre. Ce bras, qui pivote autour d'un axe (trait rouge), comporte une bobine plate trapézoïdale (fil vert), laquelle assure un positionnement ultra précis grâce à l'action combinée de deux aimants en arc de cercle entre lesquels elle peut osciller. Note: j'ai mis un adhésif rouge dessus. L'ensemble est très, très rigide car la précision de placement du stylet est extrême : un tel disque peut comporter 2400 milliards de points magnétiques élémentaires, et bien plus encore ! on fait actuellement (2011) trois ou quatre fois plus, on parle alors de un tera-octets soit 1000 giga). Cette magnétisation des points et leur lecture s'effectue par l'intermédiaire de minuscules pôles magnétiques situés à la point du stylet, avec bobines et fils d'alimentation. C'est une partie très vulnérable du disque dur; quand tout le reste est si rigide. Le disque dur lui, tourne au maximum à la vitesse de 7200 tours minute, mû par un petit moteur.

Disque. Le disque est totalement insensible à l'aimantation, mais il comporte de microscopiques zones magnétiques "implantées" très régulièrement sur toute sa surface. Les micro-points aimantables/désaimantables sont actuellement disposés nord/sud à l'horizontale, mais on songe à les mettre en position verticale, cest à dire dans l'épaisseur du disque pour gagner de la place.

Générateurs d'électricité électromagnétiques Comme les piles et batteries, les alternateurs et dynamos sont des générateurs d'électricité. Leur taille varie énormément. Du record miniature qui passe dans le chas d'une aiguille à coudre (et qui fonctionne !) à ceux des barrages électriques, le principe demeure le même,  et il n'y a guère  plus simple : En approchant une aiguille aimanté près d'un fil parcouru par un courant, et la voyant tourner, le physicien œrsted a découvert que ce courant électrique créait un champ magnétique. Application pratique ; on peut mesurer l'intensité qui passe dans un fil électrique 220 volts alternatif à l'aide d'une  pince en forme de deux demi bobines que l'on serre autour autour du fil. Le champ du fil induit un courant dans la bobine que l'on mesure ensuite. A l'inverse, il suffit de passer l'extrémité d'un aimant devant un fil conducteur d'électricité pour y créer une tension (voltage), donc un courant si l'on relie les extrémités du conducteur à un appareil utilisateur (récepteur) : le plus sensible est un appareil de mesure ou une diode lumineuse. Pas la peine d'essayer de faire tourner ainsi un outil électrique ou un appareil ménager  !!  la puissance obtenue est bien trop faible. Mais elle existe. Pour voir un éclat de lumière avec une diode, il faudra tout de même disposer d'un aimant puissant,  assez courant de nos jours : punaises magnétiques, fermetures de rabats divers (porte-monnaie, sacs à main etc.) et d'unebobine de fil (facile à réaliser si l'on dispose d'une grande longueur de fil de cuivre fin isolé).

Note. sur la génération de courant par une centrale nucléaire : elle ne produit pas directement de l'électricité, ce serait trop beau, mais de la chaleur. C'est donc de la vapeur qui alimente ensuite turbines et alternateurs classiques. les dynamos de nos vélos sont des alternateurs!  hélas de piètre qualité. Un rotor aimanté est actionné par la roulette crantée qui frotte contre le pneu. Ce rotor comprend ici un ensemble de 8 aimants répartis tout autour dont les flux magnétiques "balaient" les fils de la bobine de l'induit, aussi appelé stator par opposition au rotor. Il en résulte la création d'un courant dans cet induit. En réalité, la bobine de l'induit est placée dans une pièce métallique qui  forme également 8 "pôles magnétiques", de sorte que le flux magnétique tournant reçu par l'induit soit plus fort. En effet, une bobine dans l'air ne concentre pas un flux magnétique qui la traverse, alors qu'une masse métallique ou mieux une ferrite, composée de poudre agglomérée très perméable au magnétisme, concentre fortement ce flux. Il y a de ces ferrites aux extrémités des câbles d'alimentation ou de raccordement d'appareils électroniques (PC, lecteurs etc.), afin de protéger les tours contre des courants électriques indésirables qui perturberaient la liaison établie. On voit nettement un fort renflement cylindrique près des connecteurs). Les dynamos et alternateurs exigent un effort mécanique un peu supérieur à la puissance électrique qu'ils délivrent (en raison des pertes dues au frottement et échauffement). Ils sont les seuls à pouvoir produire les très fortes puissances.

GIGANTISME

Les plus GROS électroaimants. En septembre 2008, le plus grand accélérateur de particules au monde, le Grand Collisionneur de hadrons ou « LHC » est mis en route au CERN*, à la frontière franco-suisse. Situé à l00 mètres sous terre et long de 27 kilomètres. Il comporte deux tubes sous un vide très poussé dans lesquels sont envoyés les faisceaux de particules. Les faisceaux sont guidés par un puissant champ électromagnétique généré par quelque 1600 aimants. Alignés avec une précision de l'ordre du dixième de millimètre, chacun des 1232 aimants principaux mesure 15 mètres de long et pèse 35 tonnes ! Chose rare parmi les accélérateurs, ces aimants sont supraconducteurs, autrement dit leurs bobinages conduisent l'électricité sans résistance,  jusqu'à 13.000 ampères, ni perte d'énergie. Cette propriété n'apparaît qu'à des températures très basses. Les aimants sont donc placés dans une enceinte dans laquelle circule de l'hélium superfluide*, ce qui permet de les refroidir à - 271,3 °C.  Il faut deux mois pour refroidir un seul des 8 secteurs.  Les équipements ultra complexes font penser à de la science fiction interplanétaire:  en serait-ce réellement ? le coût exorbitant lui, est bien réel. LE CERN est l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire. "La Recherche OCTOBRE 2009".

Alternateur géant entraîné par turbine. Ici "l'induit", qui produit le courant électrique sous l'effet du balayage des champs magnétiques produits par le rotor (inducteur).   Note : les prises de vue déforment les perspectives (voir Brico 11, photo sur les objectifs). Le rotor d'alternateur (inducteur) tourne à l'intérieur de l'induit. Composé de pôles ) magnétiques (électro-aimant)s), il doit être alimentés en courant électrique. Le rotor émet donc des champs électriques qui tournent avec lui, balayant les conducteurs (fils) de l'induit.

Dossier "La Recherche". Alsthom (Montbéliard). Alsthom est le No1 mondial de l'énergie hydraulique. Ses turbines et générateurs ont été préservés de l'achat par Siemens. La partie fixe qui entoure le rotor central est celle qui produit le courant. C'est "l'induit" parce que ses conducteurs de cuivre sont balayés par les champs magnétiques du rotor (l'inducteur) qui lui, tourne. Ces courants sont produits - induits par le champ magnétique - dans les fils de cuivre dont on voit les extrémités ici. Tout est géant ici, soit 160 kilomètres de barres de cuivre fermement disposées et fixées entre elles(on ne peut parler de fils, vu la taille !).  l

Salle des turbines hydrauliques du barrage des Trois Gorges (Chine). 15 sur 26 sont produites par Alsthom. Enchâssées dans le sol, elles sont hautes comme un immeuble de 10 étages. Le diamètre total atteint 21 mètres. Au fond de chaque puit est placée une turbine hydraulique (à ailettes), qui est actionnée par le torrent d'eau du barrage. Au-dessus, elle entraîne de son axe un rotor d'alternateur, entouré de son induit (voir à gauche pour induits et inducteurs). Ici,une turbine pour le Vietnam

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