Moteurs et Sélection du Bon

Qu’Est-Ce qui Fait Bouger un Moteur?

La réponse la plus vague et la plus simple est le magnétisme! Ok, maintenant, prenons cette force simple et transformons-la en une super voiture!

Pour garder les choses simples, nous devrons examiner certains concepts à travers le prisme de l’expérience de pensée. Certaines libertés seront prises, mais si vous voulez vous salir avec les détails, vous pouvez consulter le Dr Griffiths. Pour notre expérience de pensée, nous allons affirmer qu’un champ magnétique est produit par un électron en mouvement, c’est-à-dire un courant. Bien que cela crée un modèle classique à utiliser, les choses se décomposent lorsque nous atteignons le niveau atomique. Pour mieux comprendre le niveau atomique du magnétisme, Griffiths explique cela dans un autre livre…

Électromagnétisme

Pour créer un aimant ou un champ magnétique, nous allons devoir regarder comment ils sont générés. La relation entre le courant et le champ magnétique se comporte selon la règle de droite. Lorsque le courant traverse un fil, un champ magnétique se forme autour du fil dans la direction de vos doigts lorsqu’ils s’enroulent autour de celui-ci. Il s’agit d’une simplification de la loi de force d’Ampère car elle agit sur un fil porteur de courant. Maintenant, si vous placez ce même fil dans un champ magnétique préexistant, vous pouvez générer une force. Cette force est appelée force de Lorentz.

Si le courant est augmenté, la force du champ magnétique est renforcée. Cependant, pour faire quelque chose d’utile sur le terrain, il faudrait des quantités incroyables de courant. De plus, le fil délivrant le courant porterait la même force magnétique, créant ainsi des champs non contrôlés. En pliant le fil en boucle, un champ dirigé et concentré peut être créé.

Électroaimants

En bouclant un fil et en faisant passer un courant, un électroaimant est créé. Si une boucle de fil peut concentrer le champ, que pouvez-vous faire de plus? Que diriez-vous de quelques centaines de plus! Plus vous ajoutez de boucles au circuit, plus le champ devient fort pour un courant donné. Si c’est le cas, pourquoi ne voyons-nous pas des milliers, sinon des millions, d’enroulements dans les moteurs et les électroaimants? Eh bien, plus le fil est long, plus il a de résistance. La loi d’Ohm (V = I * R) dit que pour maintenir le même courant lorsque la résistance augmente, la tension doit augmenter. Dans certains cas, il est logique d’utiliser des tensions plus élevées; dans d’autres cas, certains utilisent un fil plus gros avec moins de résistance. L’utilisation de fils plus gros est plus coûteuse et est généralement plus difficile à utiliser. Ce sont des facteurs qui doivent être pesés lors de la conception d’un moteur.

Temps d’expérience

Pour créer votre propre électroaimant, trouvez simplement un boulon (ou un autre objet rond en acier), un fil magnétique (la jauge 30-22 fonctionne bien) et une batterie.

Enroulez entre 75 et 100 tours de fil autour de l’acier. L’utilisation d’un centre en acier concentre davantage le champ magnétique, augmentant ainsi sa résistance effective. Nous verrons pourquoi cela se produit dans la section suivante.

Maintenant, à l’aide de papier sablé, retirez l’isolant des extrémités des fils et connectez chaque fil à chaque borne de la batterie. Bravo! Vous avez construit le premier composant d’un moteur! Pour tester la résistance de votre électroaimant, essayez de ramasser des trombones ou d’autres petits objets en acier.

Ferromagnétisme

En remontant au début de notre expérience de pensée, les champs magnétiques ne peuvent être produits que par un courant. En prenant la définition du courant comme un flux d’électrons, les électrons en orbite autour d’un atome devraient créer un courant et donc un champ magnétique! Si chaque atome a des électrons, tout est magnétique? OUI ! Toute la matière, y compris les grenouilles, peut exprimer des propriétés magnétiques lorsqu’on lui donne suffisamment d’énergie. Mais tout le magnétisme n’est pas créé de la même manière. La raison pour laquelle je peux ramasser des vis avec un magnent refriderator et non une grenouille est la différence entre le ferromagnétisme et le paramagnétisme. La façon de différencier les deux (et quelques autres types) passe par l’étude de la mécanique quantique.

Le ferromagnétisme sera notre objectif, car c’est le phénomène le plus fort et c’est ce avec quoi nous avons le plus d’expérience. De plus, pour nous éviter d’avoir à comprendre cela au niveau quantique, nous allons accepter que les atomes de matériaux ferromagnétiques ont tendance à aligner leurs champs magnétiques avec leurs voisins. Bien qu’ils aient tendance à s’aligner, les incohérences dans les matériaux et d’autres facteurs tels que la structure cristalline créent des domaines magnétiques.

Lorsque les domaines magnétiques sont alignés dans un ordre aléatoire, les champs voisins s’annulent mutuellement, ce qui donne un matériau non magnétisé. Une fois en présence d’un champ externe fort, il est possible de réaligner ces domaines. En alignant ces domaines, le champ global se renforce, créant un aimant !

Ce réalignement peut être permanent en fonction de l’intensité du champ. C’est génial car nous en aurons besoin dans la section suivante.

Aimants permanents

Les aimants permanents se comportent de la même manière que les électroaimants. La seule différence est qu’ils sont permanents.

Dans tous les dessins, les flèches pointeront loin du pôle nord et vers le pôle sud. Une autre convention consiste à utiliser la couleur rouge pour représenter le nord et le bleu pour représenter le sud. Pour identifier une polarité d’aimants, vous pouvez utiliser une boussole. Puisque les contraires s’attirent, l’aiguille pointera au nord vers le pôle sud de l’aimant.

Vous pouvez effectuer la même expérience avec un électroaimant pour déterminer la polarité.

Si vous inversez le flux de courant, vous pouvez voir comment un électroaimant peut inverser ses pôles.

C’est un principe clé pour la construction de moteurs! Maintenant, regardons différents moteurs et comment ils utilisent des aimants et des électroaimants.