Faire bouger les choses avec l'électricité et les aimants
Mes premiers pas en Électronique
Les gros aimants attirent les petits objets métalliques ; les petits aimants adhèrent aux grands objets métalliques.
Par exemple, les portes de réfrigérateur sont généralement constituées de gros morceaux de métal, il est donc facile de les recouvrir de minuscules aimants décoratifs.
Vous avez probablement aussi vu des aimants dans les dessins animés : les personnages aiment utiliser des aimants géants en forme de fer à cheval pour faire des bêtises.
On trouve des aimants dans la nature ou on les crée avec de l'électricité. Un aimant créé avec de l'électricité est appelé électroaimant.
Vous pouvez utiliser un électroaimant pour faire bouger des objets, et pas besoin d'être un super-héros pour y parvenir !
En fait, de nombreux objets du quotidien, comme les moteurs, les haut-parleurs et les portes automatiques des magasins, fonctionnent grâce aux électroaimants.
Un électroaimant est très facile à fabriquer, et dans cette section, vous en construirez un que vous pouvez allumer et éteindre avec un interrupteur.
Vous utiliserez ensuite un électroaimant pour construire votre propre moteur !
Comment fonctionnent les aimants ?
Les aimants ont deux pôles, le pôle nord (N) et le pôle sud (S), et sont entourés d'un champ magnétique.
Si vous placez deux aimants côte à côte, le pôle nord de l'un attire le pôle sud de l'autre et repousse le pôle nord de ce dernier.
Essayez de rapprocher deux aimants.
Si vous ne les forcez pas, ils devraient naturellement se fixer l'un à l'autre par leurs pôles opposés.
Maintenant, essayez de rapprocher deux pôles identiques. C'est plus difficile, n'est-ce pas ?
Les pôles opposés s'attirent, tandis que les pôles identiques se repoussent.
REMARQUE :
Les aimants de réfrigérateur fins et flexibles n’ont pas deux pôles distincts. Ils possèdent plutôt de nombreux pôles de polarité opposée, les uns à côté des autres, ce qui rend plus difficile la perception de l’attraction et de la répulsion des aimants.
Mais les aimants n’attirent pas tous les matériaux.
Par exemple, le plastique n’est
pas affecté par les aimants. Essayez de tester des objets métalliques autour de
vous !
À vous de jouer :
Trouvez des objets magnétiques !
Prenez un aimant et placez-le sur des objets faits de différents matériaux, tels que :
Du papier aluminium
Une cuillère en inox
Une canette de soda
Un clou en fer
Un bijou en métal
Quelques pièces de monnaie
Quels objets l'aimant
attire-t-il ou auxquels il adhère ?
Vous devriez constater que l'aimant
attire certains métaux, mais pas tous.
Que se passe-t-il avec du
papier aluminium ?
Il s'avère que certains métaux peuvent se transformer
en aimants si on leur applique un peu d'électricité. C'est là que les
électroaimants entrent en jeu.
Découvrez l'électroaimant
Lorsqu'un courant traverse un fil, un phénomène étrange se produit : le courant crée un champ magnétique autour du fil.
Le champ magnétique d'un fil
est cependant très faible.
Pour créer un champ magnétique plus puissant,
il faut faire circuler du courant dans plusieurs fils placés côte à côte.
Un seul fil suffit : il suffit de l'enrouler en plusieurs boucles pour former une bobine, puis d'y faire passer du courant.
Les champs magnétiques de chaque boucle se chevauchent et se combinent pour créer un champ magnétique plus puissant.
Enroulez votre fil autour d'un
morceau de fer, comme un clou, un boulon ou une vis, pour obtenir un champ
magnétique encore plus puissant.
Pour créer un électroaimant, il suffit
de connecter une pile aux extrémités du fil enroulé, créant ainsi un circuit
fermé.
AVERTISSEMENT
Assurez-vous d'utiliser la pile de 1,5 V recommandée !
Une pile plus puissante
pourrait envoyer trop de courant dans votre bobine, ce qui pourrait surchauffer
la pile et la bobine et vous brûler.
Lorsque le courant traverse le fil,
le morceau de fer enroulé se comporte comme un aimant, avec le pôle sud à une
extrémité et le pôle nord à l'autre.
Le sens du courant et celui des
enroulements de la bobine déterminent le pôle. Lorsque vous débranchez la pile,
le courant s'arrête et le champ magnétique disparaît.
Lorsque le courant
traverse le fil, le morceau de fer enroulé se comporte comme un aimant, avec le
pôle sud à une extrémité et le pôle nord à l'autre.
Le sens du courant et celui des enroulements de la bobine déterminent le sens du courant. Lorsque vous débranchez la pile, le courant s'arrête et le champ magnétique disparaît.
Construire un électroaimant vous aidera à comprendre comment utiliser l'électricité pour fabriquer des objets comme un haut-parleur dans le monde réel.
Alors, construisons-en un !
Avec suffisamment de courant, suffisamment de fil et le bon circuit, vous pourriez construire un super aimant tout droit sorti de votre dessin animé préféré, mais pour l'instant, commençons par un petit.
Projet n° 3 : Créez votre propre électroaimant
Vous connaissez la théorie pour construire votre propre électroaimant. Mais lire la théorie n'est pas la même chose que construire quelque chose dans la vraie vie, alors il est temps de s'amuser !
Vous allez construire votre propre électroaimant avec du fil et un boulon.
Il vous suffit d'enrouler le fil plusieurs fois autour du boulon et de connecter la pile au fil.
Pour faciliter l'allumage et l'extinction de l'électroaimant, vous ajouterez également un interrupteur au circuit afin de contrôler la circulation du courant dans les fils.
Liste de courses
Voir : Fournitures utiles
1. Une pile alcaline (C) de 1,5 V, comme les grosses piles rondes utilisées dans les anciennes lampes de poche. N'utilisez pas de pile rechargeable ni d'alimentation secteur.
Assurez-vous d'utiliser la pile de 1,5 V recommandée !
Une pile plus puissante pourrait envoyer trop de courant dans votre bobine, ce qui pourrait surchauffer la pile et la bobine et vous brûler.
2. Du fil conducteur isolé à
âme pleine, d'environ 2,1 m. Un fil de raccordement standard convient
parfaitement.
3. Du ruban adhésif pour fixer le tout. Vous pouvez
utiliser du ruban de masquage, du ruban isolant ou tout autre matériau de votre
choix.
4. Des rondelles, des trombones ou d'autres petits objets
métalliques que votre électroaimant peut soulever.
5. Un boulon ou un
gros cloue pour enrouler le fil. Choisissez-en un gros pour permettre plusieurs
tours. Le boulon que j'ai utilisé faisait 8 mm d'épaisseur et 10 cm de long.
6. Un interrupteur pour allumer et éteindre l'électroaimant.
Outils
ou
une Pince à dénuder
ou
ou
Un coupe-fil pour couper ou retirer l'isolant du fil.
Un aimant standard
Étape 1 : Vérifiez votre boulon
Votre boulon constituera le cœur de votre électroaimant, ce qui le rendra plus résistant.
Cependant, tous les matériaux ne conviennent pas comme cœur d'électroaimant !
La plupart des boulons métalliques devraient faire l'affaire, mais si vous en trouvez un en matériau non magnétique, votre électroaimant ne sera pas très efficace.
Pour vérifier si un boulon convient à ce projet, il suffit de le tenir à proximité d'un aimant standard. Si l'aimant attire le boulon, c'est qu'il est en bon état.
Étape 2 : Dénuder une extrémité du fil de la bobine
Pour connecter le fil de la bobine à la batterie et à l'interrupteur, vous devez dénuder le métal des deux extrémités.
À l'aide d'une pince coupante, vous dénuderez environ 1,25 mm d'isolant à l'origine du fil.
Après avoir enroulé la bobine, vous ferez de même avec l'extrémité du fil.
Dénuder des fils peut être un
peu difficile si vous ne l'avez jamais fait ; demandez donc de l'aide à un
parent ou à un enseignant pour commencer.
Commencez par saisir
délicatement l'extrémité du fil avec la pince coupante.
Appuyez juste assez avec le coupe-fil pour couper le plastique autour du fil, sans couper le fil lui-même. Une fois l'isolant coupé, votre fil devrait ressembler à ceci :
Ensuite, placez le coupe-fil dans l'entaille que vous avez faite.
Pressez-le suffisamment pour saisir le plastique avec les lames.
Utilisez le coupe-fil pour retirer délicatement le plastique sans couper le métal du fil.
Maintenant, vous devriez avoir un fil avec du métal exposé à l'extrémité, comme ceci :
Si dénuder des fils vous semble difficile au début, pas d'inquiétude : cela devient beaucoup plus facile avec la pratique.
Vous pouvez aussi utiliser une Pince à dénuder
ou
ou
Étape 3 : Enroulez le fil
Prenez le fil et enroulez-le autour de votre boulon 50 à 100 fois.
Laissez environ 7,5 cm de chaque extrémité du fil pendre.
Veillez à ne pas utiliser tout le fil ; vous aurez besoin d'un morceau de fil d'environ 10 cm de long lors d'une étape ultérieure.
Enroulez le fil aussi serré que possible et scotchez l'extrémité pour que les spires restent bien en place. Ce fil enroulé est appelé la bobine de l'électroaimant.
Répétez l'étape 2 pour dénuder l'autre extrémité de votre bobine.
Étape 4 : Connecter la borne négative de la batterie à la bobine
Connectez une extrémité de la bobine (peu importe laquelle) à la borne négative de la batterie. Fixez-la à la batterie avec du ruban adhésif.
AVERTISSEMENT
Assurez-vous d'utiliser la batterie de 1,5 V recommandée !
Une batterie plus puissante pourrait envoyer trop de courant dans votre bobine, ce qui pourrait chauffer la batterie et la bobine suffisamment pour vous brûler.
Étape 5 : Connecter l'interrupteur.
À la section Qu'est-ce que l'électricité ?, je vous ai montré comment construire votre propre interrupteur et comment l'utiliser pour allumer et éteindre quelque chose.
Vous allez maintenant connecter un interrupteur préfabriqué à votre électroaimant pour l'allumer et l'éteindre.
Un interrupteur possède souvent deux ou trois broches auxquelles vous pouvez vous connecter.
Sur l'interrupteur de la liste de courses de ce projet, la broche 2 est la broche commune, connectée à la broche 1 ou à la broche 3, selon la position du bouton.
Si le bouton est poussé vers la broche 1, les broches 2 et 1 sont connectées.
Si le bouton est poussé vers la broche 3, les broches 2 et 3 sont connectées.
Certains interrupteurs n'ont que deux broches. Dans ce cas, les deux broches sont connectées lorsque le bouton est dans une position et non connectées dans l'autre, comme pour l'interrupteur que vous avez construit dans le
« Projet n° 2 : Alarme anti-intrusion (section Qu'est-ce que l'électricité ?)».
Fixez l'autre extrémité du fil de la bobine à la broche 1 de l'interrupteur et assurez-vous que le bouton est poussé vers la broche 3.
Ensuite, coupez un nouveau fil de votre bobine, d'environ 10 cm de long, et dénudez légèrement les deux extrémités pour exposer le métal.
Connectez une extrémité du nouveau fil à la borne positive de la batterie et l'autre à la broche centrale de l'interrupteur.
Utilisez du ruban adhésif pour vous assurer que les fils sont correctement connectés et restent en place.
Étape 6 : Testez votre super électroaimant
Voilà pour la construction du circuit !
Maintenant, testons-le.
Si vous avez tout correctement
connecté, votre électroaimant devrait être éteint.
Premièrement, trouvez
un morceau de métal solide à attirer avec votre électroaimant. Un petit trombone
devrait faire l'affaire, mais j'ai utilisé quelques rondelles en acier.
Les aimants n'attirent pas tous les métaux ; par exemple, le papier aluminium n'est pas magnétique. Placez donc un aimant ordinaire à côté du métal que vous souhaitez attirer en premier pour vous assurer qu'il est magnétique.
Ensuite, actionnez l'interrupteur et placez votre électroaimant près du trombone ou de tout autre objet métallique. Si vous avez trouvé la position marche, le boulon devrait attirer l'objet métallique vers lui.
Si rien ne se passe, appuyez
sur l'interrupteur pour le remettre en position ; le boulon devrait alors
commencer à tirer sur l'objet métallique.
L'électroaimant consomme
beaucoup d'énergie.
Si vous maintenez l'interrupteur en position marche trop longtemps, votre batterie se déchargera rapidement.
Vous remarquerez peut-être
aussi que la batterie et la bobine chauffent. Essayez de limiter la durée
d'activation de votre électroaimant à quelques secondes seulement et débranchez
toujours la batterie avant de quitter le circuit.
Étape 7 : Que faire
si l'électroaimant ne fonctionne pas ?
Assurez-vous d'avoir utilisé du fil isolé pour former les boucles autour du boulon. Le fil doit être recouvert d'une couche isolante à l'extérieur du métal ; sinon, le système ne fonctionnera pas.
En effet, sans cette couche isolante, le courant ne suit pas les boucles de fil autour du boulon. Il traverse le boulon s'il est conducteur, ou passe par le fil voisin si les boucles se touchent. Dans les deux cas, le courant fonctionnera comme si vous aviez un seul fil épais.
Un autre problème possible est que votre batterie est déchargée.
Essayez d'utiliser une autre batterie dont vous êtes certain qu'elle fonctionne.
Si vous êtes certain d'utiliser du fil isolé et que la batterie est alimentée, vérifiez que les connexions de l'interrupteur et de la batterie sont bien connectées, comme décrit aux étapes 4 et 5.
En cas de doute, il peut être judicieux de refaire les connexions.
À la découverte du moteur
Un fil électrique parcouru par un courant crée un champ magnétique, comme décrit dans « À la découverte de l'électroaimant » plus haut.
Lorsqu'elle est alimentée, la bobine du projet n° 3 aura un champ magnétique avec des pôles sud et nord, comme tout autre aimant. Les pôles identiques se repoussent et les pôles opposés s'attirent.
Ainsi, si vous placez une bobine de fil magnétisée sur un aimant classique dont les pôles identiques sont proches les uns des autres, la bobine tentera de s'enrouler.
Si vous placiez la bobine de fil sur un support pour qu'elle puisse tourner librement au-dessus de l'aimant, elle oscillerait d'avant en arrière sans effectuer un tour complet.
En effet, lorsque la bobine a effectué un demi-tour, les pôles opposés se font face et s'attirent, ce qui force la bobine à tourner dans le sens inverse.
Comment faire pour que la bobine continue de tourner dans un seul sens ? Il suffit de débrancher la batterie à mi-tour et de la rallumer une fois la bobine revenue à sa position initiale.
Voici ce qui se passe :
La bobine se met en mouvement lorsqu'elle est alimentée et pousse la bobine de
fil à mi-tour.
Comme vous débranchez la
batterie à mi-tour, le mouvement existant maintient la bobine en mouvement.
Lorsqu'elle revient à sa position initiale, la batterie se débranche et lui
donne une nouvelle poussée, et ainsi de suite.
Les moteurs électriques
reposent sur ce principe fondamental d'attraction et de répulsion des pôles
magnétiques.
Projet n° 4 : Créer un moteur
Dans cette section, vous avez construit votre propre électroaimant et appris le fonctionnement des moteurs.
Il est maintenant temps de combiner ces deux concepts.
Dans ce projet, vous construirez votre propre moteur de A à Z !
Vous utiliserez un aimant et une bobine de fil.
La bobine tournera, et cette bobine en rotation constitue le rotor du moteur.
Vous construirez le moteur de manière à ce que la bobine du rotor ne soit traversée par un courant que pendant la moitié de sa rotation.
L'aimant doit pousser l'électroaimant pendant la moitié de sa rotation, et la bobine du rotor doit poursuivre sa rotation pendant la seconde moitié de sa rotation grâce à l'énergie reçue lors de la première poussée.
Liste de courses (Voir Fournitures utiles)
Une pile alcaline (C) de 1,5 V, comme les grosses piles rondes utilisées dans les anciennes lampes de poche.
Un fil isolé à âme pleine, d'environ 4 mètres. Le fil rigide et isolé servira à la fois à la bobine et à son support.
Du ruban adhésif pour fixer le tout. Vous pouvez utiliser du ruban de masquage, du ruban isolant ou tout autre matériau de votre choix.
Un gobelet en papier ou en plastique pour maintenir le tout en place.
Deux disques magnétiques, plus ils sont puissants, mieux c'est.
AVERTISSEMENT :
Gardez toujours ces petits superaimants hors de portée des bébés et des jeunes enfants. Ces aimants sont très dangereux en cas d'ingestion.
Outils
Un coupe-fil pour couper ou retirer l'isolant du fil.
ou
une Pince à dénuder
ou
ou
Étape 1 : Création du rotor
Commençons par créer une nouvelle bobine de fil ; cette bobine constituera le rotor, ou partie tournante, de votre moteur.
Pour créer le rotor, prenez d'abord votre bobine de fil et dénudez l'isolant sur environ 3,8 cm de l'extrémité libre.
Ensuite, enroulez le fil autour de la batterie.
Si vous achetez le fil que je recommande dans la liste de courses de ce projet, essayez de réaliser environ 30 enroulements ; si vous utilisez un fil plus fin, enroulez-le davantage.
L'objectif est de rendre la bobine aussi magnétique que possible, sans l'alourdir.
Un nombre plus élevé d'enroulements rend le rotor plus magnétique, mais aussi plus lourd.
Faites glisser délicatement votre fil enroulé hors de la batterie.
Rassemblez les enroulements en boucle et enroulez les extrémités du fil autour de la boucle plusieurs fois de chaque côté afin que les bobines restent ensemble.
Coupez la boucle de la bobine de fil, en laissant l'autre extrémité d'environ 3,8 cm de long.
Ensuite, retirez également l'isolant de cette extrémité afin d'exposer le métal à l'intérieur.
Si vous utilisez des fils avec une isolation plastique, vous pouvez utiliser une pince coupante, comme décrit à l'étape 2 du projet n° 3.
Étape 2 : Construction de la structure du moteur
Mettez votre bobine de côté pour l'instant et sortez votre gobelet en carton.
Percez un trou d'un côté du gobelet à environ 1 cm du haut et un autre à environ 1 cm du bas.
Faites passer un morceau de fil rigide d'environ 20 cm de long à travers ces deux trous.
Ensuite, faites de même de l'autre côté du gobelet.
Retournez le gobelet, retirez l'isolant des extrémités des deux fils et fixez-les au gobelet avec du ruban adhésif pour les maintenir en place.
Les extrémités inférieures seront connectées à la batterie, tandis que les extrémités supérieures assureront la connexion avec le rotor et le soutiendront.
Pliez les extrémités supérieures des deux fils en deux U pour maintenir le rotor. Assurez-vous que la partie inférieure de chaque U soit en contact avec les fils du rotor. Cette structure en U assurera la connexion entre la batterie et le rotor.
Étape 3 : Placer les aimants
Placez un aimant sur le dessus de la coupelle.
Placez ensuite un autre aimant à l'intérieur de la coupelle de manière à ce que les deux aimants se collent l'un à l'autre à travers la coupelle.
Placez votre rotor dans la structure en U et ajustez la position des aimants pour qu'ils soient centrés, juste sous la bobine.
Étape 4 : Réisoler une partie de la bobine
Si vous connectiez la batterie maintenant, le moteur ne fonctionnerait pas.
Avec le rotor de la bobine fixé, vous verriez un mouvement, mais le rotor serait simplement poussé d'avant en arrière dans des directions opposées, car il est toujours connecté à la batterie.
Il faut trouver un moyen de déconnecter la bobine de la batterie à mi-chemin, de manière à ce qu'elle soit d'abord éloignée de l'aimant, puis relâchée jusqu'à ce qu'elle ait terminé son tour.
Elle pourra ensuite se reconnecter à l'aimant et être à nouveau poussée, et ainsi de suite.
Pour ce faire, isolez le fil d'un côté avec un marqueur permanent.
Ne faites cela que sur un seul bras du rotor.
Posez votre bobine à plat sur la table et, à l'aide d'un marqueur permanent, tracez le long du fil d'un côté pour le rendre non conducteur.
Tracez votre ligne de manière à ce que le rotor se déconnecte de la batterie lorsque la boucle est horizontale au-dessus de l'aimant.
Étape 5 : Faites vrombir votre moteur
Faisons tourner le moteur !
Connectez la batterie en fixant les deux fils aux bornes positive et négative avec du ruban adhésif.
Maintenant, placez le rotor dans la structure en U. Le moteur devrait commencer à tourner. Vous devrez peut-être lui donner une petite poussée.
Il ne fera pas fonctionner de voiture, mais s'il fonctionne, vous venez de faire bouger quelque chose grâce à l'électricité.
Félicitations !
Étape 6 : Que faire si le moteur ne fonctionne pas ?
Voyez-vous un mouvement ?
Avec un peu de chance, le moteur fonctionnera immédiatement, mais vous devrez probablement effectuer quelques ajustements.
Voici quelques points de départ :
1. Assurez-vous que votre bobine est placée de manière à ce que le fil dénudé (et non la partie recouverte par le marqueur) touche le fil dénudé de la structure en U. Ainsi, lorsque vous connecterez la batterie, la bobine deviendra magnétique.
2. Déterminez le sens de connexion de la batterie.
Vous constaterez peut-être que le rotor tourne mieux dans un sens que dans l’autre ; essayez donc de connecter la batterie dans l’autre sens pour trouver la solution la plus adaptée à votre moteur.
3. Si votre bobine est un peu trop lourde, le magnétisme ne suffira pas à la faire faire le tour complet de la boucle. Essayez de dérouler quelques boucles pour alléger la bobine.
4. Vous devrez peut-être ajuster la position des aimants sous votre rotor. Ils doivent être aussi centrés que possible.
Si votre moteur ne démarre toujours pas, il suffit peut-être d'un petit coup de pouce pour démarrer. Essayez de le tapoter légèrement avec votre doigt pour voir si cela déclenche une explosion de vitesse.
Et ensuite ?
Dans
cette section, vous avez appris qu'il est possible de créer des aimants en
enroulant un fil autour d'un boulon et en le connectant à une batterie.
Vous avez testé ce principe en construisant votre propre électroaimant.
À la fin, vous avez appris le fonctionnement des moteurs électriques et vous en avez même construit un.
Vous avez vraiment fait bouger
les choses !
Approfondissez vos connaissances et explorez l'électricité
un peu plus en profondeur. Essayez d'ajouter encore plus d'aimants sous le rotor
de votre moteur.
Ensuite, enroulez une bobine de
rotor deux fois plus grande, voire plus grande. Vous pouvez créer une structure
beaucoup plus grande pour le moteur.
À quelle vitesse pouvez-vous faire
tourner votre moteur ?
Jusqu'ici, vous n'avez utilisé que de
l'électricité, mais vous pouvez aussi en produire.
Dans la section suivante, vous découvrirez différentes manières de produire de l'électricité et vous vous amuserez un peu plus avec les aimants.
