electromagnétisme: les effets des champs magnétiques et leur
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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 … • 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 6 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 … 7 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. 8 Antiquité • Ainsi, la relation intime entre électricité et magnétisme nous explique pourquoi on a trouvé des aimants permanents il y a longtemps. 9 Magnétite ou « pierre d’aimant » Source : histoire de l’électromagnétisme, Julien Geandrot 10 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 11 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. 12 Magnésie Source : wikipedia 13 Ambre Source : histoire de l’électromagnétisme, Julien Geandrot 14 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. Cours U3a UNINE 2013 16 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. Cours U3a UNINE 2013 17 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. Cours U3a UNINE 2013 18 Feng shui, cuillère boussole Source : histoire de l’électromagnétisme, Julien Geandrot Cours U3a UNINE 2013 19 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. Cours U3a UNINE 2013 20 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. Cours U3a UNINE 2013 21 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 Nordsud prise par l’aimant Cours U3a UNINE 2013 22 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 … Cours U3a UNINE 2013 23 Cours U3a UNINE 2013 24 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. Cours U3a UNINE 2013 25 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 Cours U3a UNINE 2013 26 La machine à frotter Source : histoire de l’électromagnétisme, Julien Geandrot Cours U3a UNINE 2013 27 Le premier condensateur Source : histoire de l’électromagnétisme, Julien Geandrot Cours U3a UNINE 2013 28 Expériences amusantes! Grâce à ces nouveaux dispositifs, les effets des expériences d’électricité deviennent 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 … Cours U3a UNINE 2013 29 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. Cours U3a UNINE 2013 30 Benjamin Franklin (1706-1790) Source : histoire de l’électromagnétisme, Julien Geandrot Cours U3a UNINE 2013 31 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. Cours U3a UNINE 2013 32 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. » Cours U3a UNINE 2013 33 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. Cours U3a UNINE 2013 34 Expérience d’Oersted Source : Wikipedia Cours U3a UNINE 2013 35 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. Cours U3a UNINE 2013 36 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 Cours U3a UNINE 2013 37 Invention non reconnue … Ampère interprète le phénomène du magnétisme par la théorie du courant moléculaire, selon laquelle d'innombrables particules minuscules, chargées électriquement, seraient en mouvement dans le conducteur. Cette théorie est rejetée par les scientifiques de l'époque et ne parvient à s'imposer que soixante ans plus tard avec la découverte des électrons. Cours U3a UNINE 2013 38 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 correspondant. Ces travaux fondent l'électrodynamique et influencent considérablement la physique du XIXe siècle. • La loi d’Ampère définit le Newton comme grandeur de mesure de la force. Cours U3a UNINE 2013 39 Premier moteur, Barlow 1822 Source : histoire de l’électromagnétisme, Julien Geandrot Cours U3a UNINE 2013 40 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 Cours U3a UNINE 2013 41 Le télégraphe • Ampère a théorisé le télégraphe électrique, mais ne la pas conçu. On doit la construction du premier télégraphe électrique à Wheatstone en 1838, celui-ci relia 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. Cours U3a UNINE 2013 42 Enfin Maxwell vint !!! (1864) James Clerk Maxwell (1831-1879) Phénomènes électriques et magnétiques intimement liés • 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 150 après, que reste-t-il ? Il laisse : • 20 équations unifiées, regroupant toutes les lois électriques et magnétiques • C'est la seconde réunification (1ère : méca-nique terrestre et céleste de Newton) Avec les opérateurs vectoriels : Les équations de Maxwell ! ! ! ∇ × H = J + ε (∂ / ∂t ) E ! ! ∇ × E = − µ (∂ / ∂t ) H Les courants électriques variant dans l’espace et dans le temps et agissant au sein d’un milieu spécifique créent des champs électromagnétiques Les équations de Maxwell rot H = J rot E = - ∂B/∂ t div B = 0 div D = ρ Les courants électriques variant dans l’espace et dans le temps et agissant au sein d’un milieu spécifique créent des champs électromagnétiques ! ! ∇ × H = ε ∂E / ∂t ?? ! ! ! ! ∇ × H = J + ε ∂E / ∂t !! ! ∇ × H = J ?? James Clerk et KatherineM axwell, 1869 Les équations de MAXWELL De Maxwell (1865) à Hertz (1888), puis Einstein Maxwell n’a pas eu de chance vraiment Maxwell qualité filtre… Grâce à Mawell : James Clerk Maxwell (1831-1879) • On peut formuler la conversion Electromécanique • Cette conversion définit le passage de l’énergie électrique en énergie mécanique (ou inversement) en passant par l’énergie magnétique ! Cours U3a UNINE 2013 Tension induite Maxwell : une variation de flux magnétique crée une tension induite Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques N S N S Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques N δ N S S Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques N S N S Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques N N S N S S N N S S N Βr S Βs Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques N δ N N S S N δ S N S N Βr S S Βs Génération d'un couple électromagnétique par interaction de champs magnétiques N N S N S S N N S Βr S S N Βs 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 Source : Swatch Group Rendement du moteur environ 15% Cours U3a UNINE 2013 64 MEMs hybride Moteur 3 phases Processus batch Cours U3a UNINE 2013 65 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) Cours U3a UNINE 2013 66 Un nouvel oscillateur magnétique pour Tag Heuer Cours U3a UNINE 2013 67 TAG HEUER PENDULUM CONCEPT 2010 : TAG HEUER PENDULUM NO MORE HAIRSPRING (6 Hz / 43’200 BEATS PER HOUR) Source : Tag Heuer SA Cours U3a UNINE 2013 68 TAG HEUER PENDULUM CONCEPT Cours U3a UNINE 2013 69 Exemple du Cœur artificiel • Grâce aux aimants, on peut miniaturiser • La conversion électromécanique remplace la fonction cardiaque Cours U3a UNINE 2013 70 Pionnier dans son domaine Willem J Kolff Cours U3a UNINE 2013 Fonctionnement Cours U3a UNINE 2013 Le ventricule Novacor Moteur à aimant Cours U3a UNINE 2013 Matériaux magnétiques liquides ! *Sachiko Kodama, Yasushi Miyajima, "Morpho Towers”, ferrofluid Cours U3a UNINE 2013 81 Merci pour votre attention ! Cours U3a UNINE 2013 82
