ÉCLAIRAGE D`UN VÉLO PAR ÉLECTRO

NGASSA Saurel & PEREIRA Hervé
1ère S2
ÉCLAIRAGE D'UN
VÉLO PAR
ÉLECTRO-AIMANT
Année Scolaire 2010 – 2011
Lycée CHARLES DE GAULLE de ROSNY SOUS BOIS
SOMMAIRE
Remerciements
A - INTRODUCTION
B – DEVELOPPEMENT
I – Fonctionnement
Structure
a) Aimant et l'électro-aimant
b) Champ magnétique
Intéraction aimant-courant
a) Comportement de la bobine face à l'aimant
b) Autres exemples d'intéraction
II – Avantages et Inconvénients
Avantages
Inconvénients
III – Maquette de Projet
IV – Exploitation des mesures
Étude d'une période de la tension
Étude d'une rotation complète de la roue
Étude de plusieurs périodes
C - CONCLUSION
Lexique
Biographie
Bibliographie
REMERCIEMENTS
Nous tenons à remercier tout particulièrement :
- Madame GOUARIR, documentaliste
- Madame TINDILLERE, professeur de Physique-Chimie
- Monsieur GOUJON, agent d'Ouvrier Professionnel
- Monsieur ITTIACOUMARIN, agent d'Ouvrier Professionnel
- Monsieur LEVEILLE, professeur de Sciences de l'Ingénieur en Génie Mécanique
- Monsieur NUSSBAUM, professeur de Sciences de l'Ingénieur en Génie Électrique
INTRODUCTION
On distingue plusieurs types d'éclairage de vélo : nous pouvons en citer quelques uns, les plus
utilisés sont les dynamos, les piles, les batteries de vélo et les électro-aimants pour alimenter des
ampoules classiques, les diodes luminescentes, ainsi que les VAE (vélo assistance électrique). Dans notre
étude, nous nous intéresserons à l'éclairage des vélos par électroaimant.
Son principe fût découvert en 1820 par Hans Christian Œrsted puis par François Arago. Leur
technologie a accompli des progrès spectaculaires dans la seconde moitié du XXème siècle dans les
domaines de matériaux pour aimant (travail mécanique), et de la création d'un champ magnétique de
morphologie bien défini.
L'éclairage d'un vélo par électro-aimant fût créé pour des raisons écologiques et pour plusieurs
autres raisons que nous allons voir dans la suite de notre étude. Comment aboutit-on à une production du
courant grâce aux électro-aimants ? Quel est l'avantage de l'éclairage par électro-aimant au dessus des
autres types d'éclairages?
Notre travail consistera tout d'abord à expliquer les interactions magnétiques aimant-courant, puis
nous énumérerons les avantages et les inconvénients de l'éclairage d'un vélo par électro-aimant, ensuite
nous expliquerons la maquette du projet et enfin nous ferons une étude détaillé des enregistrements de
l'oscilloscope.
FONCTIONNEMENT
Tout d'abord, le fonctionnement d'un électro-aimant est associé a la création d'un champ
magnétique varié. Pour aboutir à la production du courant électrique, on dispose d'une bobine se
comportant comme un aimant autour duquel règne un champ magnétique.
Un aimant a la propriété d'attirer des éléments comportant du fer. Il possède deux extrémités : le
pôle Nord et le pôle Sud. Deux pôles identiques se repoussent et deux pôles de sens contraires s'attirent.
Les aimants agissent donc entre eux par de forces d'attraction et de répulsion représentée par des lignes de
forces magnétiques.
Un électro-aimant est un objet métallique produisant un champ magnétique lorsqu'il est alimenté
d'électricité ; il devient aimant lorsqu'un courant électrique y circule. Il est constitué de fil de cuivre
émaillé d’un diamètre de 0,1 à 2 mm enroulé sur une bobine plastique ayant de 500 jusqu’à plus de 4000
tours, possédant une résistance faible de 2 à 250 ohms et d'une barre de fer entourée d'un fil de métal
(ferromagnétique) enroulé en bobine dans lequel passe le courant. Les électro-aimants permettent, avec
l'aide d'une alimentation électrique, de générer un champ magnétique important afin de soulever, fixer, ou
transporter de grosses pièces métalliques. Ils sont utilisés dans les domaines de l'industrie légère, lourde,
les chaînes de production, l'aéronautique...
Principe de l'électro-aimant
A la différence des aimants, ils sont commandés par la présence ou non de courant. Lorsque
l'électro-aimant est alimenté en courant, le champ magnétique créé est canalisé par le circuit magnétique.
La puissance d’un électroaimant est proportionnelle à son nombre de spires (enroulement de fil de cuivre
autour du circuit magnétique). Plus il y a de spires plus l’électro-aimant est puissant : c’est le principe de
l’électro-aimant qui a permis d’utiliser l’électricité pour transmettre instantanément des informations à
distance.
Le champ magnétique est une force résultant du déplacement des charges. Les aimants créent le
champ magnétique. A chaque point d'une région de l'espace dans laquelle règne un champ magnétique, on
associe un vecteur champ magnétique 
B qui caractérise les propriétés de ce champ donné par la relation
suivante :
B = µ.n.I
B
µ
n
I
valeur du champ magnétique (T)
constante égale à 4π x 10-7(T.m/A)
nombre de spires par unité de longueur (m)
intensité du courant électrique (A)
Le champ magnétique est uniforme et de même direction que l'axe du solénoïde, son sens est
donné par la règle de l'observateur d'ampère. Dans le cadre de l'éclairage par électro-aimant, le champ
magnétique est généré par les électro-aimants.
La bobine se comporte comme un aimant parcouru par un courant électrique. Sa forme est
alternative, elle s'annule lorsque la rotation cesse son amplitude et sa fréquence augmentent avec la
vitesse de rotation de l'électro-aimant que l'observera ultérieurement. On aboutit donc aux intéractions
entre aimant et courant.
Dans le cadre de l'éclairage d'un vélo par électro-aimant, le Courant est induit grâce à des aimants
fixés sur les rayons de la roue et grâce a un électro-aimant fixé a la base des rayons du vélo. C'est le
mouvement des charges électriques de la matière qui est à l'origine de l'électricité. Les bobines possèdent
les mêmes caractéristiques que les aimants.
Le déplacement d'un aimant devant une bobine fait apparaître une tension aux bornes de celle-ci.
Cette tension traversant le fil génère un champ magnétique induit, le piston métallique se trouvant à
l’entrée de la bobine est pris par le flux magnétique projetant ce dernier au travers. Le champ magnétique
produit augmente avec le courant et le nombre de spires.
Cette tension est due au phénomène d'induction magnétique on peut alors observer des
intéractions d'origine magnétique entre un circuit électrique parcouru par un courant et un aimant. On a
observé des interactions de même nature entre deux aimants : on a donc le principe d'un moteur parcouru
par un aimant et produisant un courant électrique.
Dans le cadre du moteur, la partie fixe : le startor, porte la source de champ magnétique : un
aimant permanent dont l'entrefer est cylindrique. Le champ magnétique est suivant le diamètre du
cylindre. La partie mobile : le rotor, constituée d'un cylindre d'acier pouvant tourner autour de son axe
dans un moteur électrique à courant continu, la force LAPLACE permet la rotation du rotor. Le système
balais collecteur lui permet de tourner toujours dans le même sens.
Un autre exemple d'utilisation d'électro-aimant est l'attraction. Le principe de propulsion de
Rock'n'Roller Coaster de Disneyland Paris se fait par un électro-aimant.
AVANTAGES ET INCONVENIENTS
Ensuite, dans un premier temps, nous étudierons les avantages de l'éclairage d'un vélo par électroaimant puis ses inconvénients.
Les principaux avantages des électro-aimants au dessus des technologies concurrentes
(hydraulique, pneumatique) sont liés à un coût de réalisation peu élevé, l'absence de pollution de
l'environnement lors de leur fonctionnement.
Les frottements sont limités car il y a pas de contact direct avec la roue les électro-aimants sont
résistants, légers et fonctionnement tout le temps, sans entretien, durable. L'utilisation des électro-aimants
améliorent la qualité et la puissance des générateurs électriques par rapport aux aimants classiques.
Ils ont l'avantage que l'aimantation n'est faite que d'un seul côté, en laissant libre le reste du champ
magnétique. Les électro-aimants sont donc nécessaire pour un éclairage prolongé et une efficacité
assurée. Même avec tous ces avantages l'éclairage d'un vélo par électro-aimant n'est pas dénué
d'inconvénients.
L'énergie mécanique du vélo est indispensable pour l'éclairage d'un vélo par électro-aimant (c'est à
dire le travail du cycliste). Dans le cas contraire, c'est à dire si le cycliste s'arrête de pédaler, la rotation
cesse, le champ magnétique disparaît et par conséquent l'éclairage cesse, il n'y a plus de production
d'électricité. Par contre les éclairages par les systèmes classiques (pile, etc...) n'ont pas besoin d'effort
physique.
Ce type d'éclairage a une intensité lumineuse faible et fonctionne en clignotant qui ne permet pas
de s’éclairer mais seulement d’être vu. Son emplacement se trouve au niveau de l'axe de la roue, un peu
bas pour être bien visible mais peut être dissimulé.
La demande de courant étant très importante, les aimants ne doivent pas fonctionner pendant
longtemps. Dans le cas contraire c’est la panne :le fil se met à chauffer rapidement l’émail fond, des
court-circuits en cascade se forment, la température monte de manière rapide, la bobine se déforme, brûle
et le piston reste coincé. C’est la raison pour laquelle tous les électro-aimants sont protégés par un fusible
calibré soit rapide soit slow-blow, il est essentiel de respecter la même valeur pour éviter toute
destruction.
MAQUETTE DU PROJET
Photographie du produit
Schématisation du circuit du produit
Photographie du montage
EXPLOITATION DES MESURES
Schématisation du circuit du produit avec l'oscilloscope
Etude d'une période de la tension
Sensibilité Horizontale (coefficient de balayage)
Sensibilité Verticale
Calcul du temps d'une période T
T = nombre de divisions x coefficient de balayage
T = 4,7 x 50 x 10-3
T = 235 x 10-3 s
Le temps d'une période est de 235 x 10-3 s.
Calcul de la fréquence f
f=1/T
f = 1 / 235 x 10-3
f = 4,25 Hz
La fréquence d'une période est de 4,25 Hz.
50 ms/DIV
1,00 V/DIV
Calcul de la tension crête à crête UCC
UCC = nombre de divisions x sensibilité verticale
UCC = 4 x 1,00
UCC = 4,00 V
La tension crête à crête est de 4,00 V.
Calcul de l'amplitude maximale UM
UM = nombre de divisions x sensibilité verticale
UM = 1,9 x 1,00
UM = 1,90 V
L'amplitude maximale est de 1,90 V.
Lorsque la tension est positive (représentée en vert ci-dessus), la DEL 1 s'allume alors que le DEL 2 reste
éteinte. Lorsque la tension est négative (représentée en bleu ci-dessus), la DEL 2 s'allume alors que le
DEL 1 reste éteinte.
Etude d'une rotation complète de la roue
Sensibilité Horizontale (coefficient de balayage)
Sensibilité Verticale
100 ms/DIV
1,00 V/DIV
Données
α = 1 tr = 2π rad
r = 7 cm = 7 x 10-2 m
Calcul de la période d'une rotation complète Δt (représentée en vert ci-dessus)
Δt = nombre de divisions x coefficient de balayage
Δt = 7,1 x 100 x 10-3
Δt = 710 x 10-3 s
Le temps d'une période est de 710 x 10-3 s.
Calcul de la vitesse angulaire ω
ω = α / Δt
ω = 2π / 710 x 10-3
ω = 8,9 rad/s
La vitesse angulaire est de 8,9 rad/s.
Calcul de la vitesse de rotation complète V
V =r.ω
V = 7 x 10-2 x 8,9
V = 623 x 10-3 m/s
La vitesse de rotation complète de la roue est de 623 x 10-3 m/s.
Calcul du temps d'une période T
T = nombre de divisions x coefficient de balayage
T = 1,3 x 100 x 10-3
T = 130 x 10-3 s
Le temps d'une période est de 130 x 10-3 s.
Calcul de la fréquence f
f=1/T
f = 1 / 130 x 10-3
f = 0,769 Hz
La fréquence d'une période est de 0,769 Hz.
Calcul de la tension crête à crête UCC
UCC = nombre de divisions x sensibilité verticale
UCC = 4,6 x 1,00
UCC = 4,60 V
La tension crête à crête est de 4,60 V.
Calcul de l'amplitude maximale UM
UM = nombre de divisions x sensibilité verticale
UM = 2,3 x 1,00
UM = 2,30 V
L'amplitude maximale est de 2,30 V.
Etude d'une multitude de période
Sensibilité Horizontale (coefficient de balayage)
Sensibilité Verticale
100 ms/DIV
1,00 V/DIV
Nous observons que plus la vitesse est forte, plus le temps d'une période et la fréquence diminuent
fortement alors que la tension crête à crête et l'amplitude maximale augmentent fortement.
CONCLUSION
Les électro-aimants sont utilisés lorsqu'on a besoin d'aimants réellement puissants. La force de
l'électro-aimant dépend de l'intensité du courant, de l'importance de la bobine, de la capacité de toute
l'armature (carcasse) à concentrer les lignes de force magnétiques. Ainsi, l'éclairage par électro-aimant est
souvent recommandé pour l’équipement de vélos d’occasion ou en complément de dynamos et pour des
raisons écologiques et durables ces dispositifs sont adaptés à l’usage citadin. Les moteurs électriques, les
télévisions, les trains, les téléphones, les ordinateurs et bien d'autres appareils modernes utilisent des
électro-aimants.
LEXIQUE
Aimant
minéral qui a la propriétés est d’attirer des éléments comportant du fer. Constitué d'oxyde magnétique de
fer Fe3O4.
Générateur électrique
dispositif permettant de produire de l'énergie électrique à partir d'une autre forme d'énergie.
Induction Magnétique
phénomène physique qui se manifeste par la production d'une différence de potentiel électrique aux
bornes d'un conducteur électrique ou encore d'un courant électrique en son sein.
Ligne de force magnétique
direction du champ magnétique en tout point de l'espace étudié.
Solénoïde (Bobine d'excitation)
bobine dont la longueur l est grande par rapport au rayon R des spires.
Tesla (T)
unité du Système International de valeur du champ Magnétique
BIOGRAPHIE
Hans Christian Œrsted (14 août 1777, Rudkœbing - 9 mars 1851, Copenhague)
Intéressé dès son plus jeune âge par la chimie et l'histoire naturelle, mais
aussi par la littérature, il s'orienta, sous l'influence de son père apothicaire,
vers des études qui firent de lui un pharmacien en 1797 alors qu'il venait
d'avoir ses vingt ans. Trois ans plus tard, il obtint un diplôme de médecine
qui aurait pu lui assurer son avenir dans le corps médical. Mais sa passion
pour la chimie, notamment pour les forces électrochimiques, et son intérêt
grandissant pour la philosophie de la Nature, furent les déclencheurs de
toutes ses réflexions et expliquent en bonne partie pourquoi il s'intéressa aux
travaux dans le domaine de l'électro-aimant. Il est à l'origine de la découverte
de l'interaction entre électricité et magnétisme.
Dominique François Jean Arago (26 février 1786, Estagel - 2 octobre 1853, Paris)
Après avoir fait ses études secondaires à Perpignan au collège communal,
actuel Lycée François Arago, il poursuit ses études supérieures à l'École
polytechnique pour devenir plus tard astronome, physicien , Il est élu
Secrétaire perpétuel de l'Académie des sciences le 7 juin 1830, puis remporte
ses premiers mandats électoraux (conseiller général de la Seine en septembre
1830, député des Pyrénées-Orientales en juillet 1831). sa passion pour la
physique lui poussent a s'intéresser au principe fondamental des électroaimants.
BIBLIOGRAPHIE
Electricité - électromagnétisme, générateurs alternateurs, moteurs, électromagnétsme, télécommande,
servo mécanismes.
http://hibiscustour.assoc.pagespro-orange.fr/Physic4.htm
Schreiber
http://hubert.roussel.pagesperso-orange.fr/levitationtexte/schreiber.html
Electricité
http://matheux.ovh.org/ARC/5G1Electricite.pdf
La production et le transport de l'électricité
http://medias.hachette-education.com/media/contenuNumerique/029/3628565975.PDF
Eclairage de vélo écolo - Do-It-yourSciences
http://webenergie.ch/actions/brico_wiki/examineGuide.php?bricoID=56
L'électro-aimant
http://www.ac-grenoble.fr/savoie/Disciplines/Sciences/Esp_ress/Fiches/Electro.htm
Définition d'un champ électrique et d'un champ magnétique
http://www.bbemg.ulg.ac.be/FR/2Notions/cecm.html
www.flipjuke.fr • Voir le sujet - Comment fonctionnent les electro-aimants
http://www.flipjuke.fr/comment-fonctionnent-les-electro-aimants-t4703.html
Catalogue Binder Electro-Aimants
http://www.scribd.com/doc/12077553/Catalogue-Binder-ElectroAimants
Circuits magnétiques - Exemples et applications Techniques de l'ingénieur
http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/energies-th4/convertisseurs-et-machineselectriques-ti301/circuits-magnetiques-d1051/
Électroaimants pour systèmes électromécaniques Techniques de l'ingénieur
http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/energies-th4/reseaux-electriques-etapplications-ti302/electroaimants-pour-systemes-electromecaniques-d5350/
Électro-aimant
http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/fr/Electromagnet
Electricité et magnétisme PlanetSEED
https://www.planetseed.com/fr/node/27583
Guide des automatismes
© Thierry Schanen -2006
Livre de Physique 1ere S
© Nathan – Collection Tomasino – Partie Eclectrodynamique