Électro-aimant, dispositif constitué d’un noyau de matériau magnétique entouré d’une bobine dans laquelle on fait passer un courant électrique pour magnétiser le noyau. Un électro-aimant est utilisé partout où des aimants contrôlables sont nécessaires, comme dans les dispositifs dans lesquels le flux magnétique doit être varié, inversé ou activé et désactivé.
La conception technique des électro-aimants est systématisée au moyen du concept de circuit magnétique. Dans le circuit magnétique, une force magnétomotrice F, ou Fm, est définie comme les ampères-tours de la bobine qui génère le champ magnétique pour produire le flux magnétique dans le circuit. Ainsi, si une bobine de n tours par mètre transporte un courant de i ampères, le champ à l’intérieur de la bobine est de ni ampères par mètre et la force magnétomotrice qu’elle génère est de nil ampères-tours, où l est la longueur de la bobine. De manière plus pratique, la force magnétomotrice est égale à Ni, où N est le nombre total de tours de la bobine. L’induction magnétique B est l’équivalent, dans le circuit magnétique, de la densité de courant dans un circuit électrique. Dans le circuit magnétique, l’équivalent magnétique du courant est le flux total symbolisé par la lettre grecque phi, ϕ, donné par BA, où A est la section transversale du circuit magnétique. Dans un circuit électrique, la force électromotrice (E) est liée au courant, i, dans le circuit par E = Ri, où R est la résistance du circuit. Dans le circuit magnétique, F = rϕ, où r est la réluctance du circuit magnétique et est équivalent à la résistance dans le circuit électrique. La réluctance est obtenue en divisant la longueur du chemin magnétique l par la perméabilité multipliée par l’aire de la section transversale A ; ainsi r = l/μA, la lettre grecque mu, μ, symbolisant la perméabilité du milieu formant le circuit magnétique. Les unités de la réluctance sont les ampères-tours par weber. Ces concepts peuvent être employés pour calculer la réluctance d’un circuit magnétique et donc le courant nécessaire à travers une bobine pour forcer le flux désiré à travers ce circuit.
Plusieurs hypothèses impliquées dans ce type de calcul, cependant, en font au mieux un guide approximatif pour la conception. L’effet d’un milieu perméable sur un champ magnétique peut être visualisé comme étant d’entasser les lignes de force magnétiques en lui-même. Inversement, les lignes de force passant d’une région de haute perméabilité à une région de faible perméabilité ont tendance à s’étaler, ce qui se produit au niveau d’un entrefer. Ainsi, la densité de flux, qui est proportionnelle au nombre de lignes de force par unité de surface, sera réduite dans l’entrefer par le renflement des lignes, ou frangeage, sur les côtés de l’entrefer. Cet effet augmentera pour des entrefers plus longs ; des corrections grossières peuvent être faites pour prendre en compte l’effet de frange.
On a également supposé que le champ magnétique est entièrement confiné dans la bobine. En fait, il y a toujours une certaine quantité de flux de fuite, représentée par des lignes de force magnétiques autour de l’extérieur de la bobine, qui ne contribue pas à la magnétisation du noyau. Le flux de fuite est généralement faible si la perméabilité du noyau magnétique est relativement élevée.
En pratique, la perméabilité d’un matériau magnétique est fonction de la densité de flux dans celui-ci. Ainsi, le calcul ne peut être effectué pour un matériau réel que si l’on dispose de la courbe de magnétisation réelle ou, plus utilement, d’un graphique de μ en fonction de B.
Enfin, la conception suppose que le noyau magnétique n’est pas magnétisé à saturation. S’il l’était, la densité de flux ne pourrait pas être augmentée dans l’entrefer dans cette conception, quelle que soit la quantité de courant qui traverse la bobine. Ces concepts sont approfondis dans les sections suivantes sur des dispositifs spécifiques.
