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Courants de Foucault

Apprenez comment de puissants aimants au néodyme peuvent induire des courants de Foucault, créant des forces électromagnétiques au sein de métaux comme l’aluminium et le cuivre qui ne sont pas ferromagnétiques (les aimants ne s’y collent pas).

Que sont les courants de Foucault ?

Lorsqu’un bon conducteur électrique (comme le cuivre ou l’aluminium) est exposé à un champ magnétique changeant, un courant est induit dans le métal, communément appelé courant de Foucault. La meilleure façon de l’expliquer est peut-être de montrer ses effets.

Démonstration #1, l’aimant dans un tube

Cette vidéo montre la démonstration classique des courants de Foucault, en faisant tomber un aimant magnétisé axialement dans un tube métallique. Dans chaque cas, le tube en cuivre ou en aluminium a un diamètre intérieur légèrement supérieur à la taille de l’aimant. Nous avons utilisé des aimants DAA et DEX0 pour ces démonstrations.

Le film de visualisation vert et magnétique utilisé dans la vidéo ci-dessus est disponible comme notre MV43.

Que se passe-t-il ?

Alors que l’aimant tombe dans le tube, celui-ci voit un champ magnétique changeant. Ce champ changeant induit un courant qui tourne autour du tube. C’est un courant fort qui ne dure qu’un bref instant pendant le passage de l’aimant.

Maintenant, quand vous voyez un courant qui tourne en rond comme ça, cela peut vous faire penser à un électroaimant. C’est-à-dire qu’un courant qui tourne en cercle comme ça crée un champ magnétique. Dans ce cas, le champ magnétique créé par ces courants d’électricité est (globalement) dans la direction opposée au champ magnétique de l’aimant. Le champ magnétique créé par les courants de Foucault s’oppose au champ de l’aimant, un peu comme une paire d’aimants qui se repoussent l’un l’autre.

Alors que la gravité tire l’aimant vers le bas, les courants de Foucault créent un champ magnétique qui résiste au mouvement.

Même concept, application différente

N’avons-nous pas déjà vu cela ? Oui ! Considérez notre récent article décrivant le fonctionnement d’une lampe de poche Shake. Dans celui-ci, nous avons déplacé un aimant d’avant en arrière à l’intérieur d’une bobine de fil.

En ce qui concerne les courants de Foucault, ils ne se soucient pas de savoir si cette masse de cuivre autour de l’aimant est un morceau solide, ou un enroulement de nombreuses spires de fil isolé – un courant est toujours produit dans un mouvement circulaire dans le métal.

La seule différence entre ces deux situations est que nous avons pu puiser dans les extrémités du fil de la lampe de poche et utiliser le courant pour alimenter une lumière LED.

Démonstration #2, aimant sur une feuille

L’aimant tombant dans un tube est un exemple classique, mais nous ne sommes pas limités à cette géométrie. Il existe de nombreuses façons d’induire des courants dans le métal. Tout ce qui fait que le champ magnétique en un point particulier du métal change avec le mouvement de l’aimant fonctionnera.

Une configuration populaire pour les freins à courants de Foucault consiste à placer deux aimants puissants avec un espace entre eux. Cela crée un fort champ magnétique entre les deux aimants, comme décrit précédemment dans notre article Calculateur d’écart.

Si cette paire d’aimants est placée de chaque côté d’un disque en rotation, les courants de Foucault induits dans le métal agiront pour le ralentir. Cette image sur Wikipedia est un bon exemple.

Une autre bonne démonstration est une version simplifiée : Laissez un aimant en forme de disque fin glisser le long d’une feuille d’aluminium. Cela fonctionne en raison des mêmes principes utilisés avec l’aimant dans une démonstration de tube, mais vous pouvez voir l’aimant tout le temps. Nous avons utilisé un aimant en forme de disque DX02, de 1 pouce de diamètre x 1/8 pouce d’épaisseur sur une bande de 2 pouces de large d’aluminium de 1/8 pouce d’épaisseur pour cette démonstration.

Comment les courants de Foucault sont-ils utiles

From Wikipedia, freins à courants de Foucault sur une montagne russe

Nous avons déjà mentionné les freins à courants de Foucault, où le champ magnétique opposé peut être utilisé pour ralentir quelque chose. De tels freins sont souvent utilisés sur les trains et les montagnes russes. L’image à droite est un bon exemple d’un tel frein. Une plaque de cuivre ou d’aluminium dépasse du ou des wagons de montagnes russes, non représentés, et passe entre les aimants représentés. Si des aimants permanents sont utilisés, le frein fonctionne même en cas de perte totale de puissance.

Les séparateurs de matériaux à courant de Foucault peuvent être utilisés pour séparer les métaux des déchets non métalliques. Par exemple, les machines utilisant cette méthode peuvent être utilisées pour séparer les canettes d’aluminium des ordures.

Identification des métaux : Les distributeurs automatiques de pièces de monnaie utilisent les courants de Foucault sont utilisés pour détecter les fausses pièces. Parce que les courants de Foucault sont différents pour une vraie pièce de monnaie par rapport à une fausse, les fabricants de distributeurs automatiques peuvent utiliser cela pour aider à s’assurer que les pièces sont vraies.

Le contrôle par courants de Foucault est une méthode d’essai non destructive pour les métaux, qui peut être utilisée pour détecter les fissures dans les métaux. Pensez-y pour trouver des fissures de fatigue dans la peau d’un avion, ou des tubes d’échangeurs de chaleur dans une centrale électrique.

Le chauffage par induction : Les cuisinières électriques avec un dessus en verre utilisent l’induction pour chauffer votre poêle ou votre casserole en métal. Voir cette page sur Wikipedia qui comprend une image soignée d’une plaque de cuisson démontée, montrant clairement la bobine de fil de cuivre utilisée.

Comment les courants de Foucault ne sont pas si utiles

Lorsqu’un courant alternatif circule dans un fil, une grande partie du courant circule réellement à la surface du fil. Ce phénomène est communément appelé effet de peau, mais il est en réalité causé par les courants de Foucault. Dans le cas d’un courant alternatif dans un fil, le courant alterne dans les deux sens. Cela signifie que les champs magnétiques créés par ce courant changent, bien sûr. Cela crée des courants de Foucault dans le fil, qui résistent au flux d’électricité.

Si les courants de Foucault n’existaient pas, vous pourriez obtenir plus de courant dans un fil donné.

Pour un autre exemple, considérez un transformateur. Les courants de Foucault sont responsables de l’échauffement du noyau en acier d’un transformateur, comme décrit ici.

Puis-je calculer la force des courants de Foucault ?

Non, pas très facilement. On nous pose souvent cette question, et on aimerait avoir une réponse plus facile. La force que vous obtenez des aimants qui se déplacent près des structures en cuivre ou en aluminium dépend de nombreux facteurs, notamment :

• la force du champ magnétique à l’intérieur du métal, et l’ampleur du changement de l’intensité du champ. Cela est affecté par :
  • la taille et la force de l’aimant : des aimants plus grands et plus épais produisent des champs magnétiques plus forts, voir Champs de surface 101
  • la position du ou des aimants par rapport à la partie métallique, qui est liée à la force du champ
• la forme, l’épaisseur et la géométrie du métal : des tuyaux plus épais font tomber un aimant plus lentement à travers eux dans les expériences montrées dans les vidéos ci-dessus
• la vitesse de l’aimant/métal : Plus vite entraîne plus de force, jusqu’à un certain point

Figurer tout cela n’est définitivement pas trivial. Bien que nous disposions d’un bon moyen de calculer l’intensité du champ magnétique dans la région d’un seul aimant dans l’espace libre (voir notre calculateur de champ magnétique), le cas d’un aimant tombant dans un tuyau est beaucoup plus complexe. La chute de l’aimant induit un courant dans le tuyau, ce qui crée son propre champ dans la direction opposée. Déterminer théoriquement l’intensité de ce champ est une tâche ardue. Il est difficile d’établir des règles empiriques qui s’appliqueront à toutes les situations.

Pour trouver des réponses sur l’intensité des courants de Foucault dans votre application, envisagez de recourir à des méthodes expérimentales, à l’AEF (analyse par éléments finis) tridimensionnelle, ou aux deux.