Chapitre 1 – Le champ magnétique — Activité de découverte
Première Bac Pro | Physique-Chimie | Groupement 2
Situation professionnelle — Le système de tri magnétique
Vous effectuez un stage dans l'entreprise ÉlectroPro Services, spécialisée dans l'automatisation industrielle. L'entreprise installe un nouveau système de tri sur une chaîne de production de pièces métalliques. Ce système utilise un électroaimant alimenté en courant continu pour séparer les pièces en acier des pièces en aluminium sur un tapis roulant.
Le responsable technique vous confie la mission de vérifier que l'électroaimant est correctement paramétré pour trier les pièces sans les endommager.
Problématique : Quelles sont les propriétés du champ magnétique créé par un électroaimant, et comment régler le courant pour obtenir la force de tri souhaitée ?
Capacités travaillées
Identifier les matériaux attirés par un aimant (ferromagnétiques)
Lire et exploiter des lignes de champ
Appliquer la règle de la main droite pour une bobine
Exploiter la proportionnalité \(B = k \times I\)
Partie A — Propriétés des aimants et des matériaux
Document 1 — Liste des pièces triées
Pièce
Matériau
Utilisation dans la chaîne
Vis de fixation
Acier inoxydable
Assemblage de panneaux
Couvercle de boîtier
Aluminium
Protection électrique
Noyau de bobine
Fer doux
Électroaimant
Connecteur
Cuivre
Raccordement électrique
Support de capteur
Acier
Fixation mécanique
Questions A1
En utilisant vos connaissances, cochez les pièces qui seront attirées par l'électroaimant.
Pourquoi le couvercle en aluminium et le connecteur en cuivre ne sont-ils pas attirés ?
Le responsable technique veut utiliser le même système pour trier des capsules en plastique. Est-ce possible ? Justifie.
Seuls les matériaux ferromagnétiques sont attirés : vis en acier inox (selon composition), noyau en fer doux, support en acier. L'acier inoxydable peut être partiellement ferromagnétique selon sa composition.
L'aluminium et le cuivre ne sont pas ferromagnétiques : ils n'ont pas de domaines magnétiques orientables par un champ extérieur.
Non. Le plastique n'est pas du tout ferromagnétique. Le système ne peut pas trier des pièces en plastique par voie magnétique.
Partie B — Champ magnétique de l'électroaimant
Document 2 — Schéma de l'électroaimant
L'électroaimant est une bobine cylindrique de 300 spires enroulée autour d'un noyau en fer doux. Le courant circule de la borne (+) vers la borne (−). Vu de la face gauche, le courant tourne dans le sens anti-horaire.
Questions B1 — Règle de la main droite
Applique la règle de la main droite pour déterminer le sens du champ magnétique à l'intérieur de la bobine.
Indique quel côté de la bobine est le pôle Nord et quel côté est le pôle Sud.
Trace sur le schéma (ou décris) les lignes de champ à l'extérieur de la bobine.
Si on inverse les connexions électriques (courant inversé), que se passe-t-il pour les pôles ?
Vu de la face gauche, le courant tourne en sens anti-horaire. En enroulant les doigts de la main droite dans ce sens, le pouce pointe vers la gauche → le champ à l'intérieur est orienté vers la gauche.
Le pôle Nord est à gauche (le champ sort), le pôle Sud est à droite (le champ entre).
À l'extérieur, les lignes de champ sortent du pôle Nord (gauche), forment des boucles et rentrent dans le pôle Sud (droite), comme pour un aimant droit.
En inversant le courant, les pôles s'inversent : le pôle Nord passe à droite, le pôle Sud à gauche.
Partie C — Réglage du courant
Document 3 — Mesures expérimentales
Un technicien a mesuré le champ magnétique au centre de la bobine pour différentes valeurs de courant :
\(I\) (A)
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
\(B\) (mT)
0
10
20
30
40
50
Questions C1
Trace le graphique \(B = f(I)\) (en abscisse : \(I\) de 0 à 3 A ; en ordonnée : \(B\) de 0 à 60 mT).
Quelle relation mathématique décrit cette courbe ? Calcule le coefficient \(k = B/I\).
Extrais par calcul la valeur du champ pour \(I = 3\) A.
Pour que l'électroaimant soulève les pièces en acier, il faut un champ minimum de 35 mT. Calcule le courant minimum nécessaire.
La bobine supporte un courant maximum de 5 A. Quel est le champ maximum atteignable ?
Graphique linéaire passant par l'origine, avec les points (0,5 ; 10), (1,0 ; 20), (1,5 ; 30), (2,0 ; 40), (2,5 ; 50).
La courbe est une droite passant par l'origine : relation de proportionnalité. \(k = B/I = 20/1{,}0 = 20\) mT/A.
\(B = k \times I = 20 \times 3 = 60\) mT.
\(I_{\min} = B_{\min}/k = 35/20 = 1{,}75\) A.
\(B_{\max} = 20 \times 5 = 100\) mT.
Bilan de l'activité
Synthèse
Rédige un court compte rendu (5 à 8 lignes) à l'attention du responsable technique, en répondant aux points suivants :
Quels matériaux seront effectivement triés par l'électroaimant ?
Comment l'orientation du pôle Nord peut-elle être inversée ?
Quelle valeur de courant recommandes-tu pour un champ de 35 mT ?
Quel est l'avantage d'un électroaimant par rapport à un aimant permanent dans ce contexte ?
Le système de tri magnétique permettra de séparer les pièces en fer, acier et nickel des pièces en aluminium, cuivre ou plastique. L'orientation des pôles peut être inversée en inversant le sens du courant dans la bobine. Pour obtenir un champ de 35 mT, un courant de 1,75 A est nécessaire. L'électroaimant présente l'avantage d'être activable et désactivable électriquement, ce qui permet de relâcher les pièces au moment souhaité sur la chaîne automatisée, contrairement à un aimant permanent qui resterait collé en permanence.