Le moteur homopolaire

A l’aide d’un aimant cylindrique au néodyme, une batterie de type AA, un clou et un fil conducteur, nous avons réalisé une expérience illustrant parfaitement le fonctionnement d’un moteur électrique.

 
Fiche d’accompagnement de l’expérience:

Matériel
Ce moteur très simple comporte 4 parties:

• Un aimant cylindrique au néodyme (NdFeB) qui génère un champ magnétique très important (de 1 à 1,5 Tesla)

• Un clou

• Une batterie de type AA

• Un fil électrique conducteur

• Une pince et un support pour tenir la batterie

Nous aurons besoin pour la 2ème partie de l’expérience :

  • de 2 aimants supplémentaires

  • d’un fil de cuivre mis en forme de cœur dont la pointe et les 2 extrémités sont dénudées

et pour la 3ème expérience :

  • d’une planche de bois support

  • de 2 rails conducteurs en laiton (diamètre 10 mm)

  • d’un fil conducteur

Montage et réalisation

Réaliser le moteur de la façon suivante :

Fixer la batterie verticalement à l’aide d’une pince et d’un support

Poser la tête du clou sur le disque de l’aimant cylindrique au néodyme en le centrant.

Approcher la pointe du clou sous l’un des pôles de la pile tenue verticalement.

Le clou et l’aimant restent suspendus car l’aimantation est transmise par le clou à la borne ferromagnétique.

Appliquer l’extrémité d’un fil électrique conducteur à l’autre borne de la pile et appliquons son autre extrémité le long du bord de l’aimant cylindrique.

L’aimant se met à tourner et de plus en plus rapidement.

Passons à la seconde expérience :

Maintenir une pile LR6 verticalement grâce à un aimant et un boulon posé sur une plaque métallique

Placer au sommet de la pile un aimant au néodyme…

Placer sur l’aimant une rondelle métallique dont la partie centrale évidée servira de cuvette pour maintenir l’équipage mobile constitué d’un fil de cuivre courbé en forme de cœur …

puis positionner le fil de cuivre de manière à ce que la pointe du cœur dénudée repose dans le creux de la rondelle…

et que les 2 pointes dénudées frottent l’aimant du bas qui est en contact avec la borne négative de la pile…

le fil conducteur, parcouru par un courant, se met alors en rotation.

Passer maintenant à la 3ème expérience :

Fixer 2 aimants aux bornes de la pile de telle sorte que nous ayons des pôles magnétiques identiques aux 2 bornes de la pile (ici des pôles Nord)

Fixer les 2 rails de laiton sur la planchette avec un écartement constant tel que les petits aimants extérieurs reposent librement sur les rails…

Fermer le circuit électrique constitué de la pile et des rails par un fil conducteur….

La pile se met à tourner sur elle-même en avançant vers la droite ou la gauche suivant la polarité de la pile et les pôles des aimants

Explications

Reprenons la 1ère expérience :

Il y a passage d’un courant entre le bord de l’aimant cylindrique et son centre.

Ce courant est soumis au champ magnétique de l’aimant et génère une force dont la direction et le sens sont donnés par la règle de la main droite.

Cette force orthogonale à l’axe de rotation défini par la direction du clou engendre un moment qui met en rotation l’équipage clou + aimant.

Si nous inversons le sens du courant, l’équipage clou + aimant tourne en sens inverse.

La rotation de l’aimant est visualisée dans l’animation suivante :

Continuons avec la 2ème expérience :

Il y a passage d’un courant depuis le pôle plus de la pile, à travers chaque branche du conducteur constituant le cœur, jusqu’au pole négatif de celle-ci.

Le courant I traversant les branches est soumis à un champ magnétique B qui génère une force de Laplace F, induisant un couple moteur qui met en rotation cette fois le conducteur alors que dans l’expérience précédente c’était la pile qui se mettait en rotation.

La rotation du conducteur en forme de cœur est visualisée dans l’animation suivante :

Concernant la 3ème expérience :

Lorsque l’interrupteur est fermé un courant circule de la borne positive de la pile vers la borne négative en empruntant les rails conducteurs…

au voisinage des aimant les éléments de courant sont soumis au champ magnétique de celui-ci…

et subissent donc une force de Laplace qui obéit à la règle de la main droite.

Les forces de Laplace engendrent un couple moteur qui fait tourner l’ensemble pile+aimants dans une direction ou dans la direction opposée suivant le sens de la pile par rapport aux rails conducteurs.

La rotation de l’ensemble pile+aimants est visualisée dans l’animation suivante :

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