Question centrale

Qu’en est-il de la magnétisation d'un noyau de métal qui est retiré d'un électro-aimant ? 

Matériel requis

• Trombone électro-aimant (consultez la page Fabrication d'un électro-aimant).
  – 1 mètre de fil électrique isolé d'un diamètre de 0,643 mm (22 AWG),
  – des pinces à dénuder,
  – une douzaine d'agrafes.
• Pile de 1,5 volt
• Boussole
• Feuille de papier format A4
• Règle graduée en millimètres
• Crayon
• Chronomètre
• Trombone déplié avec du ruban adhésif sur une de ses extrémités
• Tableau de données
• Petit aimant permanent

Idées principales et notions de base

• On peut construire un électro-aimant en enroulant un fil électrique autour du noyau métallique. Lorsque le courant de la pile circule au travers du fil, le noyau métallique est alors magnétisé.
• Un électro-aimant est capable d’attirer les objets contenant du fer lorsque le courant circule au travers de la bobine de fil. Dès que le courant se coupe, l’électro-aimant relâche tous les objets qu'il attire.
• Dès que le courant se coupe, le noyau métallique perd sa magnétisation. Ce phénomène est pratiquement instantané pour certains métaux. Pour d’autres, en revanche, cela nécessite plus de temps.
• Cette perte de magnétisation dans le temps est appelée relaxation magnétique.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Il est recommandé qu’un adulte ôte l’isolant aux extrémités de chaque fil électrique avant de les donner aux étudiants. Une pince à dénuder ou tout autre outil de ce type peu onéreux, est tout à fait capable de réaliser cette opération rapidement et sans danger.
• Lors de la fabrication de l’électro-aimant, enroulez le fil étrique isolé environ 40 fois autour du trombone déplié. Laissez un peu de leste car vous devrez retirer le trombone au cours de cette activité.
• Vérifiez qu’aucun objet métallique ne soit posé près de l'aiguille de la boussole ou sur votre table.
• Une fois la feuille de papier fixée en position avec du ruban adhésif dans la position donnée, nous vous recommandons également de fixer la boussole. Cela évitera tout mouvement accidentel au cours de l’expérience.
• Ne connectez pas la pile à votre électro-aimant pendant plus de 10 secondes. Pour notre expérience, cette durée est plus que suffisante pour magnétiser suffisamment le trombone déplié.
• Tous les trombones n’ont pas les mêmes caractéristiques de magnétisation. Si votre trombone ne perd pas sa magnétisation au cours de la période de mesure, recommencez l’expérience en utilisant un autre trombone en le connectant cette fois-ci à la pile pendant une durée plus courte. Vous pouvez également augmenter la période de mesure à une journée ou plus.
• Si votre trombone ne semble pas se magnétiser, c’est parce qu’il contient probablement peu, voire pas de fer. Essayez avec un trombone d’un autre fabricant.

Discussion

1. Expliquez pourquoi les agrafes sont attirées par l'électro-aimant lorsqu'il est raccordé à la pile.
   (le courant qui circule à travers la bobine de fil a magnétisé le trombone déplié.)

2. Avez-vous pu attirer des agrafes à l’aide de l’électro-aimant après l'avoir déconnecté de la pile ? Justifiez votre réponse.
   (Les réponses varient selon les caractéristiques du trombone et des agrafes. Vous pouvez alors peut-être attirer une agrafe ou deux. Toutefois, dans le cas d’une démagnétisation rapide, vous pouvez peut-être même pas attirer une seule agrafe.)

3. Est-ce que la force de votre trombone magnétisé a évolué dans le temps ? Justifiez votre réponse.
   (tous les trombones ne se ressemblent pas. Certains trombones vont perdre leur magnétisation, de manière apparente, au bout d'une heure ou deux, ce qui correspond à une période de relaxation de courte durée. D’autres trombones ayant une période de relaxation plus longue ne perdront pas aussi rapidement leur magnétisation.) 

4. Quelles variables pouvez-vous modifier pour changer le temps de relaxation du trombone ? (Les réponses incluent le nombre de tours effectués par le fil électrique, la taille des spires de la bobine, le diamètre du fil ou la durée de connexion à la pile.)

Evaluation

Les étudiants peuvent-ils expliquer le phénomène de magnétisation du noyau métallique qui est retiré de l’électro-aimant ?

Réponse : Dans la plupart des cas, le noyau métallique commence à se démagnétiser au fil du temps. Pour certains matériaux composant le noyau métallique, le phénomène se produit relativement vite (durée de relaxation courte). D’autres matériaux se démagnétisent plus lentement (durée de relaxation longue).

Variantes et autres études

• Demandez aux élèves de renouveler l'expérience avec cette fois-ci :
  – des trombones de taille et de types différents ;
  – des clous en fer ou autres objets métalliques longs au lieu des trombones ;
  – des durées de magnétisation différentes ;
  – des périodes de mesure différentes (exemple, en jours et non en heures) ;
  – des lignes tracées à différentes distances de la boussole ;
  – des électro-aimants avec plus de tours de fils ;
  – des électro-aimants avec un fil de diamètre plus important.
  Remarque : Pour obtenir de meilleurs résultats, essayer une seule variante à la fois.

• Avant que les élèves ne se lancent dans ces nouvelles expériences, demandez-leur de deviner le résultat de chacune d'entre elles et d'expliquer leurs réponses. Ils devront ensuite comparer leurs estimations avec les résultats obtenus et argumenter les écarts éventuels constatés.

Applications industrielles

• Équipes travaillant sur la prospection pétrolière        

• Applications médicales du phénomène de magnétisation (résonance magnétique nucléaire)

• Génie électrique

• Domaines professionnels faisant appel aux électro-aimants et à la manipulation de la matière

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B – Physical Science: B1, B2
Standard D – Earth and Space Science: D1

Grades 9-12
Standard B – Physical Science: B1, B4, B5, B6

Britain: Cet exercice rel¨¨ve de la norme anglaise relative ¨¤ l'enseignement Sc1, ? Science Enquiry ? ainsi qu'aux normes suivantes :

KS3, Sc4, 1d, e, f, Bos:1b, d, e
KS4, Sc4, Useful Background, BoS:1b, d, e
KS5, Physics (Medical) AWA Public Understanding of Science

Glossaire/vocabulaire

électro-aimant
relaxation magnétique

Liens

Dialogue for Kids Electricity Facts (en anglais)

Ce site représente une source d'informations générales sur les électro-aimants. Pour plus d’informations sur les électro-aimants et les activités, descendez quasiment tout en bas de l’écran.

Kids Can Make It.com — Electromagnet Activity (en anglais)

Voici un complément d’informations sur les électro-aimants.