Quand l’électro-aimant pilote ton escape game

Avant de répondre à la grande question, parlons rapidement de l’aimant naturel composé de minerai de fer (magnétite). Celui-ci repousse ou attire les éléments ferromagnétiques aux alentours tels que le fer, cobalt, chrome, nickel ou autres matériaux de la famille des lanthanides, aussi appelés terres rares – c’est beau ça sonne bien, on se croirait dans un roman fantasy !

Ces aimants ont des pôles, les contraires s’attirent, ainsi le pôle Sud d’un premier aimant va se coller au pôle Nord d’un deuxième aimant. A l’inverse, deux pôles identiques vont se repousser. Notez que l‘attraction est plus forte que la répulsion !

Et pour l’anecdote, si vous chauffez un aimant, il peut perdre ses propriétés mais il faudra un peu plus que votre bouillotte pour réussir cet exploit. La perte de la magnétisation a lieu si la température dépasse le « point de Curie »; le matériau ainsi chauffé n’est plus ferromagnétique, mais devient paramagnétique. A cause de l’élévation de la température, ça devient un peu bordélique au niveau atomique. Les scientifiques ont un nom pour désigner l’augmentation du désordre : l’entropie. Crois-moi, tu vas briller en société. L’énergie magnétique apportait un peu d’ordre au niveau atomique mais quand l’énergie thermique devient plus forte : bienvenue dans le monde de la décadence atomique !

Prenons un aimant que je nommerai Nicolas (son vrai nom est AlNiCo pour Aluminium Nickel et Cobalt) : Nico est assez résistant à la chaleur, son point de Curie est de 860 °C, température à laquelle Nico perdra tout sex apeal et n’attirera plus grand chose.

Les aimants ont eu leur petit moment de gloire dans les escape games première génération : qui n’est pas partie à la pêche avec un aimant pour récupérer une clé ou un objet au fond d’un tube ?

Ainsi, les aimants naturels sont des matériaux simples qui ont la capacité de mettre en mouvement par répulsion ou attraction. Cependant, leur force est encore insuffisante pour pouvoir soulever des charges lourdes, de plus l’intensité de leur champ magnétique n’est pas contrôlable. C’est pourquoi nous allons nous intéresser à une version de l’aimant contrôlable et plus puissante que l’aimant naturel : l’électro-aimant.

Et si tu veux briller en société (encore une fois) tu peux aussi appeler l’électro-aimant un solénoïde, comme Wynona Ryder dans Stranger Things saison 3.

L’utilisateur constatera qu’en branchant l’électro-aimant, alimenté ainsi en électricité, il va fonctionner en attirant vers lui des objets métalliques. Cette action est permise grâce à une propriété bien sympathique découverte en 1820 par Hans Christian Ørsted. Il a constaté que les courants électriques créent des champs magnétiques. Un petit malin a donc conçu le premier électro-aimant, 5 ans après, en enroulant des fils de cuivre autour d’un fer-à-cheval. Archaïque mais ingénieux et surtout fonctionnel. Son électro-aimant pouvait soulever 20 fois son poids.

A votre tour !

Vous pouvez construire votre propre électro-aimant en utilisant une méthode similaire et très simple. Du fil, une pile et un clou feront l’affaire ! Le principe est simple : dans un circuit fermé, le courant qui circule génère un champ magnétique. En fait, on peut en fabriquer un : il suffit d’enrouler un fil électrique autour d’un noyau en fer (doux). Si vous n’avez pas encore regardé la vidéo qui se trouve en haut de cet article je vous encourage à le faire, je montre tout ça en image !

Nous le disions plus haut, on peut contrôler la puissance de l’électro-aimant ainsi que sa polarité. Tu te sens fort et immortel là non ? Les petites astuces pour augmenter la puissance du champ magnétique sont simples :
– en augmentant l’intensité (I) du courant électrique … jusqu’au seuil critique cela dit,
– en augmentant le nombre de spires de courant (N) c’est-à-dire le nombre de boucles que tu vas faire,
– en rajoutant un noyau ferrique en son cœur dont la perméabilité (K) est plus forte que celui du vide.

Voilà maintenant tu es prêt à calculer l’induction électromagnétique de ta bobine :

Non ceci n’est pas un code d’escape game, c’est la formule pour calculer … Non ne fuis pas ! Je ne vais pas faire un cours de physique (comment ça c’est déjà le cas?)

Puisqu’il suffit de faire passer du courant dans la bobine pour que le champ électrique se forme, le programme à écrire est d’une simplicité enfantine. Allumer des LEDs avec Arduino est aussi facile car on utilise dans les deux cas la fonction digitalWrite(). Il n’y a même pas besoin d’appeler des bibliothèques !

Trois câbles de l’électro-aimant Groove (celui que j’utilise dans la vidéo) sont à connecter : le câble rouge sur le 5V de votre Arduino, le noir sur le GND et le jaune sur une des broches de votre microcontrôleur, prenons la broche 2 pour exemple.

Le programme suivant permet d’actionner simplement l’électro-aimant, il va ainsi générer un champ magnétique et attirer vers lui des matériaux ferriques. Il peut retenir jusqu’à 1 kg, assez pour une petite trappe.

int electroaimant = 2;

void setup() {
pinMode(electroaimant, OUTPUT); //la broche de l'électroaimant est initialisée en sortie
}

void loop() {
digitalWrite(electroaimant, HIGH); // l'electroaimant est en position HIGH, donc actif
}

Ce programme est basique puisque l’électro-aimant va simplement générer son champ magnétique. Pour le rendre plus intéressant, vous pouvez le coupler avec un lecteur RFID (comme dans la vidéo), un interrupteur ou un micro, bref ce que vous voulez ! Un petit exemple ?

Dans cette courte vidéo vous allez observer l’électro-aimant qui arrête son champ magnétique lorsque le micro détecte un bruit important :

int sensorPin=A0;                 // broche sur laquelle est branchée le capteur sonore
int magnet=4;                     // broche sur laquelle est branchée l'éléctroaimant
int val =0;                       // variable qui stockera la valeur du capteur sonore

void setup(){
  pinMode(sensorPin, INPUT);      // le capteur sonore est déclaré en entrée car il reçoit les informations
}
  
void loop (){
  digitalWrite(magnet,HIGH);      // l'éléctroaimant est activé
  val= analogRead(sensorPin);     // stockage de la valeur retournée par le capteur sonore dans la variable val

  if (val>45){                    // si le capteur sonore renvoie une valeur supérieur à 45, donc s'il y a du bruit
    digitalWrite(magnet,LOW);     // alors l'éléctroaimant est désactivé
    delay(1000);                  // puis on attend 1 seconde
    }
}