Les bobines font parties des composants de bases de l'électricité avec la résistance, le condensateur, la diode, etc. Elles sont par nature très simples à définir mais ont des propriétés assez étranges car elles créent un cham magnétiques assez fort pour être exploitable. Ceci les rend utiles pour déplacer de la matière et donc on les retrouve dans bons nombres d'appareils électriques. En plus de cela, elles permettent au sein d'un transformateur de convertir de l'énergie magnétique en énergie électrique afin de créer de nouvelles tensions.

Ce qui suit est basée sur la présentation donnée à l'Académie du Climat (présentation en pdf par Sylvain, RCP5). On verra donc les bobines : leur résistances et leur champs magnétique. Puis on s'intéressera à comment utiliser ce champ magnétique dans divers appareils électriques (électro-aimants, relais, haut-parleurs et moteur à courant continu). Enfin on verra qu'avec deux bobines et du métal, on peut former un transformateur afin de convertir une tension alternative en une autre de valeur différentes.

Une bobines n'est rien d'autres que du fil entouré sur lui même créant des spires de façon cylindrique ou moins commun de façon torique (forme d'un beignet). Une bobine est donc défini par la longueur du fil (Lf), la taille du rayon des spires (Rs) et soit la longueur du cylindre (Lc) soit le grand rayon du tore (Rt). Très souvent il est plus utile de parler de la densité des spires (ρ) c'est à dire le nombre de spire (Ns) par unité de longueur, par exemple 100 spires par centimètre donne une densité de 100/0,1 = 1000 spires/mètres. Plus cette densité sera forte plus une bobine aura un fort champ magnétique. Mathématiquement, on peut dire qu'une spire à une longueur de fil de 2πR si la spire est bien plane. Ainsi le nombre de spire est N = Lf / (2πRs). On peut enfin lier la longueur du cylindre du fil et le rayon des spires avec la densité des spires :
ρ = Lc / N = Lc / (Lf/2πRs) = Lc/Lf × 2πRs.

Il est aisé de créer sa propre bobine cylindrique. Il suffit pour cela de prendre un objet cylindrique solide et de l'entourer de fil électrique. Cela marche bien avec un crayon à papier ou un rouleau cylindrique en carton assez résistant. Bien évidemment il faut que le fil soit isolé sinon le courant électrique ne parcourra pas toutes les spires mais ira en ligne droite. Ce besoin d'isolation on le voit dans les bobines via leur couleur orange. En effet, afin de maximiser la densité des spires, les fils n'ont pas d'isolation faite de gaine en plastique, trop grosse, mais ils sont recouverts d'une couche fine d'émail isolant de couleur orange.

Comme une bobine est simplement du fil plus ou moins long enroulé autour d'un cylindre ou d'un tore, une bobine a alors une certaine résistance comme pour un fil. Pour rappel, la valeur de la résistance d'un fil dépend de trois paramètres : la nature du métal noté ρ, la longueur du fil L et la section de ce dernier noté σ. Notez que la section n'est rien d'autre que la surface du fil quand on le sectionne. Ainsi pour un fil de diamètre d = 2r, sa section vaut π*d²/4 = π*r². Détaillons chaque paramètre. La nature du métal est un paramètre assez intuitif ; certain métaux conduisent mieux que d'autres l'électricité car à forme identique un fil d'un métal aura une résistance plus petite qu'un fil d'un autre métal. Par exemple le cuivre est un très bon conducteur meilleur que la fer car pour un même type de fil le cuivre aura une résistance presque 6 fois plus petite qu'un fil de fer. Le second paramètre est la longueur du fil. Il est facile à comprendre que plus un fil est long, plus sa résistance sera grande car le courant doit traverser une plus grande longueur. Enfin, le dernier paramètre est la section du fil. Ici, il faut faire plus attention mais cela reste assez logique ; plus le fil à une grande section moins grande est sa résistance. Il faut voir cela un peu comme un tuyau ; plus le tuyau a un grand diamètre plus l'eau passera sans résistance du fait du frottement à la paroi. Ainsi chez vous les fils devant faire passer de grands courants électriques, plus de 20 ou 30 A, sont plus gros que ceux devant faire passez des plus petit courant 1-5 A.

Il est possible de déterminer une relation mathématique résumant tout le précédent paragraphe afin de déterminer la résistance d'un fil : la valeur de la résistance d'un fil est R = ρ L / σ avec ρ la résistivité du matériau en Ω.m, L la longueur du fil en m et σ sa section en m². Voyons quelques application numériques. Soit un fil de cuivre de 1 m et ayant un diamètre de 2 mm, alors sachant que la résistivité du cuivre est 17×10^-9 Ω.m, sa résistance sera alors R = 17×10^-3×1/(π×2²) = 1,35×10^-3 = 1,35 mΩ, non mesurable par un multimètre classique. Prenons maintenant le cas d'un câble reliant une maison isolée d'une ville distantes de 2 km, alors R = 17×10^-3×2000/(π×2²) = 2,7 , Ω la valeur n'est plus négligeable. Finissons avec un cas extrême, un fil de fer (ρ du fer vaut 100*10^-9 Ω.m) dans une bobine électrique de longueur 100 m avec un diamètre de 0,4 mm, sa résistance vaut alors R = 100*10^-3×100/(π×0,2²) = 20 Ω, plus du tout négligeable.

Pour les bobines, il n'est pas rare d'avoir du fil très fin et très long. Le résultat est une résistance non négligeable qui peut aller jusqu'à des centaines d'Ohm.

Une bobine cylindrique a la particularité très intéressante de se comporter comme un aimant cylindrique avec un pôle négatif d'un côté et positif de l'autre quand un courant la traverse. Ce champ magnétique fait que la bobine comme un aimant va attirer ou repousser des objets métalliques sensibles au champ magnétique. Deux bobines peuvent se repousser ou s'attirer en fonction de l'orientation de leurs pôles.

Le champ magnétique d'une bobine dépend de plusieurs facteurs : la densité des spires et le courant électrique. Plus la densité des spires et le courant électrique sont grand plus le champ sera grand. On peut schématiser cela par une relation mathématique B = constante × densité × Intensité. Si vous multipliez par deux l'intensité ou la densité le champ sera multiplié aussi par deux. La position des pôles dépend du sens du courant électrique. Si vous inversez le sens du courant électrique les pôles changent de sens. Par exemple, si deux bobines s'attirent, il suffit de changer le sens d'une des deux bobines pour qu'elles se repoussent.

Bien que les bobines créent un champ magnétique ce dernier n'est pas forcément très fort surtout si le courant électrique n'est pas très grand. Afin d'augmenter la force du champ magnétique il est fréquent de rajouter un métal à l'intérieur de la bobine qui va devenir à son tour un aimant et de ce fait augmenter le champ magnétique. On place souvent du fer doux à l'intérieur d'une bobine. Cela permet de multiplier la force du champ magnétique par 100.

Lorsqu'une bobine est utilisé pour ses propriétés magnétiques, on parle d'électro-aimant. La bobine souvent muni de fer doux en son centre est en effet un aimant qui est piloté par le courant électrique passant par elle ; c'est donc un aimant électrique. Avec un courant assez fort, un électro-aimant est capable de porter des pièces métalliques de plusieurs dizaines voire centaines de kilos. Cela peut être utile pour déplacer des pièces métalliques dans une casse automobile par exemple.

Le principe général :
à l'aide d'électro-aimants et parfois d'aimants fixes, on s'arrange pour créer deux sources de champ magnétique, l'une statique, l'autre sur le rotor, décalées en orientation.
Leur interaction génère entre elles un couple (force en rotation) qui démarre ou entretient la rotation.
La difficulté consiste à maintenir ou renouveler le décalage d'orientation, ainsi qu'à réduire au maximum les frottements. Plusieurs arrangements existent pour ce faire.

• Moteur universel (bobines + bobines + charbons et collecteur) wikipedia, wkp english
• Moteur à courant continu (bobines + aimants + balais). wikipedia
• Moteur asynchrone (bobines en décalage par un condensateur + métal ou bobines) wikipedia
• Moteur brushless ou sans balais (aimants + bobines pilotées par électronique) wikipedia
• Moteur pas à pas (bobines + aimants) ou (bobines + réluctance variable) wikipedia
• Moteurs en général : Repair Académie (principe, test, asynchrone et condensateurs)