Etude théorique, simulation et réalisation d'un Lévitron^® à l'aide du logiciel de calcul par éléments finis Comsol Multiphysics^®

¹ Service de Génie Electrique, Faculté Polytechnique de Mons, Bd Dolez, 31 B-7000 Mons, Belgique
² Fonds de la Recherche Scientifique-FNRS (Aspirant), R. d'Egmont, 5 B-1000 Bruxelles, Belgique

Auteurs de correspondance : zacharie.degreve@fpms.ac.be ; christophe.versele@fpms.ac.be ; jacques.lobry@fpms.ac.be

Résumé

Nous présentons, dans cet article, un projet destiné à des étudiants de deuxième Bachelier Ingénieur dont l'objectif final est la reproduction en laboratoire d'un Lévitron^®, dispositif comprenant une toupie aimantée en lévitation magnétique autonome au dessus d'une base constituée d'aimants permanents, à partir de composants de récupération (aimants annulaires en ferrite de haut-parleurs). Ce projet, prévu pour une durée de 40 heures à l'horaire, débute par une étude théorique permettant aux étudiants de se familiariser avec les modèles employés pour la description du Lévitron^®, ainsi qu'avec d'autres concepts avancés tels que la simulation par éléments finis en électromagnétisme. Ensuite, les étudiants passent par une phase de simulation, débutant par une caractérisation magnétique des différents composants à disposition. Cette étape est menée à bien en comparant mesures expérimentales via l'emploi d'un gaussmètre à effet Hall et simulations obtenues à l'aide du logiciel de calcul par éléments finis Comsol Multiphysics 3.4^®. Les modèles obtenus pour chaque aimant sont ensuite assemblés et traités via une communication entre les logiciels Comsol 3.4^® et Matlab 7.1^®, afin d'obtenir, d'une part, une base aimantée offrant une zone d'équilibre pour la toupie (zone de stabilité) la plus large possible, et, d'autre part, une estimation de la masse de cette dernière. Le projet se termine par la réalisation en laboratoire d'un Lévitron^®, en se basant sur les résultats obtenus lors de l'étape précédente. Pour mener à bien ce travail complet, l'étudiant doit donc allier compréhension de modèles théoriques, ingéniosité dans l'approche logicielle du problème ainsi que rigueur expérimentale.