Perméabilité et saturation

La non-linéarité de la perméabilité des matériaux peut être représentée graphiquement pour une meilleure compréhension. Nous allons placer la quantité d'intensité de champ (H), égale à la force de champ (mmf) divisée par la longueur du matériau, sur l'axe horizontal du graphique. Sur l'axe vertical, nous placerons la quantité de densité de flux (B), égale au flux total divisé par la section transversale du matériau.

Nous utiliserons les quantités d'intensité de champ (H) et de densité de flux (B) au lieu de force de champ (mmf) et de flux total (Φ) afin que la forme de notre graphique reste indépendante des dimensions physiques de notre matériau d'essai. Ce que nous essayons de faire ici est de montrer une relation mathématique entre la force de champ et le flux pour tout morceau d'une substance particulière, dans le même esprit que la description de la résistance spécifique d'un matériau en ohm-cmil/ft au lieu de sa résistance réelle en ohms.

C'est ce qu'on appelle la courbe de magnétisation normale , ou courbe B-H , pour tout matériau particulier. Remarquez comment la densité de flux pour l'un des matériaux ci-dessus (fonte, acier moulé et tôle d'acier) se stabilise avec des quantités croissantes d'intensité de champ. Cet effet est connu sous le nom de saturation . Lorsqu'il y a peu de force magnétique appliquée (faible H), seuls quelques atomes sont alignés et le reste est facilement aligné avec une force supplémentaire.

Cependant, à mesure que plus de flux s'entasse dans la même section transversale d'un matériau ferromagnétique, moins d'atomes sont disponibles dans ce matériau pour aligner leurs électrons avec une force supplémentaire, et il faut donc de plus en plus de force (H) pour obtenir de moins en moins « aide » du matériau pour créer plus de densité de flux (B). Pour mettre cela en économique termes, nous assistons à un cas de rendements décroissants (B) sur notre investissement (H). La saturation est un phénomène limité aux électro-aimants à noyau de fer.

Les électroaimants à noyau d'air ne saturent pas, mais d'un autre côté, ils ne produisent pas autant de flux magnétique qu'un noyau ferromagnétique pour le même nombre de tours de fil et le même courant.

Hystérésis magnétique

Une autre bizarrerie pour confondre notre analyse du flux magnétique par rapport à la force est le phénomène d'hystérésis magnétique . En termes généraux, hystérésis désigne un décalage entre l'entrée et la sortie dans un système lors d'un changement de direction. Quiconque a déjà conduit une vieille automobile avec une direction « desserrée » sait ce qu'est l'hystérésis :pour passer d'un virage à gauche à un virage à droite (ou vice versa), vous devez faire tourner le volant d'une quantité supplémentaire pour surmonter le « retard » intégré dans le système de liaison mécanique entre le volant et les roues avant de la voiture.

Dans un système magnétique, l'hystérésis est observée dans un matériau ferromagnétique qui a tendance à rester magnétisé après qu'une force de champ appliquée a été supprimée (voir « rémanence » dans la première section de ce chapitre) si la force est inversée en polarité.

Utilisons à nouveau le même graphique, en prolongeant uniquement les axes pour indiquer à la fois des quantités positives et négatives. Tout d'abord, nous allons appliquer une force de champ croissante (courant à travers les bobines de notre électro-aimant). On devrait voir la densité de flux augmenter (monter et vers la droite) selon la courbe d'aimantation normale :

Ensuite, nous allons arrêter le courant traversant la bobine de l'électro-aimant et voir ce qui arrive au flux, en laissant la première courbe toujours sur le graphique :

En raison de la rémanence du matériau, nous avons toujours un flux magnétique sans force appliquée (pas de courant à travers la bobine). Notre noyau d'électro-aimant agit comme un aimant permanent à ce stade. Maintenant, nous allons appliquer lentement la même quantité de force de champ magnétique dans l'opposé direction à notre échantillon :

La densité de flux a maintenant atteint un point équivalent à ce qu'elle était avec une valeur entièrement positive d'intensité de champ (H), sauf dans le sens négatif ou opposé. Arrêtons à nouveau le courant qui traverse la bobine et voyons combien de flux reste :

Encore une fois, en raison de la rémanence naturelle du matériau, il maintiendra un flux magnétique sans aucune puissance appliquée à la bobine, sauf cette fois dans une direction opposée à celle de la dernière fois que nous avons arrêté le courant à travers la bobine. Si nous réappliquons à nouveau la puissance dans le sens positif, nous devrions voir la densité de flux atteindre à nouveau son pic antérieur dans le coin supérieur droit du graphique :

La courbe en « S » tracée par ces étapes forme ce qu'on appelle la courbe d'hystérésis d'un matériau ferromagnétique pour un ensemble donné d'extrêmes d'intensité de champ (-H et +H).

Exemple d'hystérésis dans les automobiles

Considérons un graphique d'hystérésis pour le scénario de direction automobile décrit précédemment, un graphique représentant un système de direction « serré » et un autre représentant un système « desserré » :

Tout comme dans le cas des systèmes de direction automobile, l'hystérésis peut être un problème. Si vous concevez un système pour produire des quantités précises de flux de champ magnétique pour des quantités données de courant, l'hystérésis peut entraver cet objectif de conception (en raison du fait que la quantité de densité de flux dépendrait du courant et combien il était magnétisé avant !). De même, un système de direction lâche est inacceptable dans une voiture de course, où une réponse précise et reproductible de la direction est une nécessité.

De plus, devoir surmonter la magnétisation préalable dans un électro-aimant peut être une perte d'énergie si le courant utilisé pour alimenter la bobine est en alternance (AC). La zone à l'intérieur de la courbe d'hystérésis donne une estimation approximative de la quantité d'énergie gaspillée.

D'autres fois, l'hystérésis magnétique est une chose souhaitable. Tel est le cas lorsque des matériaux magnétiques sont utilisés comme moyen de stockage d'informations (disques informatiques, bandes audio et vidéo). Dans ces applications, il est souhaitable de pouvoir magnétiser un grain d'oxyde de fer (ferrite) et de se fier à la rémanence de ce matériau pour "se souvenir" de son dernier état magnétisé.

Une autre application productive de l'hystérésis magnétique consiste à filtrer le « bruit » électromagnétique à haute fréquence (surtensions rapidement alternées) du câblage de signal en faisant passer ces fils au milieu d'un anneau de ferrite. L'énergie consommée pour surmonter l'hystérésis de la ferrite atténue la force du signal « bruit ». Chose intéressante, la courbe d'hystérésis de la ferrite est assez extrême :

AVIS :

• La perméabilité du matériau change avec la quantité de flux magnétique qui le traverse.
• La relation spécifique entre la force et le flux (intensité de champ H à densité de flux B) est représentée graphiquement sous une forme appelée courbe de magnétisation normale .
• Il est possible d'appliquer une force de champ magnétique telle à un matériau ferromagnétique qu'aucun flux ne peut plus y être entassé. Cette condition est connue sous le nom de saturation magnétique .
• Quand la rémanence d'une substance ferromagnétique interfère avec sa re-magnétisation dans la direction opposée, une condition connue sous le nom d'hystérésis se produit.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail sur l'électromagnétisme intermédiaire et l'induction électromagnétique
• Feuille de travail sur les unités de mesure magnétiques