Le magnétisme

Petite introduction dans le cadre dePetite introduction dans le cadre de l’énergie électrique

Le Magnétisme en Electrotechnique 1

Luc Lasne, Professeur

Université de Bordeaux ‐ Centre de Ressources EEA (CREEA)

Version 2017

L’Électromagnétisme…L’électricité et le magnétisme sont indissociables (ce qui revient à parler d’«électromagnétisme »). Que ce soit à travers les « équations de Maxwell », pour la mise en ouvre d’expériences ou l’aimantation de matériaux, le

éti i t i i t j d l i l ti d’ t él t imagnétisme provient ainsi toujours de la circulation d’un courant électrique.

Un aimant dit « permanent » est un matériau capable d’attirer les objets é è éferreux et de produire un ensemble de phénomènes associés.

NSF

Un bobinage parcouru par un courant électrique, et pratiqué sur un matériau adapté, peut exercer le même ensemble de phénomènes. p , p p

NSF

INB: Si ces deux dispositifs sont ainsi équivalents, en Physique et en Électrotechnique les champs magnétiques sont le plus souvent produits par des bobinages.

I

2

Les grandeurs du magnétismeDès lors qu’un bobinage est parcouru par un courant électrique il est possible de faire apparaître certaines grandeurs qui permettent de quantifier les phénomènes liés au magnétisme.

Au point M, la circulation du courant I dans l’enroulement crée :

H Le « champ

M

HM

pmagnétique » : HM

BM

L’induction I

L induction magnétique : BM

Dans le vide, le vecteur induction est en tout point colinéaire au champ , p pmagnétique (aussi appelé « Excitation »). On retiendra :

HBvide 0Le coefficient 0 est la « perméabilité magnétique du vide »

NB

HBvide .0

-170 H m104 3

NB : 170 H.m10.4

Lorsque le point considéré se trouve au sein d’une matière ou d’un matériau quelconque, il se rajoute à 0.HM un vecteur « d’aimantation » de la matière .

Au point M, la circulation du courant I dans l’enroulement crée aussi :

JM

HM0.HM

JML’aimantation : JM

IDans la matière, l’induction magnétique est ainsi la résultante de l’aimantation de la matière et du videl aimantation de la matière et du vide.

On retiendra : avec c’est à dire : ).(0 JHB HJ .

(avec )

Le coefficient r est la « perméabilité relative du matériau ». est la

HB r..0 1r

4« permittivité magnétique ».

Au point N, le champ magnétique n’est pas forcément colinéaire à celui du point M. point M.

HN

M

H0 HM

BN

N

IHM0.HM

Pour représenter les « trajets » des vecteurs, on représente les « lignes de champ », c’est à dire les courbes tangentes en tout point au champ magnétique.

NB : Les lignes de champ, comme le champ é i l ôl N d Nmagnétique, « sortent » par le pôle Nord et

« rentrent » par le pôle Sud. Pour les identifier, utiliser la « règle de la main droite ».

N

S5

S

L’interaction « courant / excitation »La circulation du courant électrique suffit à la création d’un champ magnétique, aussi appelé « excitation magnétique ». Leur interaction est formalisée par deux formules fondamentales de l’électromagnétisme :La relation de Maxwell-Ampère dans le vide (en statique):

jHRot Le Théorème D’Ampère sous forme intégrale :

jHRot

contour let traversan .. idSjdlHS

Ces deux formules sont analogues en régime statique, le théorème d’Ampère est simplement la formulation intégrale de l’équation de Maxwell.

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jHRot La formule de Maxwell-Ampère traduit le fait que le champ et l’induction magnétique représentent une distribution de vecteurs qui « s’enroulent » autour du courant qui les créent.

Il est assez facile de mieux « ressentir » cette formule en considérant deux cas simples :

HSi l t i l li d it MHM

• Si le courant circule en ligne droite, en l’absence de matériau magnétique à proximité, on montre que le champ magnétique s’enroule sur des cercles I

NHN

magnétique s enroule sur des cercles concentriques.

M

N

• Si le courant circule dans un bobinage, on montre alors que le champ magnétique intérieur est

I

Nchamp magnétique intérieur est parallèle à l’axe de « l’enroulement ».

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Le théorème d’Ampère traduit le fait qu’un courant qui

traverse un contour fermé crée un champ magnétique dont la composante tangentielle au contour n’est pas nulle Dans les cas qui présentent une

idSjdlHS

..

tangentielle au contour n est pas nulle. Dans les cas qui présentent une symétrie intéressante, ce théorème permet la détermination directe de l’expression du champ.

HSi l t i l li d it t MHM

• Si le courant circule en ligne droite et que le champ magnétique s’enroule sur des cercles concentriques, . r

irHdlH .2.. I

NHNOu encore :

riHM .2

Si l t i l d lé ïd M

N

• Si le courant circule dans un solénoïde, on montre que : .iNLHdlH ...

iNH

I

NOu encore :

N spires

LiNHM .

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Classification des matériaux magnétiquesLe coefficient est appelé « susceptibilité magnétique » du matériau. La classification des matériaux magnétiques se base sur le signe et la valeur de la susceptibilité magnétique. On distingue ainsi :• Les matériaux para-magnétiques : >0 de 10-3 à 10-7

Commentaire : rares et d’aimantation quasiment négligeable.

• Les matériaux dia-magnétiques : <0 de 10-4 à 10-6

Commentaire : très abondants et d’aimantation quasiment négligeable, forment la massedes matériaux qu’on appellera « non magnétiques », comme le bois, le plastique, etc…

• Les matériaux ferri-magnétiques : >0 de 103

Commentaire : Aussi dits « Ferrites ». Utilisés, malgré leur faible aimantation, en raisonde leur forte résistivité (vis à vis des courants de Foucault en particulier) Prépondérantsde leur forte résistivité (vis à vis des courants de Foucault en particulier). Prépondérantsdans les applications haute-fréquence et l’électronique de puissance.

• Les matériaux ferro-magnétiques : >0 de 104 à 106g q Commentaire : Les matériaux ferro-magnétiques (Fe, Ni, Co) sont à la base d’un grand nombre d’appareillages en électrotechnique. Leur aimantation est importante mais limitée (on parlera de saturation).

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Les matériaux ferromagnétiquesLes matériaux ferromagnétiques (Fe, Ni, Cr) sont caractérisés par une aimantation organisée en « domaines » dits « de Wien ».

B

• En l’absence d’excitation, ces matériaux présentent une aimantation résultante

è f ibl B 0 I H

très faible : B0I=0

H

B • Lorsque l’excitation augmente, les domaines dont l’aimantation est dans le bon sens grandissent… les autres diminuent. L’induction I

Hrésultante augmente : B.H=0.r.H• Lorsque tous les domaines sont confondus en un seul l’induction n’augmente presque plus

B Bsat

Iun seul, l induction n augmente presque plus. C’est la « saturation » et BCte=Bsat+0.H H

I

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Les matériaux ferromagnétiques présentent un processus d’aimantation et de désaimantation pas vraiment réversible. A l’annulation de l’excitation en particulier, apparaît une induction dite « rémanente » : Br. Bsat

B

On caractérise ces matériaux par leur cycle

d’aimantation dit « cycle d’hystérésis »

Br

Hc

-Hc

H d aimantation, dit « cycle d hystérésis ». -Br

-Bsat

H

é éBsat = 1,5 à 2T B

• Certains matériaux dits « doux » présentent un cycle étroit. Il s’aimantent facilement et sont quasi-linéaires en deçà de la saturation. On les modélise par : B=0.r.H si B<BSat

Br

Hc ~10A /m

Bsat 1,5 à 2T

H

modélise par : B 0.r.H si B<BSat-Bsat

• Certains matériaux dits « durs » présentent un cycle très large. Il s’aimantent difficilement mais

Br = 1,5 à 2T

B

cycle très large. Il s aimantent difficilement mais se désaimantent aussi difficilement. Ils forment les « aimants permanents ». On les modélise par la partie surlignée de leur cycle.

Hc ~105A /m H

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Utilisation des matériaux magnétiquesLes matériaux magnétiques, et ferromagnétiques en particulier, sont utilisés pour la production d’inductions importantes. Ces dernières permettent d’envisager des « conversions d’énergie » passant par le magnétisme.

• Canalisation des lignes de champ

Tout comme un bon conducteur électrique représente un cheminement q pprivilégié pour le courant électrique, un bon matériau magnétique (r>>1) « canalise » les lignes de champ magnétique.

Pour observer ce phénomène considérons une bobine de 20 cm de long Pour observer ce phénomène, considérons une bobine de 20 cm de long, 50 spires et parcourue par un courant de 5 Ampères.

On s’intéresse à la simulation, réalisées à l’aide d’un logiciel de calcul par élé t fi i d d éti d di iéléments finis, des grandeurs magnétiques en deux dimensions.

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AiAir

Bobinageg

La bobine utilisée pour la simulation présente 50 spires et est parcourue par un courant continu de 5 A.

13Introduisons maintenant un barreau de fer dans la bobine…

Air

Barreau de Fer doux

Le fer a « canalisé » les lignes de champ. L’induction au centre du solénoïde est plus importante. Mais encore

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p ptrès faible… Amenons une masse de fer à proximité.

Air

Fer doux

Le « U » en fer a attiré les lignes de champ. L’induction dans le barreau reste très faible. Mais que se passe t’il

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q psi on approche encore le « U » en fer ?…

Air

Fer doux

Le « U » en fer, plus proche, canalise à son tour une partie des lignes de champ. On constate que ces actions contribuent à

( ) l’ d d l b ( l )16

augmenter (peu) l’induction dans le barreau…(alors que I=Cte)

Utilisation des matériaux magnétiques

• Production d’induction importante.odu o d du o po a

Sans augmenter la valeur du courant, il est possible de produire dans le barreau de fer doux une induction importante. Pour cela, il faut « fermer le circuit magnétique » tout comme on ferme un circuit électrique pour circuit magnétique », tout comme on ferme un circuit électrique pour laisser circuler un courant.

A partir des simulation précédentes, il suffit maintenant de « retourner » le « U » en fer.

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Air

Fer doux

Ici le « U » en fer ferme presque le « circuit magnétique ». La quasi intégralité des lignes de champ est canalisée par le fer.

18

q g g p pL’induction est bien plus importante qu’avant.

Air

F dFer doux

Le « U » en fer ferme complètement le « circuit magnétique ». L’intégralité des lignes de champ est canalisée par le fer.

19L’induction atteint ici pratiquement sa valeur de saturation.

Utilisation des matériaux magnétiques

• Notions importantes à retenir à partir des observations précédentes :

Les matériaux magnétiques ont tendance à attirer, on dit « canaliser », les lignes de champ.

Lorsque ces lignes sont très concentrées l’induction est importante Lorsque ces lignes sont très concentrées, l induction est importante. L’induction est en réalité la « densité du flux du champ magnétique ».

Pour obtenir des valeurs importantes de flux et d’induction, il est nécessaire de réaliser des « circuits magnétiques » fermés ou « peu ouverts ».

On pourra retenir que l’induction représente la « concentration locale des On pourra retenir que l induction représente la concentration locale des lignes de champ dans le matériau » ; plus le flux est concentré dans un canal étroit (comme pour le vent) plus son action est forte…

vent

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Liens :

• Le livre : « Energie électrique » Luc Lasne, éditions Dunodwww.dunod.com (disponible à la bibliothèque et en www.dunod.com (disponible à la bibliothèque et en

librairie) détaille l’étude des matériaux et des circuits magnétiques. Un chapitre est par ailleurs dédié à l’expression

des forces et des puissances liées au magnétisme.

• Les simulations de ce diaporama ont été réalisées à partir du logiciel femm : réalisées à partir du logiciel femm :

http://www.femm.info/wiki/HomePage

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