LES MILIEUX FERROMAGNETIQUES

Matériaux ferromagnétiques
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LES MILIEUX FERROMAGNETIQUES
1. Les sources de champ magnétique.
Un champ magnétique est créé par une distribution de courants électriques.
Intensité du champ magnétique crée par un conducteur rectiligne :
Intensité du champ magnétique crée par un solénoïde :
2. Quelques valeurs numériques.
A 1 mètre d’un conducteur traversé par un courant d’intensité 100A :
Au centre d’un solénoïde de N=1000 spires, de longueur 20 cm, traversé par un courant d’intensité 10A :
Composante horizontale du champ magnétique terrestre : B=20 T.
Aimants permanents ordinaires : B=50 mT.
Champ magnétique dans les machines électriques : B=1 T.
3. Intérêts des matériaux ferromagnétiques.
Les machines de l’électrotechnique (transformateurs, machines tournantes) sont des machines
________________________. Elles ont besoin de la présence d’un champ magnétique ____________________
pour fonctionner. Pour augmenter la valeur de ce champ magnétique, elles possèdent un ________________
_________________ constitué dans un __________________________________.
4. Définitions.
Les corps ferromagnétique sont le ____, le __________ et le ___________, ainsi que la plupart de leurs
_____________. Ils ont pour effet _____________________________________________ générer à
l’intérieur d’un bobinage ainsi que de ______________________________________, c’est-à-dire, de
« forcer » un maximum de lignes de champs à passer à travers le matériau ferromagnétique.
Quand on introduit un noyau de matériau ferromagnétique (par exemple du fer) à l’intérieur d’un solénoïde
sans modifier le courant traversant celui-ci ; non seulement le module du champ magnétique
__________________, mais sa distribution est modifié.
On dit qu’un matériau ferromagnétique ____________________________________________________.
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A une distance r du fil, le champ magnétique s’exprime :
r
I
B
20
Au centre du solénoïde, le champ magnétique s’exprime :
lNI
B 0

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5. Explication qualitative du phénomène.
Sous l’effet du champ magnétique, la pièce ferromagnétique s’________________, elle se comporte alors
comme un aimant droit (si la pièce est cylindrique) et induit un nouveau ________________________ qui
se rajoute au champ initial.
On appel ____ le vecteur champ magnétique initial, _____ le vecteur champ magnétique induit par le
matériau ferromagnétique.
Le vecteur champ magnétique résultant s’écrit donc : ____________________
Le champ magnétique résultant est donc modifié en norme et en
direction.
6. Vecteur excitation magnétique
H
.
On considère un bobinage torique de N spires régulièrement
réparties, traversées par un courant
I
. On appel (C) la ligne
moyenne du tore de longueur
l
.
f
(C)
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3.1 Dans l’air ou dans un matériau non magnétique.
En tout point de la ligne moyenne du tore (C), la champ magnétique est tangent à cette ligne et a pour
module : _____________________
0
est la ____________________________________________________ et ____________________.
Le vecteur excitation magnétique ____ est un vecteur en tout point tangent à ____ et de module
____________, dans le cas du tore, ____________________.
0
H
s’exprime en ____.
On constate que le vecteur excitation magnétique est indépendant du _________, il ne dépend que de
__________________________ générant le champ magnétique et des caractéristiques des circuits
électrique et magnétique.
3.2 Dans un milieu ferromagnétique.
L’intérieur du circuit est maintenant un milieu ferromagnétique.
En tout point de la ligne moyenne du tore, le vecteur excitation magnétique étant indépendant de la
nature du milieu, il reste inchangé et son module vérifie :________________
.
En revanche, le champ magnétique ____ est plus important que _____ qui régnait dans l’air. Ainsi la
relation entre les modules de ____ et _____ est modifié : ______________
.
est un grandeur qui caractérise le matériau ferromagnétique, s’appelle la _________________
_____________________________, elle s’exprime en _____. est plus grande que
0
:___________________.
R
est la perméabilité magnétique relative du matériau.
R
est sans dimensions.
R
vaut en général
entre ____ et ________ suivant le matériau.
7. Courbe de première aimantation.
On considère un circuit magnétique constitué d’un matériau magnétique préalablement ________________.
Pour _____________ le matériau, il faut lui imposer une _________________ c’est-à-dire un courant
électrique, on obtient alors un champ magnétique dans le matériau. Pour savoir comment réagit un circuit
magnétique à l’aimantation, il suffit de tracer les variations du champ magnétique __ induit dans le matériau
en fonction de l’excitation magnétique __ imposée.
Lors de l’aimantation initiale du matériau, on parle de __________________________________________ :
Les courbes de première aimantation d’un circuit magnétique
réalisé à l’aide d’un matériau ferromagnétique ont toutes la
même allure. On peut distinguer 3 zones :
 Zone linéaire (entre O et A) : pour des faibles valeurs de
l’excitation magnétique, le champ magnétique augmente
___________________ à l’excitation magnétique ( et
R
sont constantes).
 Coude de saturation (entre A et B) : la relation entre B et H
n’est plus linéaire. Lorsque H augmente, B augmente de
moins en moins fortement.
 Zone de saturation (au delà de B) : à une forte augmentation
de H, correspond une très _________ augmentation de B.
L’aimantation du circuit magnétique est quasiment
maximale ; le circuit magnétique est saturé.
La zone de fonctionnement optimale du circuit magnétique est située dans le ______________________. En
effet, c’est dans cette zone où on peut avoir une aimantation maximale sans consommer un courant trop
important.
8. Hystérésis magnétique.
Une fois le matériau aimantée, que se passe-t-il si on modifie cette aimantation ?
A
B
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Pour le savoir, on poursuit le tracer de la courbe de première
aimantation en diminuant l’excitation magnétique une fois le matériau
___________.
On constate alors que pour une annulation de l’excitation magnétique,
le champ magnétique dans le matériau est ______________. On
appelle ________________________________________, noté
R
B
, le
champ magnétique dans le matériau pour une excitation non nulle.
Pour annuler totalement l’aimantation dans le matériau, il faut lui
imposée un excitation magnétique négative, appelée
______________________________, notée
C
H
.
Si on continue à diminuer l’excitation, on obtient une saturation du
circuit magnétique. Une fois le matériau saturé, on réaugmente
l’excitation magnétique. Pour
0H
,
R
BB 
; l’aimantation
s’annule quand
C
HH 
. On obtient un tracer symétrique du
précédent.
Conclusions :
 Le chemin emprunté pour aimanter ou désaimenter le matériau n’est pas le même. Lorsque l’on trace
les variations de B en fonction de H pour un matériau donné, on obtient un cycle. Ce cycle s’appelle
_________________________ du matériau. Ce phénomène d’hystérésis a pour conséquence d’instaurer
des pertes dans les matériaux ferromagnétique soumis à une excitation magnétique variable (c’est le cas
des machines alimentées en sinusoïdale (transformateur, moteur asynchrone, alternateur…) ou des
machines ayant des pièces mobiles (machines à courant continu…)) ; c’est pertes sont appelées ______
_______________________. Elles sont d’autant plus fortes que le l’aire du cycle d’hystérésis est
____________________.
Remarque : les pertes par hystérésis ne sont pas les seuls pertes de type magnétique. En effet, un
matériau magnétique soumis un champ variable voit apparaître par induction électromagnétique, des
courants induits. Ces courants, appelés courant de Foucault, ont pour conséquence d’échauffer le
matériau. Il y a donc un deuxième type de pertes d’origine magnétique qui sont les pertes par courant
de Foucault.
L’ensemble des pertes par courant de Foucault et par hystérésis sont appelées _____________________
ou ___________________________.
 Il existe deux types de matériaux ferromagnétique. Les
matériaux dont le cycle d’hystérésis est large (l’excitation
coercitive est importante) sont appelé
__________________________________ (exemple : l’acier).
Les matériaux dont le cycle d’hystérésis est étroit (l’excitation
coercitive est faible) sont appelé
_____________________________________ (exemple : le
fer).
Les matériaux magnétique dur se désaimante
___________________, on les utilisera pour fabriquer des
_________________________ .
Les matériaux magnétiques doux se désaimante
__________________ et seront siège de pertes par hystérésis
______________, on les utilisera pour construire les circuits
magnétiques des machines de l’électrotechnique (machines
tournantes, transformateurs…).
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9. Courbes de première aimantation pour quelques matériaux :