Matériaux ferromagnétiques 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 : A une distance r du fil, le champ magnétique s’exprime : B 0I 2 r Intensité du champ magnétique crée par un solénoïde : Au centre du solénoïde, le champ magnétique s’exprime : B 0NI l 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 ____________________________________________________. 1 1/5 Matériaux ferromagnétiques 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 : ____________________ f 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 . (C) 3 2/5 Matériaux ferromagnétiques 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, ____________________. H 0 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 B 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. A 4 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 ? 3/5 Matériaux ferromagnétiques 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 BR , 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 H C . 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 H 0 , B BR ; l’aimantation s’annule quand H H C . On obtient un tracer symétrique du 5 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…). 6 4/5 Matériaux ferromagnétiques 9. Courbes de première aimantation pour quelques matériaux : 5/5