LIVRET DE COURS N ° 21 . LICENCE PARTIE 66 FORMATION DE
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LIVRET DE COURS N ° 21 . LICENCE PARTIE 66 FORMATION DE BASE: B 1.1 Agrément partie 147 n ° FR.147.0031 AERONAUTIQUE AVIONS À TURBINES MODULE : N ° 3 Principes essentiels d’électricité SOUS MODULE : 3 . 10 Magnétisme Durée : 2 heures VISA REDACTEUR Niveau : 2 VISA VERIFICATEUR Date : 20/03/08 Date : 20/03/08 VISA RESPONSABLE FORMATION Date : 21/03/08 Nom : Nom : Nom : Christophe LOUIS Xavier FABAS Patrick ALBERTI Ce livret de cours ne fera l’objet d’aucune mise à jour et ne peut pas être utilisé comme document de maintenance. Ce livret n’a de valeur pédagogique que s’il est remis lors du face à face instructeur/apprenant. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 1/18 SOMMAIRE Magnétisme I Les aimants naturels II L’électromagnétisme III Forces électromagnétiques IV Courants de Foucault Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 2/18 I Les aimants naturels On appelle aimants des corps doués de propriétés magnétiques, c’est-à-dire ayant la capacité d’attirer certains métaux. En approchant un aimant près de limaille de fer, celle-ci se fixe principalement sur deux régions : les pôles. Ces régions sont appelées pôles On distingue le pôle NORD et le pôle SUD Aimant Limaille de fer Un aimant est constitué d’un matériau ferromagnétique, le plus souvent en forme de fer à cheval (aimant en U.ou de barreau droit (aimant droit). Les deux pôles d’un aimant permettent d’attirer tout objet fabriqué à partir d’un matériau ferromagnétique. Les aimants contiennent presque systématiquement des atomes d'au moins un des éléments chimiques suivants : fer, cobalt ou nickel ou de la famille des Lanthanides (terres rares). Les aimants naturels sont des oxydes mixtes de Fer II et de Fer III de la famille des ferrites (oxyde mixtes d'un métal divalent et de Fer III). D’après la théorie du magnétisme, tout se passe dans l’aimant comme si le matériau était parcouru par de minuscules boucles de courant: les lignes de champ magnétique. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 3/18 S Quand on ramasse de la limaille de fer avec un aimant, celle-ci s'agglutine B principalement au niveau des pôles. On ne peut séparer le pôle nord du pôle sud d'un aimant. Couper un aimant en deux revient à fabriquer deux aimants plus petits. Placée dans un champ magnétique une aiguille de boussole s'oriente selon les lignes de champ magnétique. En tout point de l ’espace, le champ Spectre du champ magnétique magnétique peut être décrit par les d’un aimant en U caractéristiques d ’un vecteur champ magnétique noté B. DIRECTION et SENS du vecteur: donnés par la direction orientée pôle S - pôle N B Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 4/18 N prise par une aiguille aimantée placée au point considéré.Intensité du vecteur champ magnétique : Unité : Tesla (T) Appareil de mesure: teslamètre Quelques valeurs: - Aimant artificiel : 0,01 à 0,1 T - Pôle machine électrique : 1 à 2 T - Champ magnétique terrestre : 20 mT Le champ rémanent est le champ magnétique Br existant dans un matériau en l'absence de courant électrique. L'excitation coercitive de démagnétisation est l'excitation Hc (champ magnétique créé par des courants alternatifs circulant autour du matériau) qu'il faut produire pour démagnétiser ce matériau. (Hc se mesure en ampère /mètre) De même, lorsqu'elles sont chauffées, les substances ferromagnétiques perdent leurs propriétés magnétiques; la température de Curie est la température pour laquelle le matériau perd (irréversiblement) son aimantation. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 5/18 Caractéristiques de démagnétisation Matériaux Br en Hc en T.de Curie Remarques diverses Tesla kA/m en °C ferrites 0 0,4 200 300 les moins chers , 2 Alnico 1,2 50 750 à 850 se démagnétisent trop facilement à Samarium Cobalt 0,5 800 700 à 800 prix élevé à cause du Cobalt Néodyme 1,3 prix en baisse (brevets) , fer bore 1500 Cycle d'hystérésis Lorsqu'un barreau de matériau magnétique est placé à l'intérieur d'une bobine, l'induction B n'est pas proportionnelle à l'excitation magnétique (champ) H. Si l'on part d'un barreau non aimanté la courbe de première aimantation ressemble à la courbe OAS sur la figure ci- 310 sujet à l'oxydation contre. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 6/18 En A commence la saturation : si le champ augmente l'induction B n'augmente plus que très faiblement. Si le champ diminue jusqu'à s'annuler, l'induction est conservée en partie : le barreau est aimanté. Pour H= 0 il reste une induction rémanente +Br. Pour annuler cette induction il est nécessaire d'inverser le champ magnétique jusqu'à la valeur -Hc appelé champ "coercitif". Si l'on diminue H jusqu'à la valeur -Hs, d'intensité égale à Hs puis que l'on ramène H à zéro l'induction B dans le barreau reste à -Br. Les pertes par hystérésis sont proportionnelles à la surface grisée sur la figure, elles dépendent du matériau utilisé. Les aimants permanents artificiels sont réalisés avec des matériaux à fort champ coercitif. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 7/18 Ce phénomène entraîne une perte d ’énergie par échauffement au sein du matériau. Les pertes par hystérésis dépendent : - Du champ magnétique - Du volume du métal - De la nature du métal - De la fréquence des cycles Il convient de protéger les équipements électroniques, électriques, voire même les personnes contre les effets d’un champ magnétique. On utilise donc des blindages magnétiques, pour protéger des composants ou sous-ensembles d’un champ magnétique perturbateur ou pour la réalisation de chambres blindées par exemple dans le secteur médical. Ce blindage est utilisé dans toutes les applications nécessitant l’emploi d’un matériau magnétique à perméabilité élevée, à faible champ coercitif et à faible niveau de pertes, dans un domaine allant des basses fréquences jusqu’à 1 MHz. L'utilisation et la pose d'un écran en acier spécial MUMETAL permet de satisfaire les exigences des normes internationales : - ENV 50 166-1 : Protection des êtres humains vis à vis des champs électromagnétiques basse fréquence (0 à 10 kHz). - ICNIRP : Recommandations pour la protection des personnels en regard des champs électromagnétiques. Mumétal: Perméabilité initiale dépassant 300 000 . Champ coercitif jusqu'à 0,002 A/cm. Alliages utilisés pour les disjoncteurs, transformateurs de mesures, blindages, systèmes magnétiques, pièces de relais. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 8/18 Un aimant crée donc des C’est le principe de la boussole, constituée d’un petit lignes de aimant mobile monté sur un axe, qui s’oriente dans la champ direction nord-sud sous l’action du champ magnétique magnétique terrestre. orientées de son pôle nord vers son pôle sud : lorsqu’il est plongé dans un champ magnétique extérieur, il tend à s’orienter de telle sorte que son propre champ magnétique soit dans le même sens que le champ extérieur qui lui est imposé. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 9/18 La Terre se comporte alors comme un énorme aimant. L ’aimant soumis au seul champ magnétique terrestre s ’oriente selon sa direction : le pôle N de la boussole indique la direction du pôle N terrestre (principe de la boussole). Si l ’on met en présence 2 aimants: - Les pôles de mêmes noms se repoussent - Les pôles de noms différents s ’attirent II L’électromagnétisme Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 10/18 L’électromagnétisme étudie les interactions existant entre champs magnétiques et courants électriques. Les différents types de champs électromagnétiques étudiés sont: - Champ d’un courant rectiligne - Champ d’un courant circulaire - Champ d’une bobine longue Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 11/18 Détermination du champ magnétique créé par un courant Règle de la main droite : La main droite entoure le fil de façon que le pouce indique le sens du courant. Le sens des lignes de champs est donné par l ’orientation des autres doigts. Champ d’un courant rectiligne Forme du spectre : Le champ est de révolution autour du fil : son spectre est composé de lignes circulaires centrées sur le fil. Pour déterminer le sens du champ magnétique, on applique la règle de la main droite. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 12/18 Champ d’un courant circulaire Forme du spectre : Au centre de la spire, les lignes du champ sont pratiquement des droites ; plus on s ’approche du fil, plus les lignes de champ se courbent. Le sens du champ magnétique est encore donné par la règle de la main droite, ou celle du tire- I bouchon de Maxwell. L'électro-aimant Une bobine parcourue par un courant électrique se comporte comme un aimant avec un pôle nord à un extrémité de la bobine et un pôle sud à l'autre extrémité. La position de chacun des pôles dépend du sens du courant et l'induction B dépend des dimensions de la bobine et de l'intensité du courant. Lorsque l'on visse le tire-bouchon dans la bobine en le tournant dans le sens du courant l'extrémité par laquelle il est rentré est le pôle sud. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 13/18 WELL: n de MAX ire boucho Règle du t Forme du spectre : A l ’intérieur les lignes du champ sont parallèles à l ’axe de la bobine, sauf au voisinage des fils. Valeur du champ magnétique à l ’intérieur de la bobine: Soit un solénoïde de longueur L et comportant N spires parcourues par un courant I. Au voisinage du centre, Le vecteur champ magnétique a pour norme : Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 14/18 µ o I en A L en m N I B 0 = B 0 en T (Tesla) L Avec µo = 4.π.10-7 = perméabilité magnétique du vide en Henry/mètre Modification du champ magnétique Un noyau de fer placé à l'intérieur de la bobine accroît la valeur du champ magnétique. La valeur du champ magnétique devient: B = B 0 . µr Les électroaimants sont les composants essentiels des relais et des disjoncteurs. Ils sont également utilisés dans les Fer embrayages électriques et les freins. Dans certains tramways, des freins électromagnétiques agissent directement sur les rails. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 15/18 tion créée e esse de sustenta 43 ne force re une d vit utilisant ut u atteind agnétique llemand , pe vitation rototype m a Train à lé ants. Ce p électroai m par des 5 km/h. III Force électromagnétique Une force électromagnétique s ’exerce sur des porteurs de charge en mouvement soumis à un champ magnétique. Par conséquent un circuit parcouru par un courant électrique et soumis à un champ magnétique subira une force appelée force de LAPLACE. B I B F Force de Laplace B : champ T (Tesla) I : intensité A L : longueur du fil m α : angle (I;B) I F = B I L sin Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 16/18 B L ’intensité de la force est maximale lorsque le courant et le champ sont perpendiculaires. I α = 90° F IV Courants de Foucault Une pièce métallique soumise à un champ magnétique variable devient le siège de courants induits. Courants de Foucault = courants induits qui se développent dans la masse du conducteur. Pertes d ’énergie sous forme de chaleur (appelées comme l ’hystérésis: pertes de fer). Pour les limiter: utilisation de pièces réalisées par empilement de tranches séparées par du vernis isolant (feuilletage) Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 17/18 Les courants de Foucault autorisent le contrôle non destructif ( C.N.D.) de compacité des matériaux conducteurs de l'électricité. La profondeur de contrôle dépend des caractéristiques magnétiques et électriques du matériau à contrôler (de quelques dixièmes de millimètre pour l'acier à plusieurs millimètres pour le titane) et de la fréquence de la sonde utilisée. Le contrôle consiste à comparer les signaux observés lors du déplacement de la sonde avec ceux générés par les défauts artificiels réalisés sur un bloc étalon de même nuance. Exercice: Schématisons le rotor simplifié d’un moteur à courant continu. On suppose qu’il ne comporte qu’une spire formée par les conducteurs 1 et 2 . B = 0,90 T I =2A L = 25 cm D 1 I AB C B L 2 a ) En déduire la direction et le sens des forces électromagnétiques exercées aux points A, C et D.milieux de chaque partie de la spire. b ) Quelle est l’action de ces forces sur la spire ? c ) Calculer l’intensité des forces exercées en A , C et D. Les représenter en précisant l’échelle. d ) On inverse le sens du courant dans la spire. Reprendre les questions a et b. e.Sachant que la vitesse de rotation de la spire se stabilise à O = 600 tr/min , calculer la puissance P du moteur ainsi créé. Lycée des Métiers de l’Aéronautique Jean TARIS Référence : FR 2.2-021 365 avenue jean Dupaya Edition. 1-09/2007 40 300 Peyrehorade Révision. 0 Tel : 05 58 73 28 28 Fax : 05 58 73 13 64 Page : 18/18
