Les bases du magnétisme

Proverbe CHINOIS

INTRODUCTION

Le Magnétisme est un phénomène qui joue un rôle prépondérant dans la plupart des constituants de l'Electrotechnique : contacteurs, moteurs, transformateurs, etc... Nous devrons donc, pour appréhender le fonctionnement de tous ces constituants, essayer d'en connaître le vocabulaire et d'en comprendre les principes et les lois. C'est ce que se propose de faire le cours suivant ;-)

Notons dès à présent que le terme de 'magnétisme' est souvent utilisé à tort pour parler de l'électromagnétisme, ce dernier n'étant qu'une partie du premier. En outre, il n'est pas vain de rappeler que les phénomènes magnétiques sont le fruit du mouvement des charges électriques.

A PROPOS DU VOCABULAIRE :

1 - Notion de pôles magnétiques :

1. Certaines pierres naturelles ont le pouvoir d'attirer et de retenir de la limaille de fer si elles y sont plongées, on les appelle des aimants naturels.

2. Nous sommes capables, par un traitement spécifique, de communiquer cette propriété à une barre d'acier que l'on nommera alors : aimant artificiel. Si cette barre est plongée dans de la limaille de fer nous nous apercevons que les particules de limaille adhèrent surtout aux extrémités, l'attraction y est plus forte. Ces extrémités seront appelées Pôles de l'aimant. Si nous reprenons notre barre d'acier, que nous la laissons libre de tout mouvement et éloignée de tout objet métallique (suspendue à une ficelle par exemple), une de ces extrémités s'orientera toujours vers le pôle nord terrestre, l'autre vers le pôle sud. Nous appellerons donc ces extrémités :

• pôle nord magnétique pour l'extrémité s'orientant vers le pôle nord terrestre.

• pôle sud magnétique pour l'extrémité s'orientant vers le pôle sud terrestre.

3. Les même pôles de deux aimants se repoussent, les pôles contraires s'attirent.

4. On constate que si l'on vient à briser en deux un aimant ayant un pôle sud et un pôle nord, chacune des parties obtenues aura un pôle sud et un pôle nord. Cette expérience peut-être renouvellée jusqu'à ce que l'on se trouve en présence de la particule minimale de l'aimant originel ('aimant élémentaire') qui elle aussi aura son pôle nord et son pôle sud. Cette caractéristique nous permettra de comprendre la théorie des domaines (domaines de WEISS) expliquée ultérieurement dans la partie du cours consacrée au Ferromagnétisme.

2 - Les lignes de force :

1. Si l'on saupoudre de limaille de fer une feuille sur laquelle nous avons disposé un aimant, on constate que les grains se disposent de façon bien précise suivant des lignes appelées LIGNES DE FORCE. Ces lignes existent dans tout l'espace entourant l'aimant et non pas simplement sur le plan formé par la feuille. De plus, si l'on place une boussole dans cette zone de lignes de force nous nous apercevons qu'elles sont orientées.

2. Par convention nous dirons que ces lignes de forces sortent par le pôle nord pour entrer par le pôle sud. Nous supposerons également que chaque ligne de force se referme à l'intérieur de l'aimant de façon à compléter une boucle.

3. L'ensemble de ces lignes de force représenté sur un plan est communément appelé : Spectre magnétique. Celui-ci représente donc le parcours des lignes de force et par abus de langage 'la forme du champ magnétique'.

4. La même grandeur physique se trouve être désignée dans les ouvrages de physique appliquée et/ou de STI de façon différente :

• lignes de champ,

• lignes de flux,

• lignes de force.

3 - Le flux d'induction magnétique :

Définition du flux : quantité d'une grandeur scalaire qui traverse pendant l'unité de temps une aire donnée.

1. Le flux d'induction magnétique à travers une surface donnée est l'ensemble des lignes de force qui traverse cette surface.Par conséquent, plus la surface considérée est grande, plus les lignes de force sont rapprochées et plus le flux d'induction magnétique est élevé. La valeur de ce flux dépend également de l'orientation de la surface considérée par rapport à nos lignes de force. Le flux est maximal quand la surface est perpendiculaire aux lignes de forces (la surface est traversée par un nombre maximal de lignes de force). Il sera minimal lorsque la surface sera parallèle aux lignes de forces (il sera nul). Entre ces deux extrêmes, le flux d'induction magnétique ne cessera de diminuer. On dit souvent que le flux d'induction magnétique est l'ensemble des lignes de forces présentes sur notre système qui relient les deux pôles magnétiques de ce dernier.

2. L'unité du flux magnétique est le Weber (Wb) qui représente 100 millions de lignes de force (10 exp8 lignes) Un mWb équivaut donc à 100 mille lignes et un un microWb à 100 lignes. Nous pouvons remarquer que l'unité du flux ne tient compte que du nombre de lignes de force qui traverse la surface, cette dernière n'étant pas quantifiée. Nous verrons d'ailleurs plus loin que cette lacune est comblée par la grandeur physique :'Densité de flux'.

3. Afin de quantifier l'unité du flux d'induction magnétique, il faut savoir que 1 Wb représente une quantité de flux (de lignes de force) considérable. Il faudrait en effet un aimant de 1.5 mètre de hauteur, 1.5 mètre de largeur et 1 mètre d'épaisseur pour produire un tel flux. Sa masse serait alors d'environ deux tonnes.

4. La même grandeur physique se trouve être désignée dans les ouvrages de physique appliquée et/ou de STI de façon différente :

• flux,

• flux magnétique,

• flux d'induction magnétique.

5. Il est représenté par la lettre grecque PHI majuscule (fi) : Ø

4 - Le champ d'induction magnétique :

1. Lorsque nous parlons de champ d'induction magnétique, nous donnons généralement cette appellation à la région de l'espace traversée par les lignes de force (lignes de flux). Ce champ d'induction magnétique modifie les propriétés physiques de l'espace dans lequel il se trouve et ne sera affecté que par le voisinage du fer, du cobalt, du nickel et de leurs alliages. Un champ magnétique (sous-entendu les lignes de force) peut traverser des matériaux comme le ciment, le bois, le papier etc... sans être aucunement perturbé.

2. Le fait de parler d'un champ d'induction magnétique ne nous permet pas de quantifier cette valeur puisque c'est une région de l'espace. La connaissance des caractéristiques en un point M du champ d'induction magnétique nous sera donnée par une représentation vectorielle dépendant de l'espace (position par rapport à 'la source magnétique') et du temps. Ce vecteur est désigné par B (flèche au dessus de la lettre impossible à dessiner sur ce document) dont le module exprimera la densité de flux au point considéré. La représentation vectorielle nous permet d'indiquer sur n'importe quel point de l'espace parcouru par le champ d'induction magnétique la direction et le sens de ce dernier.

Remarques : cette grandeur vectorielle traduit l'effet du mouvement des charges électriques. Si le vecteur B est identique en tout point de l'espace, le champ est dit uniforme

3. Nous savons par expérience que la force d'attraction d'un aimant permanent sur un morceau de fer croît à mesure que l'on approche d'une des deux extrémités de l'aimant. Nous avons également vu précédemment (voir fig 1) que les lignes de force sont plus sérrées près des pôles de l'aimant. De ces deux constatations nous pouvons conclure que la concentration des lignes de force (lignes de flux) est une mesure de la densité du flux d'induction magnétique.'[Plus le nombre de lignes de flux traversant une surface orientée perpendiculairement à ces dernières est important, plus la densité de flux d'induction magnétique est élevée.]'

4. L'unité de la densité de flux est le TESLA [ T ] et 1 T = 1 Wb / m². Attention cette densité de flux étant le module du vecteur B (champ d'induction magnétique) un abus de langage courant est de l'appeler champ magnétique : 'le champ magnétique est égal à 1.5 T, au lieu de dire : le module du vecteur B représentant la densité du flux d'induction magnétique est égal à 1.5 T

5. La même grandeur physique se trouve être désignée dans les ouvrages de physique appliquée et/ou de STI de différentes façons:

• champ magnétique,

• champ d'induction magnétique,

• densité de flux,

• densité du flux d'induction magnétique.

C'est simple non ;-(((

5 - Le champ d'excitation magnétique :

1. Pour quantifier le vecteur B, il faut prendre en compte le milieu magnétique dans lequel il se situe, la forme et les dimensions du circuit magnétique, le temps, la position du point considéré par rapport à la source. Nous utilisons dans un premier temps un vecteur champ d'excitation magnétique H (Je ne peux toujours pas mettre la flèche au dessus de la lettre) dont le module dépend, si l'on est dans le domaine de l'électromagnétisme, du courant, de la forme du circuit magnétique, de sa position dans l'espace (par rapport à la source magnétique) et du temps. Il nous suffira par la suite de multiplier ce vecteur H par une constante dépendant du milieu magnétique pour trouver le vecteur B. L'unité de H est l' A/m

NOTA : Le courant, en électromagnétisme, nous permettra de quantifier 'la source magnétique'..... Mais nous verrons cela plus loin dans le cours consacré à l'électromagnétisme... Nous parlerons alors de forces magnéto-motrices (FMM)

6 - AI-JE BIEN COMPRIS ? :

1. Le flux d'induction magnétique nous donne le nombre de lignes de force présentes sur notre système. Mais 100 lignes de force, soit 1 microWb, ne produiront pas dans un circuit magnétique de section 1 cm² le même champ d'induction magnétique (densité de flux) que dans un circuit de 1 mm². Si le champ d'induction magnétique diffère cela signifie que le champ d'excitation magnétique diffère également puisque nous n'avons pas changé de milieu magnétique, de forme, d'emplacement. La FMM (force magnéto-motrice) devra donc être plus importante pour une section de 1mm² que pour une section de 1 cm². La consommation de courant sera donc plus élevée pour une section de 1 mm².

• Le flux d'induction magnétique nous donne l'information du nombre de lignes de force présentes sur notre système (c'est une quantité).

• Le champ d'excitation magnétique quantifie 'la source magnétique' en tenant compte de la forme du circuit.

• Le champ d'induction magnétique symbolise l'effet du mouvement des charges électriques et la densité de flux. Il sera plus ou moins important suivant le matériau utilisé à champ d'excitation magnétique constant.....