Le magnétisme
74. Définitions
Les nombreux effets du magnétisme constituent la base du fonctionnement de la plupart des appareils électriques.
Très étroitement liés à l'électricité, les phénomènes magnétiques obéissent à des lois identiques par plusieurs points à celles du courant électrique.
Le rôle du magnétisme est devenu essentiel et sans lui peu des appareils électriques modernes existeraient ; citons les appareils téléphoniques, les moteurs, les sonneries, les appareils de mesure qui, comme bien d'autres, contribuent au confort de la vie moderne.
Du reste, il serait impossible de produire et de transmettre l'énergie électrique indispensable aux besoins toujours croissants des consommateurs tant industriels que domestiques, puisque génératrices et transformateurs constituent aussi une application du magnétisme.
Nous définirons le magnétisme comme une forme d'énergie engendrée par le mouvement des électrons dans certains corps appelés aimants.
Les aimants jouissent de la propriété d'attirer des corps magnétiques tels que le fer, l'acier, le nickel, le cobalt, etc.
Un corps magnétique est attiré par un aimant, mais ne possède pas nécessairement les propriétés des aimants. En résumé, tous les aimants sont magnétiques, mais tous les corps magnétiques ne sont pas des aimants. Nous verrons que ceux-ci possèdent deux pôles.
On classe les aimants en deux catégories : aimants naturels et aimants artificiels.
75. Aimants naturels
Les Grecs ont utilisé comme aimants naturels des pierres provenant d'une région appelée magnésia.
Pour cette raison on appela ces pierres "magnétites". La magnétite est un oxyde de fer (Fe3O4) que l'on trouve à l'état naturel dans certaines roches (basaltes) et qui possède la propriété d'attirer la limaille de fer.
On remarque que l'attraction est plus intense en deux points, les extrémités de l'aimant que l'on a appelées pôles (fig. 7.1).
Fig. 7.1 Magnétite
Les aimants artificiels furent inconnus en Europe jusqu'au XlIIe siècle. On remarqua qu'en frottant une barre de fer sur un aimant naturel, elle acquérait les propriétés de celui-ci (fig. 7.2).
Fig. 7.2 Aimantation par frottement (Navpers - Basic electricity)
La forme et la puissance des magnétites ne convenant pas toujours à l'usage auquel on les destinait, on se servit d'aimants artificiels.
Le procédé s'améliora et, aujourd'hui, pour aimanter une pièce on l'entoure d'un solénoïde dans lequel on fait circuler un courant continu d'intensité convenable (fig. 7.3).
Fig. 7.3 Aimantation par courant électrique
Pour obtenir un aimant permanent, on utilise une pièce en acier. On constate que l'apparition et la disparition de l'aimantation sont d'autant plus rapides que le fer est plus pur.
Avec du fer doux elles sont instantanées, tandis que l'aimantation reste un certain temps dans le fer imparfaitement doux (magnétisme rémanent) ; enfin avec de l'acier trempé le magnétisme devient permanent.
On appelle fer doux du fer chimiquement pur. Les fers du commerce contiennent toujours un pourcentage plus ou moins élevé de carbone.
On peut néanmoins obtenir du fer parfaitement pur par le procédé électrolytique et on l'utilise pour la fabrication d'induits.
77. Pôles
On vient de voir que la limaille de fer s'amoncelle aux extrémités de l'aimant tandis qu'au centre l'effet magnétique est négligeable. On a donné le nom de pôles aux extrémités.
Si l'on suspend par son centre une aiguille aimantée on remarque qu'elle prend une direction bien déterminée. L'une de ses extrémités, toujours la même, pointe vers le nord.
Pour cette raison, on distingue dans un aimant le pôle nord et le pôle sud (fig. 7.4).
Fig. 7.4 Pôles d'un aimant
Les pôles exercent entre eux des effets de répulsion ou d'attraction.
On le constate en suspendant par un fil un barreau aimanté, libre ainsi de pivoter, et en approchant de lui un autre aimant. Selon le signe du pôle présenté l'aimant suspendu sera attiré ou repoussé.
Il est donc évident qu'une force magnétique invisible s'exerce dans l'espace environnant les pôles (fig. 7.5).
Fig. 7.5 Action magnétique
De la constatation de ces effets, découle la loi suivante :
Deux pôles de même nom se repoussent; deux pôles de noms contraires s'attirent.
II est logique que les forces en jeu dépendent de la puissance des pôles des aimants et de la distance qui les sépare.
L'unité de masse magnétique ou unité de pôle est celle que possède chacun des pôles placés à 1 centimètre de distance et qui se repoussent avec une force de 1 dyne.
L'unité de champ magnétique porte le nom de oersted. Oersted Christian (1877-1851), physicien danois qui découvrit le magnétisme en 1819.
C'est l'intensité d'un champ magnétique dans lequel l'unité de masse magnétique est soumise à une force de 1 dyne.
L'action que des pôles exercent entre eux est (1) directement proportionnelle à la puissance de chaque pôle et (2) inversement proportionnelle à la distance qui les sépare.
D'autre part, la perméabilité magnétique du milieu ambiant exerce une influence.
La loi s'exprime mathématiquement par la formule:
F = m1 m2 / µd²
dans laquelle,
F = force magnétique (en dynes)
m1 et m2 = masses magnétiques des pôles (en unités de pôle)
µ = coefficient de perméabilité magnétique
d = distance séparant les pôles (en centimètres).
Dans le vide µ = 1 et il en est sensiblement de même dans l'air.
Application 7.01
Quelle est la force d'attraction qui s'exerce entre un pôle nord de 10 unités et un pôle sud de 20 unités si la distance qui les sépare est de 2 centimètres?
Solution
F = m1 m2 / µd² = 10 x 20 / 1 x 2² = 50 dynes
78. Pôles intermédiaires ou conséquents
II n'existe pas d'aimant à pôle unique, mais, sous l'action d'une aimantation anormale, il arrive qu'il se forme sur un aimant des pôles
inversés appelés pôles intermédiaires ou conséquents. On peut le constater en plongeant l'aimant dans de la limaille de fer (fig. 7.6).
Fig. 7.6 Pôles conséquents
79. Aimantation par influence
Si l'on place dans le voisinage d'un aimant, sans contact direct, un morceau de fer, celui-ci va s'aimanter par influence et l'on constate que ses pôles seront opposés à ceux de l'aimant (fig. 7.7).
Fig. 7.7 Aimantation par influence
Le même effet se produira si une aiguille aimantée subit l'influence d'un aimant de masse magnétique plus forte : au bout d'un certain temps, l'extrémité de l'aiguille qui pointait vers le nord, indiquera le sud.
C'est la raison pour laquelle il faut toujours attendre que l'aiguille d'une boussole se soit stabilisée sous l'action du magnétisme terrestre, avant de se fier à sa polarité.
80. Spectre magnétique
On appelle spectre magnétique la figure que l'on obtient en saupoudrant de limaille de fer un carton (ou une vitre mince) posé sur un aimant.
Le spectre magnétique prend des formes différant suivant le nombre des aimants, leur forme et leur disposition : aimant droit, aimant en fer à cheval, aimants avec les pôles de même nom ou de noms contraires mis en présence ou juxtaposés, aimants avec des pôles conséquents, etc. Le spectre magnétique indique les lignes de force.
81. Lignes de force
Le champ magnétique se présente sous la forme de lignes symétriques, appelées lignes de force ou lignes d'induction. Chacune de ces lignes matérialise le chemin parcouru par une particule magnétique allant d'un pôle à l'autre.
La figure 7.8 (a, b et c) illustre des spectres magnétiques, mais généralement on représente les lignes de force par des flèches indiquant que les lignes pénètrent dans l'aimant par le pôle sud et en sortent par le pôle nord, formant ainsi une boucle fermée (fig. 7.9a).
Fig. 7.8 Spectres magnétiques
Fig. 7.9 Disposition des lignes de force (Electrical fundamentals)
a) Champ magnétique autour du pôle nord. Les lignes divergent du pôle dans toutes les directions.
b) Champ magnétique d'un aimant droit dans un même plan. Les lignes de force se dirigent dans toutes les directions de l'espace environnant.
c) Champ magnétique autour du pôle sud. Les lignes convergent toutes vers le pôle.
On appelle ligne de force chacune des lignes du spectre sur laquelle la force de l'aimant se fait sentir.
Le champ magnétique d'un aimant ne se limite pas à une surface plane ; il occupe un volume.
L'effet magnétique d'un aimant suspendu se fait sentir aussi bien en dessus qu'en dessous de lui et son intensité varie suivant la distance (fig. 7.9b et c).
Bien que ces lignes soient invisibles, leur existence et leurs effets sont confirmés par le comportement de la limaille de fer ou par les mouvements de l'aiguille d'une boussole.
La force du champ magnétique d'un aimant est proportionnelle au nombre de lignes de force traversant perpendiculairement le champ par centimètre carré et inversement proportionnelle au carré de la distance (fig. 7.10).
Fig. 7.10 Force d'un champ magnétique
Les lignes de force obéissent à des règles bien définies :
1. Les lignes de force magnétique sortent par le pôle nord et entrent par le pôle sud de l'aimant en formant toujours une boucle 2. les lignes de force magnétique ne se croisent jamais;
3. les lignes de force magnétique passent à travers toutes les substances, mais elles prennent le chemin de moindre réluctance. Le mot réluctance désigne la résistance offerte par une substance au passage du flux magnétique, par analogie à la résistance électrique qui s'oppose au passage du courant dans un circuit;
4. Les lignes de force magnétique s'étirent ou se replient en repoussant les lignes qui leur sont adjacentes, suivant l'action de la force extérieure (fig. 7.4).
82. Champ magnétique
Tous les aimants naturels ou artificiels possèdent la propriété d'influencer le milieu environnant en émettant des lignes de force qui constituent un champ magnétique.
Un champ magnétique se définit donc comme la portion d'espace dans lequel des forces agissent sur un pôle magnétique.
La ligne de force exprime l'idée de la puissance d'un champ magnétique en un point déterminé.
Le nombre de lignes représente la valeur du flux magnétique dont l'unité est le maxwell.
Si dans un champ magnétique uniforme, 10,000 lignes de force traversent une surface de 2 centimètres carrés, le flux magnétique est de 10,000 maxwells et la densité magnétique est de 10000/2 = 5,000 lignes de force par centimètre carré.
Le maxwell est l'unité qui, dans le système C.G.S., représente le flux magnétique d'une ligne de force.
Le flux magnétique total produit par un champ magnétisant est le nombre total de lignes de forces du champ. Il est donné par la formule:
ω = HS
dans laquelle H est exprimé en oersteds.
Dans un champ uniforme, chaque centimètre carré est traversé par le même nombre de lignes de force.
On appelle champ magnétique uniforme un champ magnétique où toutes les lignes de force sont parallèles.
Application 7.02
La force magnétique d'un pôle a une valeur de 100 oersteds. Calculer le flux magnétique à travers une section de 10 cm2 (champ uniforme)
ω = HS = 100 X 10 = 1000 maxwells
83. Circuit magnétique
Le flux magnétique sort par le pôle nord, parcourt le champ magnétique extérieur, entre par le pôle sud pour retourner au pôle nord par le champ intérieur de l'aimant. On appelle ce circuit fermé un circuit magnétique (fig. 7.11).
Fig. 7.11 Circuit magnétique
84. Induction
Un morceau de fer doux placé dans le champ magnétique d'un aimant, sans contact direct, acquiert les propriétés de l'aimant durant tout le temps qu'il reste dans le champ (fig. 7.12), mais l'aimantation cesse dès qu'il en sort ; par contre, l'acier, surtout s'il est trempé, conserve son aimantation.
Fig. 7.12 Induction magnétique
Ce phénomène inductif s'appelle Y induction magnétique d'une pièce induite (l'acier ou le fer) par un corps inducteur, l'aimant.
L'induction se produit lorsque les molécules de fer ou d'acier se placent symétriquement sous l'influence d'une force magnétique.
L'induction est le passage du flux magnétique dans une pièce de fer ou d'acier avec ou sans contact avec l'élément inducteur.
85. Perméabilité magnétique
Tous les corps ne se laissent pas traverser avec la même facilité par le flux magnétique ; par exemple, un noyau d'acier est plus perméable aux lignes de force qu'un noyau de fonte.
Ainsi, avec un circuit de même champ magnétique, une seule ligne de force traversera une surface d'air, tandis que 1,000 lignes de force traverseront la même surface de fer ; cela signifie que la réluctance du fer est 1,000 fois plus faible que celle de l'air, ou que la perméabilité magnétique du fer est 1,000 fois plus grande que celle de l'air.
On appelle perméabilité magnétique la propriété, plus ou moins grande, que possède un corps de se laisser traverser par un flux magnétique.
Si l'on place un corps non magnétique, du verre par exemple, dans le champ d'un aimant, aucun changement appréciable ne se produira dans la direction et le nombre des lignes de force.
Mais si l'on remplace le verre par une pièce de fer doux, le flux magnétique déviera vers elle à cause de sa perméabilité plus grande (fig. 7.13).
Fig. 7.13 Principe de l'écran magnétique (Electrical fundamentals)
On utilise cette particularité dans les écrans magnétiques, comme nous le verrons plus loin.
A l'intérieur d'une bobine sans noyau de fer doux (fig. 7.14a) c'est-à-dire un solénoïde à noyau d'air (µ= 1), le flux de force magnétique H par centimètre carré est exprimé en oersteds et le flux magnétique total du champ a pour valeur ω = H X S d'où l'on tire
H = ω/S
Fig. 7.14 a) Flux magnétique b) Flux d'induction
On appelle intensité d'un champ magnétique la valeur de la force magnétomotrice agissant sur un pôle de masse magnétique égale à l'unité.
Après l'introduction d'un noyau métallique dans le solénoïde (fig. 7.14b), le flux magnétique devient le flux d'induction Φ dont la valeur est plus forte.
Elle est, en effet, égale au produit du flux magnétique par la perméabilité.
Φ = µ X ω
Le quotient du flux d'induction (maxwells) par la section du noyau induit (cm²) représente la valeur de l'induction magnétique (symbole B) pour ce noyau.
On a donc:
B = Φ/S
On exprime B en gauss. 1 gauss = 1 maxwell par centimètre carré. Dans le système anglais, on remplace souvent le centimètre carré par le pouce carré. Dans ce cas, l'unité d'induction est plus faible que le gauss.
Le gauss est l'unité d'induction magnétique.
Le rapport des deux flux B et H s'appelle le coefficient de perméabilité du corps qui constitue le noyau
µ = B/H
En d'autres termes, c'est le rapport de l'induction produite dans une substance magnétique et de l'induction dans l'air, le flux magnétisant restant constant.
De l'équation précédente, on tire B = µ X H
Le tableau suivant donne le coefficient de perméabilité magnétique du fer doux, de l'acier et de la fonte.
On remarquera que la perméabilité (coefficient µ) varie non seulement avec la constitution du noyau, mais aussi avec la valeur de l'induction.
Après avoir augmenté jusqu'à une certaine valeur de B, elle diminue ensuite.
Rappelons que 1 po² = 6.4516 cm².
86. Saturation
La portée pratique de cette constatation apparaîtra au cours de l'étude de l'électromagnétisme.
On y verra que l'induction n'est pas proportionnelle à l'intensité du champ.
À partir d'une certaine valeur du champ magnétisant, une augmentation considérable de l'intensité ne se traduira que par un faible accroissement de l'aimantation. On dit que l'aimant est saturé.
87. Classification magnétique des corps
a) Corps non magnétiques
Les corps non magnétiques ne sont que très faiblement influencés par un champ magnétique. Leur perméabilité magnétique est sensiblement égale à celle de l'air.
On les divise en deux catégories.
1 - Corps paramagnétiques
La perméabilité des paramagnétiques est très légèrement supérieure à celle de l'air et ils s'aimantent légèrement sous l'action d'un champ magnétisant, et dans le même sens que celui-ci.
Tels sont le platine, l'aluminium, le manganèse.
2 - Corps diamagnétiques
La perméabilité magnétique des diamagnétiques est très légèrement inférieure à celle de l'air et ils s'aimantent très légèrement et en sens inverse du champ magnétisant.
Citons l'or, l'argent, le cuivre, le mercure, le bismuth et l'antimoine.
b) Corps magnétiques
On appelle corps magnétiques ceux qui sont influencés fortement par un champ magnétique.
Les ferromagnétiques possèdent au plus haut degré la propriété de s'aimanter : le fer, l'acier, la fonte, le nickel, le cobalt.
La perméabilité de la fonte, de l'acier et du fer varie de 50 à 3200. Celle des alliages spéciaux peut atteindre des valeurs beaucoup plus considérables et leur étude trouvera sa place dans l'électromagnétisme.
Parmi les ferromagnétiques on peut distinguer ceux qui, comme la fonte et le fer, perdent très rapidement leur aimantation dès qu'ils ne sont plus sous l'influence d'un champ magnétisant.
Les autres, au contraire, plus longs à s'aimanter, garderont toujours une grande partie de leur aimantation.
Certains corps, comme l'oxygène liquide, possèdent aussi des propriétés magnétiques et leur alliage avec d'autres éléments joue un rôle très important dans certaines applications industrielles.
Écrans magnétiques
Les effets du magnétisme se font sentir plus ou moins à travers tous les corps non ferromagnétiques et on peut le vérifier en déplaçant un aimant sous un carton (ou une vitre) saupoudré de limaille de fer.
Les lignes de force traversent le verre, le cuivre, le bois, etc.
Aussi rencontre-t-on de grandes difficultés à éliminer les effets qu'un champ magnétique produit sur les instruments de mesure. On y réussit en utilisant un corps de grande perméabilité magnétique.
Par exemple, un conducteur transportant une grande quantité de courant produit un champ magnétique intense qui influencerait un compteur placé dans ce champ ; on place alors l'instrument de mesure dans un boîtier en fer doux ; les lignes de force emprunteront le chemin de moindre résistance et circuleront dans le boîtier sans influer sur le compteur (fig. 7.15).
Fig. 7.15 Écran magnétique
Pour la même cause, la limaille placée à l'intérieur d'un anneau de fer doux ne subira pas l'influence d'un champ magnétique : les lignes de force magnétique sont captées par le contour extérieur de l'anneau qui offre une réluctance moindre au passage des lignes de force.
On voit donc que les écrans magnétiques sont constitués de fer doux qui, grâce à sa grande perméabilité magnétique, attire les lignes de force et protège ainsi une portion d'espace ou un instrument contre les effets d'un champ magnétique.
QUESTIONNAIRE Les réponses ne sont pas données
1. Définir les termes suivants : magnétisme, aimant naturel, aimant artificiel, pôles, pôles intermédiaires, spectre, champ, circuit et écran magnétiques, lignes de force, maxwell, gauss, induction, perméabilité, flux magnétique et densité du flux.
2. De quelle façon obtient-on des aimants artificiels?
3. Indiquer la condition indispensable pour qu'un aimant puisse conserver son magnétisme?
4. Énoncer les lois des pôles.
5. Définir les forces d'attraction et de répulsion.
6. A quoi est égale la force d'attraction ou de répulsion de deux pôles?
7. A quelles règles obéissent les lignes de force magnétiques?
8. Quelle distinction fait-on entre "aimant" et "corps magnétique"?
9. Qu'est-ce qu'un écran magnétique et quelle en est l'utilité?
10. Indiquer la formule des forces de répulsion ou d'attraction des pôles, ainsi que celles du champ, de l'induction et de la perméabilité magnétiques.
PROBLÈMES
7.01 — Deux aimants de 300 unités chacun sont distants de 5 cm et se présentent les pôles contraires.
Calculer la force d'attraction.
7.02 — Un pôle nord de 250 unités est distant de 10 cm d'un pôle sud de 300 unités. Calculer la force d'attraction.
7.03 — La distance entre deux pôles contraires passe de 3 pieds à 12 pieds.
Calculer le rapport des forces d'attraction.
7.04 — Deux pôles semblables de 600 unités chacun sont distants de 12 cm.
Calculer la force de répulsion.
7.05 — Calculer la distance entre deux pôles, l'un de 150 et l'autre de 250 unités, s'ils exercent une force de répulsion de 1,500 dynes.
7.06 — La distance entre deux pôles contraires reste la même, mais leur puissance double.
Calculer le rapport des forces d'attraction.
7.07 — Calculer la puissance d'un aimant qui devra exercer une force de répulsion de 6,000 dynes sur un autre aimant de 300 unités, placé à 3 cm de distance.
7.08 — Calculer le nombre de lignes de force par pouce carré d'un aimant d'une section de un pouce par deux pouces et d'un flux de 50,000 maxwells.
7.09 — Calculer la valeur du flux d'un aimant d'une section de 1/2 pouce par 3 pouces, si la densité du flux est de 20,000 gauss.
7.10 — On insère un noyau de fer dans un solénoïde; la densité du flux magnétique de 2,000 gauss passe à 3,000 gauss.
Quelle est la perméabilité du noyau?
