Magnétisme
Le magnétisme est un phénomène qui joue un rôle fondamental dans la plupart des appareils électriques. Dans cette section, nous étudions les principes fondamentaux du magnétisme, de même que les conventions et les unités associées.
Aimants naturels, aimants artificiels
Les anciens avaient remarqué que certaines pierres ont la propriété d'attirer le fer; si on les plonge dans de la limaille de fer, celle-ci y reste fixée en certains points.
C'est cette propriété que l'on appelle magnétisme. Ces pierres sont appelées aimants naturels (Fig. 12-1).
Figure 12-1 Un aimant naturel attire la limaille de fer
Il est possible de communiquer cette propriété à des barres d'acier par un traitement spécial. Celles-ci sont désignées sous le nom d'aimants artificiels; on distingue les aimants artificiels temporaires et les aimants artificiels permanents.
On leur donne des formes diverses: barreau droit (Fig. 12-2a), barreau recourbé en fer à cheval (Fig. 12-2b), aiguille plate, en forme de losange allongé (Fig. 12-2c).
Figure 12-2 Divers aimants
artificiels :
a. barreau droit
b. barreau en fer à cheval
c. aiguille
d'une boussole
Nous verrons plus loin que les aimants temporaires deviennent aimantés seulement lorsqu'on les place dans un champ magnétique tandis que les aimants permanents conservent en grande partie leur aimantation après avoir été retirés du champ magnétique.
Si on plonge un aimant artificiel dans de la limaille de fer, on constate que les particules de limaille adhèrent surtout aux extrémités : l'attraction y est donc plus forte.
Ces extrémités, qui jouissent plus particulièrement de la propriété de magnétisme, constituent les pôles de l'aimant.
Orientation des aimants
Si un barreau droit aimanté est suspendu par une ficelle, il s'oriente de lui-même sensiblement dans la direction Nord-Sud géographique.
La même extrémité de l'aimant se dirige toujours vers le Nord, l'autre, toujours vers le Sud.
Les deux pôles ne sont donc pas identiques: par convention, on donne le nom de pôle nord magnétique à l'extrémité qui se dirige vers le pôle Nord de la terre, et celui de pôle sud à celui qui se dirige vers le Sud (Fig. 12-3).
Figure 12-3 Détermination de la polarité magnétique d'un aimant en suspendant l'aimant dans le champ terrestre
Attraction et répulsion
Si l'on approche les pôles nord (N) des deux aimants de la Fig. 12-3 l'un vers l'autre, on constate qu'ils se repoussent. On observerait la même répulsion entre les deux pôles sud (S) (Fig. 12-4).
Figure 12-4 Loi de la répulsion et de l'attraction
Si l'on approche maintenant le pôle sud d'un aimant du pôle nord de l'autre, on constate cette fois-ci une attraction.
On peut alors énoncer la première loi du magnétisme: les pôles semblables de deux aimants se repoussent; les pôles contraires s'attirent.
Lignes de force
Une boussole est composée essentiellement d'une petite aiguille aimantée, montée sur un pivot et libre de se mouvoir. Si l'on place une boussole dans le voisinage d'un aimant, son pôle nord est repoussé par le pôle nord de l'aimant.
Si, à partir de l'extrémité A de l'aimant (Fig. 12-5), on dispose toute une série de petites boussoles de façon que les aiguilles se suivent, on constate qu'elles forment une ligne courbe régulière allant de A à B.
Figure 12-5 Orientation d'une série de boussoles dans un champ magnétique
De la même manière, en partant d'un autre point tel que X, on trouve un nouveau chemin aboutissant au point Y.
On peut ainsi tracer un nombre infini de ces chemins.
La Fig. 12-6 indique quelques-uns de ces chemins que l'on appelle lignes de force ou lignes de flux.
Figure 12-6 Concept de ligne de force
En continuant l'expérience, on trouverait que ces lignes de force existent dans tout l'espace entourant le barreau.
On donne le nom de champ magnétique à la région de l'espace traversée par les lignes de force. Le champ magnétique autour d'un aimant n'est affecté que par le voisinage du fer, du cobalt, du nickel et de leurs alliages.
Les lignes de force peuvent donc traverser des matériaux tels que le ciment, le papier, le bois comme s'ils étaient de l'air.
Bien que ces lignes de force n'existent pas réellement, leur représentation est quand même utile, car elle permet de déterminer la direction et l'intensité d'un champ magnétique.
Sens des lignes de force
Pour faciliter l'étude du magnétisme, on établit par convention que le sens d'une ligne de force en un point est celui vers lequel pointe le pôle nord d'une boussole.
Comme le montre la Fig. 12-7, les lignes de force seront orientées du pôle nord au pôle sud à l'extérieur de l'aimant. Donc, toute ligne de force sort du pôle nord pour rentrer dans le pôle sud.
On suppose également que chaque ligne se referme à l'intérieur de l'aimant pour compléter une boucle (Fig. 12-7).
Figure 12-7 Détermination du sens d'une ligne de force
Détermination du spectre magnétique à l'aide de limaille de fer
Un moyen facile et rapide de déterminer la direction et la distribution des lignes de force consiste à placer une feuille de papier sur un barreau aimanté et à saupoudrer cette feuille de limaille de fer doux.
En secouant légèrement le papier, on constate que les grains de limaille se disposent les uns à la suite des autres d'une façon régulière en formant un certain nombre de lignes courbes. L'ensemble des lignes courbes dessinées par la limaille représente le spectre magnétique de l'aimant.
La Fig. 12-8 représente le spectre magnétique d'un barreau droit aimanté.
Figure 12-8 Spectre magnétique décrit par la limaille de fer autour d'un barreau aimanté.
Donc, en pratique, on peut déterminer l'allure d'un champ magnétique à l'aide de la limaille et son sens à l'aide d'une boussole.
Prédétermination du spectre magnétique
Il est possible de prédéterminer la forme d'un champ magnétique sans avoir recours à la limaille de fer, en se basant uniquement sur certaines propriétés des lignes de force.
Il suffit d'appliquer les règles suivantes :
1. les lignes de force sont semblables à des fils élastiques tendus, entre lesquels existe une force de répulsion;
2. les lignes partent toujours d'un pôle nord et aboutissent à un pôle sud;
3. les lignes de force ne se croisent jamais;
4. les lignes tendent à suivre le chemin le plus court ou le plus facile.
Exemple 12-1
Déterminer le spectre magnétique des deux aimants de la Fig. 12-9a.
Figure 12-9a Orientation polaire de deux aimants permanents (exemple 12-1)
Solution
Le spectre aura la forme donnée à la Fig. 12-9b.
Figure 12-9b Spectre magnétique résultant
On notera que:
1. les lignes de force sortent des pôles nord et rentrent dans les pôles sud, sans toutefois se croiser;
2. les lignes «tendues» cherchent à se rétrécir, en même temps qu'une force de répulsion se manifeste entre elles. L'ensemble de ces forces provoque une déformation, un ballonnement des lignes ;
3. les barreaux se repoussent à cause de la force de répulsion existant entre les lignes qui sortent des pôles nord.
Flux magnétique (θ)
Le flux magnétique à travers une surface donnée est l'ensemble des lignes de force qui traversent cette surface. θ est une lettre grecque qui se prononce «phi».
Le flux est d'autant plus grand que la surface est plus grande et que les lignes de force sont plus serrées . La valeur du flux dépend également de l'orientation de la surface par rapport à la direction des lignes.
Si la surface est inclinée par rapport à la direction des lignes (Fig. 12-10), le flux à travers cette surface est plus faible car elle est traversée par un nombre moindre de lignes de force. Le flux est maximal quand la surface est perpendiculaire aux lignes et nul quand elle leur est parallèle.
Figure 12-10 Le flux traversant une surface dépend de son orientation
L'unité SI de flux magnétique est le weber (Wb) .
Il vaut 100 000 000 ou 108 lignes .
Un milliweber (mWb) équivaut donc à 100 000 lignes et un microweber (gWb) à 100 lignes. Cette unité SI (1 Wb = 108 lignes) a l'avantage de simplifier les formules de l'électromagnétisme que nous rencontrerons plus loin .
Un weber représente une quantité de flux considérable; en effet, pour produire un tel flux, il faudrait utiliser un aimant permanent énorme ayant une hauteur de 1,5 mètres, une longueur de 1,5 mètres et une épaisseur de 1 mètre (Fig . 12-11). Sa masse serait de 2 tonnes environ.
Figure 12-11 Dimensions d'un aimant pouvant créer un flux de 1 weber
Densité de flux magnétique (B)
La densité de flux est aussi appelée «induction magnétique»
Nous avons tous remarqué, par expérience, que la force d'attraction d'un aimant permanent, sur un morceau de fer, croît à mesure que l'on approche l'une des extrémités de l'aimant.
D'autre part, on voit que les lignes de flux sont plus serrées près de ces extrémités ou pôles (Fig. 12-6). On est donc amené à la conclusion que la concentration des lignes de force est une mesure de la densité du champ.
Plus le champ sera dense, plus le nombre de lignes dans un espace donné sera grand et plus les lignes seront rapprochées .
Ainsi le flux magnétique représenté à la Fig. 12-12a, est deux fois plus dense que celui de la Fig. 12-12b car il produit deux fois plus de lignes à travers une même surface.
Figure 12-12 La densité de flux en un point est égale au nombre de webers par mètre carré qui traversent une surface orientée perpendiculairement aux lignes de force . La densité de flux en (a) est le double de celle en (b)
L'unité SI de densité de flux magnétique est le tesla (symbole T).
Elle est égale à un weber par mètre carré; donc 1 T = 1 Wb/m².
Pour donner une idée du tesla, mentionnons que la densité de flux dans le noyau d'un transformateur atteint une valeur maximale de 2 teslas et que celle du champ magnétique terrestre varie entre 25 et 50 microteslas (µT), selon l'endroit.
Aimantation par influence
Un barreau de fer doux placé au voisinage d'un aimant, même sans le toucher, acquiert temporairement les propriétés d'un aimant (Fig. 12-13). On dit alors que le barreau s'aimante par influence.
(fer doux: acier recuit à très basse teneur en carbone, utilisé pour les noyaux de circuits magnétiques)
Figure 12-13 Phénomène de l'aimantation par influence
Le barreau de fer doux présente deux pôles et devient un aimant complet.
Son extrémité la plus rapprochée du pôle nord de l'aimant deviendra un pôle sud. Le barreau s'aimante en effet de la façon suivante : il se forme un pôle sud à l'extrémité où les lignes de force pénètrent dans le barreau et un pôle nord, à l'extrémité où elles ressortent.
Ce phénomène d'aimantation par influence explique l'attraction exercée par un aimant sur un barreau de fer : lorsqu'on rapproche le barreau d'un pôle de l'aimant, un pôle contraire d'établit dans le barreau et provoque, par le fait même, l'attraction.
On peut vérifier que le barreau de fer doux a acquis lui aussi la propriété d'attirer le fer, en y suspendant un clou. Quand on éloigne le barreau de fer doux de l'aimant, l'influence de ce dernier ne se fait plus sentir, l'aimantation du fer doux disparaît et le clou tombe.
Effet du fer doux sur un champ magnétique
La Fig. 12-14 montre ce qui se produit lorsqu'on introduit un morceau de fer doux dans le champ magnétique d'un aimant: les lignes de force sont déformées comme si elles cherchaient à passer surtout à travers le fer plutôt que de continuer à travers l'air. Les lignes de force paraissent «aspirées» par le fer .
Figure 12-14 Les lignes de flux ont tendance à passer à travers un morceau defer placé à proximité d'un aimant
On dit alors que le fer est plus perméable aux lignes de force que l'air, car il se laisse traverser plus facilement par celles-ci. Le fer est un meilleur conducteur du flux magnétique que l'air.
Nature du ferromagnétisme
Les pôles d'un aimant sont inséparables; il n'est pas possible d'obtenir, par exemple, un aimant portant un pôle nord et aucun pôle sud.
Si l'on coupe un aimant en deux, chaque morceau possède un pôle nord et un pôle sud; si l'on continue à briser les morceaux obtenus, chaque fragment forme un aimant complet présentant un pôle nord et un pôle sud.
Enfin, si l'on pousse la division des fragments à l'extrême limite, on aboutit à l'aimant élémentaire portant toujours deux pôles contraires et de force égale.
D'après la théorie d'Ewing, tout se passe comme si un morceau de fer non aimanté était constitué d'un grand nombre de ces petits aimants élémentaires, tous identiques, orientés au hasard et produisant des champs dans toutes les directions.
James Alfred Ewing (1855-1935) est un physicien écossais qui a apporté une importante contribution à la théorie du ferromagnétisme.
Les pôles nord et les pôles sud se neutralisent donc, ne donnant ainsi aucun pôle à l'extérieur du morceau de fer (Fig . 12-15a) .
Figure 12-15
a. Orientation des aimants à l'intérieur d'un morceau de fer .
b. Orientation des aimants élémentaires lorsque le fer est placé dans un champ magnétique.
Quand le morceau est placé dans un champ magnétique extérieur, les petits aimants élémentaires s'alignent comme des milliers de petites boussoles (Fig. 12-15b) .
L' orientation des aimants élémentaires est telle que tous leurs pôles nord se dirigent dans le même sens.
Les champs magnétiques fournis par chacun d'eux s'ajoutent pour donner un champ magnétique résultant considérable; il apparaît un pôle nord et un pôle sud aux extrémités du morceau de fer.
Dès que le champ magnétique extérieur disparaît, les petits aimants reprennent leur indépendance et s'orientent au hasard, la somme de leurs champs redevient nulle et les pôles du morceau de fer disparaissent.
Théorie des domaines
Bien que la théorie d'Ewing ait permis d'expliquer convenablement plusieurs phénomènes ferromagnétiques, on fait appel aujourd'hui à une théorie plus évoluée: la théorie des domaines.
Selon cette théorie, chaque atome de fer se comporte comme un petit aimant permanent (appelé dipôle) dont le champ magnétique est créé par la rotation et le spin des électrons sur leur orbite.
Les champs magnétiques des atomes voisins s'influencent mutuellement, de sorte que les dipôles cherchent à s'aligner. Cette orientation atomique des champs se produit dans de petites régions appelées domaines.
Dans un morceau de fer, la grandeur des domaines varie beaucoup, mais ordinairement ils sont assez grands pour être vus à l'aide d'un simple microscope.
À l'intérieur d'un domaine, tous les champs magnétiques des atomes sont orientés dans une même direction, ce qui produit un champ global assez intense. Cependant, les domaines sont eux-mêmes orientés dans toutes les directions, de sorte que le champ magnétiques».
Afin de comprendre le processus d'orientation, considérons un morceau de fer, extrêmement petit, composé de 4 domaines seulement (Fig. 12-16a).
Figure 12-16a Orientation du champ magnétique à l'intérieur d'un petit morceau de fer composé de 4 domaines. Le morceau de fer ne produit aucun champ extérieur
Chacun des domaines produit un champ magnétique dont le sens est indiqué par une flèche. Comme les flèches se suivent en boucle fermée, le petit morceau de fer ne crée aucun champ à l'extérieur de ses parois.
Ces domaines sont séparés par des «murs» très étroits (représentés sur la figure par des lignes doubles), épais de 100 nanomètres seulement.
Ces murs représentent en fait la zone de transition où l'orientation des dipôles change graduellement d'un sens à l'autre.
Par exemple, dans le mur qui sépare les domaines 2 et 3, les dipôles changent progressivement de l'orientation du domaine 2 à celle du domaine 3.
Si on place le morceau de fer dans un champ magnétique extérieur, comme celui créé par le pôle nord d'un aimant (Fig. 12-16b), quelques-uns des dipôles situés dans les murs s'orientent dans le sens des lignes de flux produites par ce pôle nord.
Figure 12-16b Lorsque le morceau de fer est placé dans un champ magnétique, les murs entre les domaines se déplacent . Cela a pour effet de changer les dimensions des domaines . La prépondérance du domaine 2 produit un champ magnétique qui s'ajoute au champ magnétique extérieur
Cela a pour effet de grossir le domaine 2, aux dépens des autres domaines qui deviennent forcément plus petits . Il se produit donc un déplacement et un rétrécissement progressif des murs, au fur et à mesure que le champ extérieur augmente. Le petit morceau de fer commence donc à produire son propre champ extérieur, comme le montre la figure.
Enfin, si le champ extérieur est suffisamment intense, les murs disparaissent complètement et il ne subsiste plus qu'un seul domaine dans lequel tous les dipôles sont orientés dans le sens du champ extérieur (Fig. 12-16c).
Figure 12-16c Si le champ magnétique extérieur est suffisamment intense, les 4 domaines deviennent un seul domaine . Le petit morceau de fer produit un champ intense qui s'ajoute au champ magnétique extérieur.
Les extrémités du morceau de fer développent alors un pôle nord et un pôle sud de force considérable.
Que se passe-t-il lorsque le champ extérieur disparaît?
Pour répondre à cette question, il faut faire appel à des considérations énergétiques.
Le champ magnétique créé par un domaine représente de l'énergie emmagasinée dans celui-ci. Dans le cas de la Fig . 12-16a, l'énergie potentielle emmagasinée dans les quatre domaines est égale à la somme de leurs énergies potentielles individuelles.
Cependant, lorsque les 4 domaines sont orientés dans la même direction (Fig. 12-16c), l'énergie potentielle totale est supérieure à celle de la précédente (Fig . 12-16a).
Étant donné que tout système physique tend vers un état d'énergie minimale, il s'ensuit que les domaines réapparaissent dès qu'on supprime le champ extérieur. Les domaines orientés au hasard se rétablissent de nouveau et les pôles magnétiques disparaissent.
Aimantation rémanente
Nous venons de dire que lorsque le fer est soustrait de l'influence du champ magnétique extérieur, son aimantation disparaît.
Ceci n'est pas tout à fait exact car un certain nombre de domaines resteront orientés dans le même sens et créeront ainsi un faible pôle nord et un faible pôle sud. La faible aimantation qui subsiste est l'aimantation rémanente et le flux conservé est le flux résiduel.
Ce phénomène est traité en plus grand détail à la section Hystérésis et aimants permanents.
Si, au lieu du fer doux, on avait placé dans le champ magnétique certaines variétés d'acier, l'aimantation au.rait subsisté presque complètement après la suppression du champ.
On aurait alors obtenu un aimant permanent. L'aimantation du fer doux est temporaire, celle de l'acier, permanente.
Cette propriété que possède l'acier de retenir son aimantation est mise en évidence quand un tournevis vient en contact avec un aimant permanent : l'aimantation rémanente est suffisamment forte pour que le tour.nevis puisse soulever des vis et des clous d'acier.
Aimants permanents
On appelle aimants permanents les corps qui ont la propriété de conserver une très grande aimantation rémanente, et qui se désaimantent difficilement lorsqu'ils ont été aimantés . On les obtient en plaçant le morceau à aimanter dans un champ magnétique intense.
Autrefois, on employait presque exclusivement l'acier au carbone trempé, mais la métallurgie moderne a permis de réaliser un grand nombre d'alliages bien supérieurs.
En plus du fer, le constituant principal de ces aimants modernes est soit le chrome, soit le tungstène, soit le nickel. L'aluminium, le cobalt et le titane entrent par.fois dans la composition comme éléments secondaires.
Citons par exemple l'alnico V qui comporte 51 % de fer, 14 % de nickel, 8 % d'aluminium, 24 % de co.balt et 3 % de cuivre.
Depuis 1970, les scientifiques ont réussi à créer un aimant permanent 5 fois plus fort que l'alnico, pour une même masse. Il est composé d'un alliage de 25 % de samarium, 49 % de cobalt, 12 % de fer, 8 % de cuivre et 6 % de zirconium.
Ce genre d'aimant porte le symbole chimique Sm2Co1 7; à cause de la présence du samarium, il fait partie de la classe des aimants dits à terre rare. Cette classe comprend les aimants composés de néodyme, boron et fer.
La Fig. 12-17 donne les dimensions relatives de qua.tre aimants de compositions différentes mais ayant la même intensité d'aimantation .
Figure 12-17 Évolution de la technologie: dimensions relatives de quatre aimants permanents produisant le même flux. L'aimant TR à terre rare est 100 fois plus petit qu'un aimant à acier au carbone
Les aimants permanents sont employés dans un très grand nombre d'appareils.
Parmi ceux-ci, citons les instruments de mesures (voltmètres à courant continu, indicateurs de vitesse pour automobiles), les haut-parleurs, et les aimants utilisés dans certains moteurs électriques. Les aimants permanents seront étudiés plus en détail à la section Hystérésis et aimants permanents.
Résumé
Les aimants existent à l'état naturel mais on peut aussi communiquer cette propriété de magnétisme à certains corps composés essentiellement de fer, nickel, cobalt, qu'on appelle aimants artificiels.
Un aimant comprend un pôle nord et un pôle sud. Deux pôles de types contraires (N-S) s'attirent alors que deux pôles de même type (N-N ou S-S) se repoussent.
Dans l'espace entourant les pôles d'un aimant existe un champ magné.tique composé de lignes de flux ou lignes de force. Les lignes forment des boucles qui partent du pôle nord et entrent dans le pôle sud. L'ensemble de ces lignes de force constitue le spectre magnétique.
La somme des lignes de force traversant une surface donnée constitue le flux magnétique. L'unité SI de flux magnétique est le weber (Wb). La densité de flux magnétique à un point donné mesure l'intensité du champ magnétique à ce point.
L'unité de densité de flux est le tesla (T); il équivaut à 1 weber par mètre carré (1 T = 1 Wb/m²). Certains matériaux ferromagnétiques comme le fer doux sont perméables aux lignes de flux. Cette propriété de canaliser les lignes de flux s'explique par la théorie des domaines.
Chaque domaine constitue un petit aimant s'orientant dans le sens des lignes de force créées par le champ extérieur et augmente ainsi la densité de flux à l'intérieur du corps ferromagnétique.
Lorsqu'ils sont soustraits à l'influence du champ extérieur, les corps ferromagnétiques conservent une certaine aimantation rémanente ou flux rémanent. C'est ce flux rémanent intense ainsi que leur capacité de con.server cette aimantation qui distingue les aimants permanents.
Il existe actuellement des aimants permanents très puissants fabriqués avec des alliages complexes à base de fer, nickel, cobalt, cuivre, comme l'alnico, ou des éléments classés dans les terres rares, comme le néodyme.
PROBLÈMES
Niveau pratique
12-1 Comment peut-on déterminer la polarité N-S d'un barreau aimanté sans aucun appareil magnétique?
12-2 Deux pôles magnétiques semblables s'attirent- ils?
12-3 Énumérer trois propriétés des lignes de force.
12-4 Quel est le sens adopté pour les lignes de force d'un aimant?
12-5 Nommer trois matériaux magnétiques .
12-6 Qu'est-ce que l'aimantation rémanente?
12-7 Donner deux applications des aimants permanents.
Niveau intermédiaire
12-8 Au pôle Nord de la terre (pôle géographique) se trouve un pôle sud magnétique. Expliquer.
12-9 Comment peut-on réaimanter un aimant permanent qui a perdu son aimantation?
12-10 En se basant sur la théorie des domaines, com- ment peut-on expliquer le phénomène de l'attraction d'un morceau de fer par un aimant permanent?
12-11 À partir des propriétés des lignes de force, établir l'allure générale du spectre magnétique autour de deux barreaux aimantés disposés suivant les Fig. 12-18 et 12-19.
Figure 12-18 Voir problème 12-11
Figure 12-19 Voir problème 12-11
12-12 Un aimant permanent très puissant attire toujours l'un des pôles d'une boussole, même si l'on place un pôle de l'aimant vis-à-vis d'un pôle semblable de la boussole. Expliquer.
