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Auteur(s)
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Pierre BRISSONNEAU : Professeur à l’Institut National Polytechnique de Grenoble
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Lire l’articleINTRODUCTION
Est‐il vraiment nécessaire d’insister sur le rôle primordial, irremplaçable, que joue l’énergie électrique dans le développement de nos sociétés dites avancées ? Après seulement un siècle d’existence, l’électricité a tout envahi. Elle conditionne la plupart de nos activités, notre production industrielle, notre confort et nos loisirs.
Les développements prodigieux que l’on a enregistrés depuis la fin du XIX e siècle dans la production, la distribution et l’utilisation de l’énergie électrique n’ont été rendus possibles que grâce à la maîtrise des lois de l’électromagnétisme d’une part, et à l’existence de matériaux de mieux en mieux adaptés aux besoins d’autre part. Les matériaux magnétiques mis en œuvre par les constructeurs électriciens sont finalement peu nombreux. On les range selon leur mode de fonctionnement en deux grandes classes : les matériaux doux d’une part, et les aimants d’autre part. Les ferromagnétiques doux servent à réaliser des circuits soumis à un flux d’induction variable. Ce type de circuit est étudié dans l’article Détermination des champs magnétiques. Circuits magnétiques Circuits magnétiques de ce traité et les matériaux doux dans les articles Alliage fer‐silicium Alliages fer-silicium. Alliages fer‐nickel et fer‐cobalt Alliages fer-nickel et fer-cobalt- Propriétés magnétiques de ce traité et dans les articles Alliages magnétiques doux [M 350] du traité Matériaux métalliques et Ferrites doux [E 1 760] du traité Électronique. En principe, les aimants ne sont intéressants que pour réaliser des circuits où règne un flux d’induction constant ou peu variable.
On utilise les aimants dans un très grand nombre de dispositifs électromagnétiques pour créer des forces d’interaction à distance. Par exemple, dans un moteur électrique, le rotor peut comporter un aimant sur lequel agit un champ tournant, ce qui donne naissance à un couple. Dans un tel système, l’aimant joue un rôle décisif, mais il n’est jamais isolé. Ce n’est qu’un composant d’un ensemble plus vaste qu’on appelle le circuit magnétique, qui doit être étudié avec soin pour en obtenir les performances optimales.
En pratique, on rencontre une très grande variété de circuits et d’applications, et, comme de nouveaux développements voient constamment le jour, cette diversité décourage a priori toute tentative de classification.
Plutôt que de dresser une liste d’applications qui ne saurait être exhaustive et se révélerait probablement très vite périmée, l’auteur croit préférable d’insister sur les principes de fonctionnement des aimants, afin que chaque technicien intéressé soit mieux à même d’analyser et de résoudre ses problèmes spécifiques.
À cet effet, nous accorderons une importance exceptionnelle, dans les premiers paragraphes de cet article, aux rappels d’électromagnétisme classique 1 et à la physique des matériaux ferromagnétiques 2.
Même s’ils n’ont pas la réputation d’être faciles à comprendre, les problèmes de magnétisme ne sont pas plus difficiles à analyser et à résoudre que d’autres. On ne peut toutefois travailler de façon efficace qu’en ayant bien assimilé les bases de l’électromagnétisme, pour comprendre en particulier les relations entre les différents champs qui régissent l’équilibre énergétique du système. Il faut connaître aussi, bien entendu, les caractéristiques intrinsèques des matériaux et leurs variations en fonction de l’environnement, qui font l’objet d’un article distinct (Aimants permanents. Matériaux et applications Aimants permanents- Matériaux et applications). En toute logique, les propriétés particulières des différents matériaux ne peuvent être abordées qu’après avoir bien assimilé les lois générales qui régissent leur comportement.
Dans cet article, nous n’utiliserons pas, pour l’aimantation 1.4, le symbole normalisé M (exprimé en A/m). Nous appellerons aimantation ce qui est, en réalité, la polarisation magnétique ou induction intrinsèque :
Cette grandeur s’exprime en teslas, unité bien adaptée au traitement des matériaux utilisés en construction électrique et habituellement employée dans la physique des matériaux magnétiques.
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Rappels d’électromagnétisme classique6. Aimantation, désaimantation et vieillissement des aimants
L’aimantation confère au circuit magnétique son énergie potentielle. C’est une opération faite une fois pour toutes au moment de la construction du circuit ou immédiatement avant sa mise en service. Dans quelles conditions est‐il souhaitable d’opérer ? C’est ce que nous allons envisager maintenant.
6.1 Aimantation
On réalise cette opération en appliquant au circuit magnétique un champ d’excitation d’orientation convenable et suffisamment intense. Que faut‐il entendre par là, et pendant combien de temps faut‐il maintenir ce champ intense ? Les matériaux pour aimants étant des matériaux ferromagnétiques particuliers, la réponse à ces questions doit être recherchée à travers les processus d’aimantation.
On n’obtient la saturation pratique qu’en appliquant au matériau un champ d’excitation valant au moins trois fois son champ coercitif intrinsèque Hc J (et si l’on peut appliquer un champ valant cinq fois Hc J , c’est mieux !). S’il reste imparfaitement aimanté, l’aimant comporte un certain nombre de domaines d’aimantation inverse, en particulier à sa surface et aux joints de grains. Ces domaines inverses contribuent à abaisser de façon sensible l’aimantation rémanente et toute la courbe de désaimantation. En d’autres termes, une aimantation insuffisante équivaut à un gaspillage du potentiel de l’aimant.
En principe, la durée d’application du champ magnétique interne effectif importe beaucoup moins que son amplitude. L’expérience montre qu’une durée de l’ordre d’une microseconde est un temps très long en dynamique des spins, ce qu’illustrent d’ailleurs les développements de l’enregistrement magnétique (informatique, magnétoscopes, etc.). Les difficultés naissent souvent dans ce domaine de la confusion entre le champ magnétique extérieur appliqué au circuit et le champ magnétique interne vu par les moments. Toute variation d’induction magnétique dans un matériau conducteur entraîne la naissance de courants induits qui freinent de façon extrêmement efficace la diffusion du champ d’excitation à cœur de l’aimant. Chaque fois qu’on utilise des matériaux conducteurs, il faut donc prévoir une durée d’impulsion suffisante pour obtenir l’extinction totale des courants induits, ce qui peut être très long dans le cas de pièces polaires...
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