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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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Fonctionnement des circuits magnétiques à aimants2. Rappels de physique des matériaux magnétiques
Tout utilisateur se doit d’établir une distinction très nette entre, d’une part, l’électromagnétisme et, d’autre part, l’étude des matériaux magnétiques. L’électromagnétisme ne rend pas plus compte des propriétés de la matière que l’électrocinétique ne rend compte de la conductibilité des métaux par exemple.
La physique des matériaux magnétiques représente une branche importante de la physique de la matière condensée. Nous ne retiendrons ici que les principaux résultats indispensables à la compréhension du fonctionnement des aimants, et nous renvoyons le lecteur pour un exposé plus complet, dans ce traité, à l’article Théorie du magnétisme [D 175] et aux ouvrages cités en bibliographie.
2.1 Matériaux magnétiques utilisés en génie électrique
Pour qu’un matériau présente un intérêt technologique dans une application de type électromagnétique, il faut que, dans un environnement convenable, il puisse acquérir une aimantation suffisamment grande, disons, pour fixer les idées, de l’ordre du tesla. Seuls quelques matériaux exceptionnels possèdent une structure électronique favorable. Ils ont en commun au moins trois qualités :
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certains de leurs atomes sont porteurs de moments magnétiques dus à la répartition des électrons dans les sous‐couches électroniques ;
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les moments d’atomes voisins tendent à s’orienter parallèlement les uns aux autres ; on dit alors qu’il existe des interactions d’échange ;
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ces interactions d’échange sont assez fortes pour résister à l’agitation thermique ; en fait, il existe toujours une température limite, la température de Curie, à partir de laquelle le désordre des moments prévaut brutalement ; les matériaux utilisables en construction électrique doivent posséder une température de Curie très supérieure à la température ambiante, supérieure à 300 oC par exemple.
Toutes ces qualités se trouvent réunies dans le fer. Chaque atome de fer porte...
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