Hystérésis magnétique

Nous savons que le flux magnétique généré par une bobine électromagnétique est la quantité de champ magnétique ou de lignes de force produite dans une zone donnée et qu’il est plus communément appelé « densité de flux ». Étant donné le symbole B avec l’unité de densité de flux étant le Tesla, T.

Nous savons également des tutoriels précédents que la force magnétique d’un électroaimant dépend du nombre de tours de la bobine, du courant circulant dans la bobine ou du type de matériau du noyau utilisé, et si nous augmentons soit le courant ou le nombre de tours, nous pouvons augmenter l’intensité du champ magnétique, symbole H.

Auparavant, la perméabilité relative, symbole μr, était définie comme le rapport entre la perméabilité absolue μ et la perméabilité de l’espace libre μo (le vide) et elle était donnée comme une constante. Cependant, la relation entre la densité de flux, B, et l’intensité du champ magnétique, H, peut être définie par le fait que la perméabilité relative, μr, n’est pas une constante mais une fonction de l’intensité du champ magnétique, ce qui donne la densité de flux magnétique comme suit : B = μ H.

Alors la densité de flux magnétique dans le matériau sera augmentée d’un plus grand facteur en raison de sa perméabilité relative pour le matériau par rapport à la densité de flux magnétique dans le vide, μoH et pour une bobine à air, cette relation est donnée comme :

Donc, pour les matériaux ferromagnétiques, le rapport entre la densité de flux et l’intensité du champ ( B/H ) n’est pas constant mais varie avec la densité de flux. Cependant, pour les bobines à air ou tout noyau en milieu non magnétique comme les bois ou les plastiques, ce rapport peut être considéré comme une constante et cette constante est connue sous le nom de μo, la perméabilité de l’espace libre, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).

En traçant les valeurs de la densité de flux, ( B ) en fonction de l’intensité du champ, ( H ) nous pouvons produire un ensemble de courbes appelées courbes de magnétisation, courbes d’hystérésis magnétique ou plus communément courbes B-H pour chaque type de matériau de noyau utilisé comme indiqué ci-dessous.

Courbe de magnétisation ou courbe B-H

L’ensemble des courbes de magnétisation, M ci-dessus représente un exemple de la relation entre B et H pour les noyaux en fer doux et en acier mais chaque type de matériau de noyau aura son propre ensemble de courbes d’hystérésis magnétique. Vous pouvez remarquer que la densité de flux augmente proportionnellement à l’intensité du champ jusqu’à ce qu’elle atteigne une certaine valeur où elle ne peut plus augmenter devenant presque égale et constante alors que l’intensité du champ continue à augmenter.

C’est parce qu’il y a une limite à la quantité de densité de flux qui peut être générée par le noyau car tous les domaines dans le fer sont parfaitement alignés. Toute augmentation supplémentaire n’aura aucun effet sur la valeur de M, et le point du graphique où la densité de flux atteint sa limite est appelé saturation magnétique également connue sous le nom de saturation du noyau et dans notre exemple simple ci-dessus, le point de saturation de la courbe en acier commence à environ 3000 ampères-tours par mètre.

La saturation se produit parce que, comme nous nous en souvenons du précédent tutoriel sur le magnétisme qui incluait la théorie de Weber, l’arrangement aléatoire désordonné de la structure des molécules au sein du matériau du noyau change à mesure que les minuscules aimants moléculaires au sein du matériau deviennent « alignés ».

A mesure que l’intensité du champ magnétique, ( H ) augmente, ces aimants moléculaires s’alignent de plus en plus jusqu’à ce qu’ils atteignent un alignement parfait produisant une densité de flux maximale et toute augmentation de l’intensité du champ magnétique due à une augmentation du courant électrique circulant dans la bobine aura peu ou pas d’effet.

Retentivité

Supposons que nous avons une bobine électromagnétique avec une intensité de champ élevée due au courant qui la traverse et que le matériau du noyau ferromagnétique a atteint son point de saturation, la densité de flux maximale. Si nous ouvrons maintenant un interrupteur et supprimons le courant magnétisant qui circule dans la bobine, nous nous attendrions à ce que le champ magnétique autour de la bobine disparaisse, le flux magnétique étant réduit à zéro.

Cependant, le flux magnétique ne disparaît pas complètement car le matériau du noyau électromagnétique conserve une partie de son magnétisme même lorsque le courant a cessé de circuler dans la bobine. Cette capacité pour une bobine de conserver une partie de son magnétisme à l’intérieur du noyau après l’arrêt du processus de magnétisation est appelée rétentivité ou rémanence, tandis que la quantité de densité de flux restant encore dans le noyau est appelée magnétisme résiduel, BR .

La raison en est que certains des minuscules aimants moléculaires ne reviennent pas à un modèle complètement aléatoire et pointent encore dans la direction du champ magnétisant original, ce qui leur donne une sorte de « mémoire ». Certains matériaux ferromagnétiques ont une forte rémanence (magnétiquement dur) ce qui les rend excellents pour la production d’aimants permanents.

Alors que d’autres matériaux ferromagnétiques ont une faible rémanence (magnétiquement doux) ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les électroaimants, les solénoïdes ou les relais. Une façon de réduire cette densité de flux résiduel à zéro est d’inverser le sens du courant qui traverse la bobine, rendant ainsi la valeur de H, l’intensité du champ magnétique négative. Cet effet est appelé force coercitive, HC .

Si ce courant inverse est encore augmenté, la densité de flux augmentera également dans le sens inverse jusqu’à ce que le noyau ferromagnétique atteigne à nouveau la saturation, mais dans le sens inverse du précédent. La réduction du courant de magnétisation, i une fois de plus à zéro produira une quantité similaire de magnétisme résiduel mais dans la direction inverse.

Alors, en changeant constamment la direction du courant de magnétisation à travers la bobine d’une direction positive à une direction négative, comme ce serait le cas dans une alimentation AC, une boucle d’hystérésis magnétique du noyau ferromagnétique peut être produite.

Boucle d’hystérésis magnétique

La boucle d’hystérésis magnétique ci-dessus, montre le comportement d’un noyau ferromagnétique graphiquement car la relation entre B et H est non linéaire. En commençant avec un noyau non magnétisé, B et H seront tous deux à zéro, le point 0 sur la courbe de magnétisation.

Si le courant de magnétisation, i, est augmenté dans une direction positive jusqu’à une certaine valeur, l’intensité du champ magnétique H augmente linéairement avec i et la densité de flux B augmentera également comme le montre la courbe du point 0 au point a alors qu’elle se dirige vers la saturation.

Maintenant, si le courant de magnétisation dans la bobine est réduit à zéro, le champ magnétique circulant autour du noyau se réduit également à zéro. Cependant, le flux magnétique de la bobine n’atteindra pas zéro en raison du magnétisme résiduel présent à l’intérieur du noyau et cela est illustré sur la courbe du point a au point b.

Pour réduire la densité de flux au point b à zéro, nous devons inverser le courant circulant dans la bobine. La force magnétisante qui doit être appliquée pour annuler la densité de flux résiduelle est appelée « force coercitive ». Cette force coercitive inverse le champ magnétique réarrangeant les aimants moléculaires jusqu’à ce que le noyau devienne non magnétisé au point c.

Une augmentation de ce courant inverse provoque la magnétisation du noyau dans la direction opposée et en augmentant encore ce courant de magnétisation, le noyau atteindra son point de saturation mais dans la direction opposée, le point d sur la courbe.

Ce point est symétrique du point b. Si le courant de magnétisation est à nouveau réduit à zéro, le magnétisme résiduel présent dans le noyau sera égal à la valeur précédente mais en sens inverse au point e.

En inversant à nouveau le courant de magnétisation circulant dans la bobine, cette fois dans une direction positive, le flux magnétique atteindra zéro, le point f sur la courbe et comme précédemment, en augmentant encore le courant de magnétisation dans une direction positive, le noyau atteindra la saturation au point a.

Alors, la courbe B-H suit le chemin de a-b-c-d-e-f-a alors que le courant de magnétisation circulant dans la bobine alterne entre une valeur positive et négative comme le cycle d’une tension alternative. Ce chemin est appelé une boucle d’hystérésis magnétique.

L’effet de l’hystérésis magnétique montre que le processus de magnétisation d’un noyau ferromagnétique et donc la densité de flux dépend de la partie de la courbe sur laquelle le noyau ferromagnétique est magnétisé car cela dépend de l’histoire passée des circuits donnant au noyau une forme de « mémoire ». Ensuite, les matériaux ferromagnétiques ont une mémoire parce qu’ils restent magnétisés après que le champ magnétique externe a été supprimé.

Cependant, les matériaux ferromagnétiques doux tels que le fer ou l’acier au silicium ont des boucles d’hystérésis magnétique très étroites résultant en de très petites quantités de magnétisme résiduel, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les relais, les solénoïdes et les transformateurs car ils peuvent être facilement magnétisés et démagnétisés.

Puisqu’une force coercitive doit être appliquée pour surmonter ce magnétisme résiduel, un travail doit être effectué pour fermer la boucle d’hystérésis, l’énergie utilisée étant dissipée sous forme de chaleur dans le matériau magnétique. Cette chaleur est connue sous le nom de perte d’hystérésis, la quantité de perte dépend de la valeur de la force coercitive du matériau.

En ajoutant des additifs au métal ferreux comme le silicium, on peut fabriquer des matériaux avec une très petite force coercitive qui ont une boucle d’hystérésis très étroite. Les matériaux avec des boucles d’hystérésis étroites sont facilement magnétisés et démagnétisés et connus comme des matériaux magnétiques doux.

Boucles d’hystérésis magnétiques pour les matériaux doux et durs

L’hystérésis magnétique entraîne la dissipation d’énergie perdue sous forme de chaleur, l’énergie perdue étant proportionnelle à la surface de la boucle d’hystérésis magnétique. Les pertes par hystérésis seront toujours un problème dans les transformateurs à courant alternatif où le courant change constamment de direction et donc les pôles magnétiques dans le noyau causeront des pertes car ils inversent constamment la direction.

Les bobines rotatives dans les machines à courant continu subiront également des pertes par hystérésis car elles passent alternativement les pôles magnétiques nord et sud. Comme dit précédemment, la forme de la boucle d’hystérésis dépend de la nature du fer ou de l’acier utilisé et dans le cas d’un fer qui est soumis à des inversions massives de magnétisme, par exemple les noyaux de transformateurs, il est important que la boucle d’hystérésis B-H soit la plus petite possible.

Dans le prochain tutoriel sur l’électromagnétisme, nous étudierons la loi de Faraday sur l’induction électromagnétique et nous verrons qu’en déplaçant un fil conducteur dans un champ magnétique stationnaire, il est possible d’induire un courant électrique dans le conducteur produisant un générateur simple.

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