Magnétisme

Magnétisme.


SOMMAIRE
  Introduction
  A propos du vocabulaire
  1 - Notions de pôles magnétiques
  2 - Les lignes de force
  3 - Le flux d'induction magnétique
  4 - Le champ d'induction magnétique
  5 - Le champ d'excitation magnétique
  6 - Ai-je bien compris ?





INTRODUCTION

Le Magnétisme est un phénomène qui joue un rôle prépondérant dans la plupart des
constituants de l'Electrotechnique : contacteurs, moteurs, transformateurs, etc... Nous
devrons donc, pour appréhender le fonctionnement de tous ces constituants, essayer
d'en connaître le vocabulaire et d'en comprendre les principes et les lois. C'est ce que
se propose de faire le cours suivant

Notons dès à présent que le terme de "magnétisme" est souvent utilisé à tort pour parler
de l'électromagnétisme, ce dernier n'étant qu'une partie du premier. En outre, il n'est pas
vain de rappeler que les phénomènes magnétiques sont le fruit du mouvement des
charges électriques.

A PROPOS DU VOCABULAIRE :

1 - Notion de pôles magnétiques :

  1. Certaines pierres naturelles ont le pouvoir d'attirer et de retenir de la limaille de
    fer si elles y sont plongées, on les appelle des
    aimants naturels.

  2. Nous sommes capables, par un traitement spécifique, de communiquer cette
    propriété à une barre d'acier que l'on nommera alors :
    aimant artificiel. Si cette
    barre est plongée dans de la limaille de fer nous nous apercevons que les
    particules de limaille adhèrent surtout aux extrémités, l'attraction y est plus forte.
    Ces extrémités seront appelées
    Pôles de l'aimant. Si nous reprenons notre barre
    d'acier, que nous la laissons libre de tout mouvement et éloignée de tout objet
    métallique (suspendue à une ficelle par exemple), une de ces extrémités
    s'orientera toujours vers le pôle nord terrestre, l'autre vers le pôle sud.
    Nous appellerons donc ces extrémités :

  • pôle nord magnétique pour l'extrémité s'orientant vers le pôle nord terrestre.

  • pôle sud magnétique pour l'extrémité s'orientant vers le pôle sud terrestre.

  1. Les même pôles de deux aimants se repoussent,les pôles contraires s'attirent.

  2. On constate que si l'on vient à briser en deux un aimant ayant un pôle sud et un
    pôle nord, chacune des parties obtenues aura un pôle sud et un pôle nord. Cette
    expérience peut-être renouvellée jusqu'à ce que l'on se trouve en présence de la
    particule minimale de l'aimant originel ("aimant élémentaire") qui elle aussi aura
    son pôle nord et son pôle sud. Cette caractéristique nous permettra de comprendre
    la théorie des domaines (domaines de WEISS) expliquée ultérieurement dans
    la partie du cours consacrée au Ferromagnétisme.

2 - Les lignes de force :

  1. Si l'on saupoudre de limaille de fer une feuille sur laquelle nous avons disposé
    un aimant, on constate que les grains se disposent de façon bien précise suivant
    des lignes appelées
    LIGNES DE FORCE. Ces lignes existent dans tout l'espace
    entourant l'aimant et non pas simplement sur le plan formé par la feuille. De
    plus, si l'on place une boussole dans cette zone de lignes de force nous nous
    apercevons qu'elles sont orientées.

  1. Par convention nous dirons que ces lignes de forces sortent par le pôle nord pour
    entrer par le pôle sud. Nous supposerons également que chaque ligne de force
    se referme à l'intérieur de l'aimant de façon à compléter une boucle.

  2. L'ensemble de ces lignes de force représenté sur un plan est communément
    appelé :
    Spectre magnétique. Celui-ci représente donc le parcours des lignes
    de force et par abus de langage "la forme du champ magnétique".

  3. La même grandeur physique se trouve être désignée dans les ouvrages de
    physique appliquée et/ou de STI de façon différente :

  • lignes de champ,

  • lignes de flux,

  • lignes de force.

3 - Le flux d'induction magnétique :

Définition du flux : quantité d'une grandeur scalaire qui traverse pendant l'unité de
temps une aire donnée.

  1. Le flux d'induction magnétique à travers une surface donnée est l'ensemble
    des lignes de force
    qui traverse cette surface.Par conséquent, plus la surface
    considérée est grande, plus les lignes de force sont rapprochées et plus le
    flux d'induction magnétique est élevé. La valeur de ce flux dépend également
    de l'orientation de la surface considérée par rapport à nos lignes de force. Le
    lux est maximal quand la surface est perpendiculaire aux lignes de forces (la
    surface est traversée par un nombre maximal de lignes de force). Il sera
    minimal lorsque la surface sera parallèle aux lignes de forces (il sera nul).
    Entre ces deux extrêmes, le flux d'induction magnétique ne cessera de diminuer.
    On dit souvent que le flux d'induction magnétique est l'ensemble des lignes de
    forces présentes sur notre système qui relient les deux pôles magnétiques de
    ce dernier.

  1. L'unité du flux magnétique est le Weber (Wb) qui représente 100 millions de
    lignes de force (10 exp8 lignes) Un mWb équivaut donc à 100 mille lignes et
    un un microWb à 100 lignes. Nous pouvons remarquer que l'unité du flux ne
    tient compte que du nombre de lignes de force qui traverse la surface, cette
    dernière n'étant pas quantifiée. Nous verrons d'ailleurs plus loin que cette
    lacune est comblée par la grandeur physique :"
    Densité de flux".

  2. Afin de quantifier l'unité du flux d'induction magnétique, il faut savoir que 1 Wb
    représente une quantité de flux
    (de lignes de force) considérable. Il faudrait en
    effet un aimant de 1.5 mètre de hauteur, 1.5 mètre de largeur et 1 mètre
    d'épaisseur pour produire un tel flux. Sa masse serait alors d'environ deux
    tonnes.

  3. La même grandeur physique se trouve être désignée dans les ouvrages de
    physique appliquée et/ou de STI de façon différente :

  • flux,

  • flux magnétique,

  • flux d'induction magnétique.

  1. Il est représenté par la lettre grecque PHI majuscule (fi) : Ø

4 - Le champ d'induction magnétique :

  1. Lorsque nous parlons de champ d'induction magnétique,
    nous donnons généralement cette appellation à
    la région
    de l'espace traversée par les lignes de force
    (lignes de flux).
    Ce champ d'induction magnétique modifie les propriétés
    physiques de l'espace dans lequel il se trouve et ne sera
    affecté que par le voisinage du fer, du cobalt, du nickel et
    de leurs alliages. Un champ magnétique (sous-entendu les
    lignes de force) peut traverser des matériaux comme le
    ciment, le bois, le papier etc... sans être aucunement perturbé.

  2. Le fait de parler d'un champ d'induction magnétique ne nous
    permet pas de quantifier cette valeur puisque c'est une région
    de l'espace. La connaissance des caractéristiques en un point
    M du champ d'induction magnétique nous sera donnée par
    une représentation vectorielle dépendant de l'espace (position
    par rapport à "la source magnétique") et du temps. Ce vecteur
    est désigné par B (flèche au dessus de la lettre impossible à
    dessiner sur ce document) dont le module
    exprimera la densité
    de flux
    au point considéré. La représentation vectorielle nous
    permet d'indiquer sur n'importe quel point de l'espace parcouru
    par le champ d'induction magnétique la direction et le sens de
    ce dernier.

Remarques : cette grandeur vectorielle traduit l'effet du mouvement
des charges électriques.
Si le vecteur B est identique en tout point
de l'espace, le champ est dit uniforme

  1. Nous savons par expérience que la force d'attraction d'un
    aimant permanent sur un morceau de fer croît à mesure que
    l'on approche d'une des deux extrémités de l'aimant. Nous
    avons également vu précédemment (voir fig 1) que les lignes
    de force sont plus sérrées près des pôles de l'aimant. De ces
    deux constatations nous pouvons conclure que la concentration
    des lignes de force (lignes de flux) est une mesure de la densité
    du flux d'induction magnétique.
    "[Plus le nombre de lignes de
    flux traversant une surface orientée perpendiculairement à ces
    dernières est important, plus la densité de flux d'induction
    magnétique est élevée.]"

  2. L'unité de la densité de flux est le TESLA [ T ] et 1 T = 1 Wb / m².
    Attention cette densité de flux étant le module du vecteur B (champ
    d'induction magnétique) un abus de langage courant est de
    l'appeler champ magnétique : "le champ magnétique est égal à
    1.5 T, au lieu de dire : le module du vecteur B représentant la
    densité du flux d'induction magnétique est égal à 1.5 T

  3. La même grandeur physique se trouve être désignée dans les
    ouvrages de physique appliquée et/ou de STI de différentes
    façons:

  • champ magnétique,

  • champ d'induction magnétique,

  • densité de flux,

  • densité du flux d'induction magnétique.

C'est simple non ;-(((

5 - Le champ d'excitation magnétique :

  1. Pour quantifier le vecteur B, il faut prendre en compte le milieu
    magnétique dans lequel il se situe, la forme et les dimensions
    du circuit magnétique, le temps, la position du point considéré
    par rapport à la source. Nous utilisons dans un premier temps
    un vecteur champ d'excitation magnétique H (Je ne peux toujours
    pas mettre la flèche au dessus de la lettre) dont le module dépend,
    si l'on est dans le domaine de l'électromagnétisme, du courant, de
    la forme du circuit magnétique, de sa position dans l'espace (par
    rapport à la source magnétique) et du temps. Il nous suffira par la
    suite de multiplier ce vecteur H par une constante dépendant du
    milieu magnétique pour trouver le vecteur B.
    L'unité de H est l' A/m

NOTA : Le courant, en électromagnétisme, nous permettra de quantifier
"la source magnétique"..... Mais nous verrons cela plus loin dans le cours
consacré à l'électromagnétisme... Nous parlerons alors de forces
magnéto-motrices (FMM)

6 - AI-JE BIEN COMPRIS ? :

  1. Le flux d'induction magnétique nous donne le nombre de lignes
    de force présentes sur notre système. Mais 100 lignes de force,
    soit 1 microWb, ne produiront pas dans un circuit magnétique de
    section 1 cm² le même champ d'induction magnétique (densité de
    flux) que dans un circuit de 1 mm². Si le champ d'induction
    magnétique diffère cela signifie que le champ d'excitation
    magnétique diffère également puisque nous n'avons pas changé
    de milieu magnétique, de forme, d'emplacement. La FMM (force
    magnéto-motrice) devra donc être plus importante pour une
    section de 1mm² que pour une section de 1 cm². La
    consommation de courant sera donc plus élevée pour une
    section de 1 mm².

  • Le flux d'induction magnétique nous donne l'information du
    nombre de lignes de force présentes sur notre système (c'est
    une quantité).

  • Le champ d'excitation magnétique quantifie "la source
    magnétique" en tenant compte de la forme du circuit.

  • Le champ d'induction magnétique symbolise l'effet du
    mouvement des charges électriques et la densité de flux.
    Il sera plus ou moins important suivant le matériau utilisé à
    champ d'excitation magnétique constant.....









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