Présentation

Les circuits magnétiques sont des circuits qui sont fabriqués à partir de matières ferromagnétiques. Ces dernières font circuler en leur sein un champ magnétique.

Un élément est dit ferromagnétique quand il possède des propriétés de ferromagnétisme.
Le ferromagnétisme est le mécanisme par lequel des matériaux forment des aimants permanents ou sont attirés par d’autres aimants. Le cobalt, le nickel ou encore le fer sont des éléments ferromagnétiques

Les champs magnétiques sont la plupart du temps créés par des bobines autour du circuit magnétique ou par des aimants directement dans le circuit.

Fonctionnement

Voici une photographie du physicien John Hopkinson. C’est l’un des scientifiques ayant fait le plus de recherches sur les circuits magnétiques et les aimants. On lui doit la formule d’Hopkinson ainsi que la démonstration de l’effet Hopkinson.

Rappels

Pour bien comprendre le fonctionnement des circuits magnétiques, il est important de connaître toutes ces lois et équations qui les concernent.

Équations de Maxwell-Gauss

James Clerk Maxwell est un physicien d’origine écossaise. Toute sa vie il a travaillé sur les champs électriques et magnétiques et il a également contribué à l’élaboration de nombreuses lois physiques dans son domaine. Il est considéré comme l’un des scientifiques les plus influents du IXXème siècle.

Les équations de Maxwell-Gauss, aussi connues sous le noms d’équations de Maxwell-Lorenz sont des équations fondamentales de la physique. En effet, ces sont elles qui régissent l’électromagnétisme. Elles tiennent leur nom du physicien James Clerk Maxwell d’origine écossaise. Toute sa vie il a travaillé sur les champs électriques et magnétiques et il a également contribué à l’élaboration de nombreuses lois physiques dans son domaine. Il est considéré comme l’un des scientifiques les plus influents du IXXèmesiècle.

Elle réunit sous la forme d’équations intégrales des lois déjà connues telles que celles de théorèmes de Gauss, Ampère et Faraday.

Les équation de Maxwell sont essentielles puisqu’elles démontrent qu’en régime stationnaire, les champs électrique et magnétiques sont indépendants l’un de l’autre, ce qui n’est pas nécessairement le cas lorsque l’on se trouve en régime variable. En effet, dans le cas le plus général, il faut alors parler du champ électromagnétique puisque la séparation entre l’électrique et le magnétique n’est qu’un aspect visualisé par l’Homme.

Équation de Poisson

L’équation de Poisson est une équation aux dérivées partielles de cette forme :

    \[ \Delta \phi = f \]

Appliqué à l’électrostatique, elle donne le potentiel électrique appelé V en présence d’une d’une distribution de charges p :

    \[ \Delta V = - \frac { \rho } { \epsilon _{0} } \]

Cette équation est nommé ainsi en hommage au physicien et mathématicien Siméon Denis Poisson. D’origine française, il est célèbre pour ces nombreux travaux dans plusieurs matières scientifiques. Il a marqué l’histoire de la physique avec ses recherches sur l’électricité et les potentiels. Il a aussi participé aux travaux mathématiques concernant les intégrales et notamment les intégrales de Fourier.

Analogie d’Hopkinson

L’analogie dite d’Hopkinson est l’analogie qui crée un lien entre les circuits électriques et les circuits magnétiques. On peut la résumer facilement avec un tableau.

Elle tire son nom du physicien John Hopkinson qui vécut de 1849 à 1898. Spécialisé dans l’électricité et le magnétisme, il est l’un des premiers à avoir travaillé sur les aimants, électroaimants et dynamos. C’est à lui que l’on doit l’effet Hopkinson et la formule d’Hopkinson.

Circuit électriqueCircuit magnétique
RésistanceRéluctance
PermittivitéPerméabilité
Intensité du courant électriqueFlux du champ magnétique dans le circuit
Loi de PouilletLoi d'Hopkinson
Force électromotriceForce magnétomotrice

Loi de Pouillet

La loi de Pouillet est une loi d’électrocinétique qui permet de calculer l’intensité dans un circuit en série en maille simple et composé de dipôles actifs et de conducteurs ohmiques.

Dictée par le physicien français Claude Pouillet, elle est inspirée de loi d’Ohm sur les circuits électriques. Elle est utilisée pour calculer des résistances notamment.

Effet Hopkinson

L’effet Hopkinson est l’effet qui se produit pour un matériau ferromagnétique lorsque celui-ci voit son aimantation augmenter fortement et subitement avant d’atteindre la température de Curie.

Il existe, dans un matériau dit ferromagnétique, une température de Curie (encore appelée point de Curie) notée TC qui est la température à partir de laquelle le matériau perd son aimantation permanente.

Formule d’Hopkinson

La formule d’Hopkinson est une formule utilisée en ferromagnétisme afin de calculer la force magnétomotrice d’un circuit magnétique. La voici :

    \[ F = R \times \phi \]

Réluctance

Le monde qui nous entoure est rempli de champs magnétiques. Le tout premier est celui de la Terre. En effet, entre ses deux pôle Nord et pôle Sud existe un champ magnétique bien utile à la nature. C’est grâce à se dernier que les animaux volants tels que les oiseaux peuvent se déplacer en suivant leur boussole interne. C’est pourquoi l’inversement des pôles constitue un vrai danger pour ces espèces.

On appelle réluctance la capacité d’un circuit magnétique à s’opposer à sa pénétration par un champ magnétique. Elle équivaut à la notion de résistance dans un circuit électrique.

Il existe plusieurs formules pour calculer la réluctance en fonction du milieu.

Réluctance d’un entrefer

    \[R = \frac { e } { \mu _ { 0 } \cdot S } \]

où :

  • e est l’épaisseur de l’entrefer ;
  • µ0 est la perméabilité du vide ;
  • S est la section de l’entrefer.

Réluctance d’un circuit homogène

    \[ R = \frac { 1 } { \mu } \cdot \frac { l } { S } \]

où :

  • µ est la perméabilité magnétique en kg.m.A-2.S-2 ;
  • l est la longueur en mètres ;
  • S est la section en m2.

Fabrication

Pour fabriquer un circuit magnétique, on superpose deux pièces d’un matériau ferromagnétique. Parfois, entre ces deux matériaux subsiste ce que l’on appelle un entrefer.

Un entrefer est un espace d’air au sein d’un circuit

Dans certains cas, l’entrefer est volontaire et l’on parlera d’un entrefer intentionnel et dans d’autre l’entrefer est involontaire, on parle alors d’entrefer structurel.

Il existe plusieurs modes de fabrications de circuits magnétiques en fonction du champ magnétique et de la forme de ce dernier.

Circuit magnétique avec champ magnétique périodique à faible fréquence

Lors de la fabrication d’un circuit magnétique avec champ magnétique périodique à faible fréquence, on utilise des matériaux ferromagnétiques isolants tels que de la ferrite, principalement des ferrites de zinc ou de manganèse.

Circuit magnétique avec champ magnétique périodique à haute fréquence

Pour un circuit magnétique avec champ magnétique périodique à haute fréquence, on utilisera un feuilletage  afin d’empêcher l’énergie de circuler entre les différents niveaux.

Circuit magnétique avec champ magnétique permanent

Pour finir, la fabrication d’un circuit magnétique avec champ magnétique permanent est la plus simple et la moins onéreuse. On utilise du fer massif ou de l’acier.

Utilisation

Les bobines sont présentes dans presque tous les appareils électriques et électroniques qui nous entourent. Efficaces et faciles à fabriquer, elles travaillent souvent de pair avec un condensateur puisque ces dernières l’aident à se charger de manière rapide.
Cherchez autour de vous, combien d’appareils utilisent l’électricité pour fonctionner ?

Les circuit magnétiques ont des utilisations très diverses. Tout d’abord, on les retrouve majoritairement dans les bobines, l’une de leurs premières applications. Ensuite, on les retrouve aussi dans des circuits et des cartes imprimées.

Les courants de Foucault

Les champs magnétiques sont les composants essentiels des courants de Foucault a qui on attribue de nombreuses applications industrielles et domestiques.

On les retrouve dans de multiples cas :

  • L’automobile ;
  • Les séparateurs à courant de Foucault ;
  • La brasure ;
  • Le chauffage ;
  • Les compteurs électriques ;
  • Les dynamos de vélo ;
  • etc.

Rappels sur les courants de Foucault

Les courants de Foucault sont des courants électriques qui se trouvent au centre d’une masse conductrice. Ces courants sont provoqués par la variation de champ magnétique extérieur qui traversent la masse ou par le déplacement de cette dernière au sein du champ.

Ces phénomènes physiques sont notés ainsi du nom de Jean Bernard Léon Foucault. Ce physicien d’origine française, a vécu de 1819 à 1868. Récompensé par de nombreuses distinctions, c’est à lui que l’on doit l’invention du gyroscope. Il a aussi démontré que la Terre tourne sur elle même grâce au pendule de Foucault. Passionné d’astronomie, c’est aussi un domaine dans lequel il a beaucoup travaillé.

Leur fonctionnement est simple : lorsqu’une masse conductrice est introduite dans un champ magnétique, une force électromotrice apparaît. C’est elle qui est à l’origine des courants dans la masse. Il se produit alors deux effets : la création d’un champ magnétique en opposition à la cause de variation du champ extérieur, ce qui est décrit par la loi de Lenz, et un échauffement, causé par l’effet Joule de la masse conductrice. Cet échauffement augmente plus la vitesse entre l’inducteur et la pièce conductrice est élevée.

Ces deux effets causent alors de forces de Laplace qui s’opposent au déplacement de l’énergie.

Les forces de Laplace sont des forces en électromagnétique qui sont exercées par un champ magnétique sur un conducteur traversé par un courant.

Hystérésis

Un hystérésis est la caractéristique d’un système pour lequel l’évolution est différente selon qu’un élément extérieur augmente ou diminue.

Il existe plusieurs types d’hystérésis selon les domaines. On en retrouve en sciences sociales, physiques ou encore biologiques.

En physique, deux grands domaines d’hystérésis existent : les hystérésis de déformation élastique et les hystérésis magnétiques.
Dans le cas des hystérésis élastiques, la réaction à la déformation élastique change les caractéristiques du matériau de manière différente de la diminution de la contrainte.
En milieu magnétique, l’hystérésis se produit quand un matériau prend des valeurs différentes lors de son aimantation face à celles prises lors de sa désaimantation.

Le modèle de Stoner-Wohlfarth

Le modèle de Stoner-Wohlfarth est un modèle qui explique de manière simple la physique des grains magnétiques composés d’un seul domaine. C’est grâce à ce modèle que l’on peut calculer le cycle d’hystérésis des particules magnétiques.

Un peu d’histoire

Le modèle de Stoner-Wohlfarth est un modèle décrit par Erich Peter Wohlfart et Edmund Clifton Stoner. Il l’ont élaboré à la suite de nombreuses recherches sur le magnétisme, le ferromagnétisme et les mémoires magnétiques.

Les bobines

Une bobine est un enroulement de fils électriques conducteurs autour d’un élément ferromagnétique.

Ces éléments ont la particularité de pouvoir créer une impulsion de haute tension c’est pourquoi on les retrouve dans les bobines d’allumage dans les moteurs, notamment autour des bougies des voitures essence.
C’est la bobine qui donnera à la bougie l’impulsion nécessaire afin de créer un arc électrique et ainsi une étincelle qui feront exploser le mélange air-essence dans le cylindre.

Ensuite, on en trouve également dans la nature et particulièrement en zone rurale, là où les champs sont protégés par des clôtures électriques. En effet, la bobine permet de créer des impulsions à une tension élevée mais de faible puissance, permettant ainsi d’éloigner les animaux sans les blesser.

Pour finir, les bobines étaient utilisées dans les lampes à décharge qui sont aujourd’hui encore peu utilisées. Le tube fluorescent faisait partie des lampes à décharges qui nécessitaient l’utilisation d’une bobine. Celle-ci créait une impulsion afin d’allumer le tube et d’activer l’éclairage.

On retrouve également les bobines dans de nombreux appareils tels que les rails électromécaniques et les solénoïdes, les électroaimants et les moteurs électriques. Elles peuvent aider à filtrer des signaux électriques en réduisant l’ondulation ou les tensions parasites tout en filtrant les signaux bas.

En téléphonie, les bobines servent à compenser les pertes, même si elles sont progressivement remplacées par des répéteurs.

Enfin, en photographie, la bobine sert à charger le condensateur du flash électronique à partir de la pile ou de la batterie de l’appareil photo.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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