Les matériaux ferromagnétiques, lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique temporaire, peuvent présenter un retard ou un délai dans le processus de démagnétisation en raison du matériau dont ils sont constitués. Ce délai d’un matériau magnétique est communément appelé hystérésis magnétique.

Nous savons que le flux magnétique généré par une bobine électromagnétique est la quantité de champ magnétique ou de lignes de force produites dans une zone donnée, et que l’on appelle plus communément cela “Densité de Flux”. Représenté par le symbole B avec l’unité de densité de flux étant le Tesla, T.

Nous savons également, d’après les tutoriels précédents, que la force magnétique d’un électroaimant dépend du nombre de tours de la bobine, du courant qui circule dans la bobine ou du type de matériau de noyau utilisé, et si nous augmentons soit le courant, soit le nombre de tours, nous pouvons augmenter la force du champ magnétique, symbolisé par H.

Auparavant, la perméabilité relative, symbolisée par μ_r, était définie comme le rapport de la perméabilité absolue μ et de la perméabilité de l’espace libre μ_o (un vide) et cela était exprimé comme une constante. Cependant, la relation entre la densité de flux B et la force du champ magnétique H peut être définie par le fait que la perméabilité relative μ_r n’est pas une constante mais une fonction de l’intensité du champ magnétique, donnant ainsi la densité de flux magnétique comme : B = μ H.

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

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

En traçant les valeurs de la densité de flux (B) par rapport à la force 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 montré 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 cœurs en fer doux et acier, mais chaque type de matériau de noyau aura son propre ensemble de courbes d’hystérésis magnétique. Vous aurez peut-être remarqué que la densité de flux augmente proportionnellement à la force du champ jusqu’à ce qu’elle atteigne une certaine valeur où elle ne peut plus augmenter, devenant presque plate et constante même si la force du champ continue d’augmenter.

Cela est dû au fait qu’il y a une limite à la quantité de densité de flux qui peut être générée par le noyau, car tous les domaines magnétiques dans le fer deviennent parfaitement alignés. Ainsi, toute augmentation supplémentaire n’aura aucun effet sur la valeur de M. Le point sur le graphique où la densité de flux atteint sa limite est appelé Saturation Magnétique, également connue sous le nom de Saturation du Noyau. 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 tutoriel précédent sur le Magnétisme qui incluait la théorie de Weber, l’arrangement aléatoire de la structure moléculaire dans le matériau de noyau change à mesure que les petits aimants moléculaires à l’intérieur du matériau deviennent “alignés”.

À mesure que la force du champ magnétique (H) augmente, ces aimants moléculaires deviennent de plus en plus alignés jusqu’à atteindre un alignement parfait, produisant une densité de flux maximale, et toute augmentation de la force du champ magnétique due à une augmentation du courant électrique circulant dans la bobine aura peu ou pas d’effet.

Retenabilité

Supposons que nous ayons une bobine électromagnétique avec une forte force de champ en raison du courant qui la traverse, et que le matériau de noyau ferromagnétique ait atteint son point de saturation, la densité de flux maximale. Si nous ouvrons maintenant un interrupteur et retirons le courant de magnétisation circulant dans la bobine, nous nous attendrions à ce que le champ magnétique autour de la bobine disparaisse à mesure que le flux magnétique réduit à zéro.

Cependant, le flux magnétique ne disparaît pas complètement car le matériau de noyau électromagnétique conserve toujours une partie de son magnétisme même lorsque le courant a cessé de circuler dans la bobine. Cette capacité d’une bobine à conserver une partie de son magnétisme dans le noyau après que le processus de magnétisation s’est arrêté est appelée Retenabilité ou rémanence, tandis que la quantité de densité de flux restant dans le noyau est appelée Magnétisme Résiduel, B_R.

La raison en est que certains des petits aimants moléculaires ne retournent pas à un motif complètement aléatoire et pointent encore dans la direction du champ de magnétisation d’origine, leur donnant une sorte de “mémoire”. Certains matériaux ferromagnétiques ont une haute retenabilité (fortement magnétiques) les rendant excellents pour produire des aimants permanents.

Tandis que d’autres matériaux ferromagnétiques ont une faible retenabilité (faiblement magnétiques), ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans des électroaimants, des solénoïdes ou des relais. Une façon de réduire cette densité de flux résiduelle à zéro est de renverser la direction du courant circulant dans la bobine, rendant ainsi la valeur de H, la force du champ magnétique, négative. Cet effet est appelé Force Coercitive, H_C.

Si ce courant inverse est augmenté, la densité de flux augmentera également dans la direction opposée jusqu’à ce que le noyau ferromagnétique atteigne à nouveau la saturation mais dans la direction opposée de celle d’avant. Réduire le courant de magnétisation, i, à zéro produira une quantité similaire de magnétisme résiduel mais dans la direction inverse.

Ensuite, en changeant constamment la direction du courant de magnétisation à travers la bobine d’une direction positive à une direction négative, comme cela serait le cas dans une alimentation CA, une boucle d’Hystérésis Magnétique du noyau ferromagnétique peut être produite.

Loop d’Hystérésis Magnétique

La boucle d’Hystérésis Magnétique ci-dessus montre le comportement d’un noyau ferromagnétique graphiquement, tandis que la relation entre B et H est non linéaire. En commençant par un noyau non magnétisé, les deux B et H seront à zéro, point 0 sur la courbe de magnétisation.

Si le courant de magnétisation, i, est augmenté dans une direction positive à une certaine valeur, la force du champ magnétique H augmente linéairement avec i et la densité de flux B augmentera également comme indiqué par 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 réduit également à zéro. Cependant, le flux magnétique de la bobine ne atteindra pas zéro en raison du magnétisme résiduel présent dans le noyau, ce qui est montré par 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 à travers la bobine. La force de magnétisation 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 amène le noyau à être magnétisé dans la direction opposée, et l’augmentation de ce courant de magnétisation fera atteindre au noyau son point de saturation mais dans la direction opposée, point d sur la courbe.

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

En inversant à nouveau le courant de magnétisation circulant à travers la bobine, cette fois dans une direction positive, la densité de flux atteindra zéro, point f sur la courbe, et comme précédemment, l’augmentation du courant de magnétisation dans une direction positive amènera le noyau à atteindre la saturation au point a.

Ensuite, la courbe B-H suit le chemin a-b-c-d-e-f-a alors que le courant de magnétisation circulant à travers la bobine alterne entre une valeur positive et une valeur négative, comme le cycle d’une tension CA. Ce chemin est appelé 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 dépendent de quelle partie de la courbe le noyau ferromagnétique est magnétisé, car cela dépend de l’historique passé des circuits, donnant au noyau une forme de “mémoire”. Ainsi, les matériaux ferromagnétiques ont de la mémoire parce qu’ils restent magnétisés après que le champ magnétique externe a été retiré.

Cependant, des matériaux ferromagnétiques doux tels que le fer ou l’acier au silicium ont des boucles d’hystérésis magnétique très étroites, résultant en très faibles quantités de magnétisme résiduel, les rendant idéaux pour une utilisation dans des relais, des solénoïdes et des 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, le montant de la perte dépend de la valeur de la force coercitive du matériau.

En ajoutant des additifs au métal ferreux, tels que le silicium, des matériaux avec une force coercitive très faible peuvent être fabriqués, ayant une boucle d’hystérésis très étroite. Les matériaux avec des boucles d’hystérésis étroites sont facilement magnétisés et démagnétisés et sont connus sous le nom de matériaux magnétiques doux.

Boucles d’Hystérésis Magnétiques pour Matériaux Durs et Mous

L’Hystérésis Magnétique se traduit par la dissipation d’énergie perdue sous forme de chaleur, l’énergie gaspillée étant proportionnelle à l’aire de la boucle d’hystérésis magnétique. Les pertes d’hystérésis seront toujours un problème dans les transformateurs CA où le courant change constamment de direction, et donc les pôles magnétiques dans le noyau causeront des pertes à cause de leur inversion constante de direction.

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

Dans le prochain tutoriel sur l’Électromagnétisme, nous examinerons la Loi de Faraday de l’Induction Électromagnétique et verrons qu’en déplaçant un conducteur de fil à l’intérieur d’un champ magnétique stationnaire, il est possible d’induit un courant électrique dans le conducteur, produisant un générateur simple.