Utilisateur:Insa 4gp groupe ferro/Brouillon

Les matériaux ferromagnétiques doux forment un sous groupe des matériaux ferromagnétiques ce qui signifie qu’ils sont capables de s'aimanter lorsque ils sont soumis à un champ magnétique extérieur. La particularité des matériaux ferromagnétiques doux est que l'action de créer ou d’annuler l’aimantation dans le matériau nécessite moins d'énergie que pour les matériaux ferromagnétiques durs.

Historique

C’est au début du XXème siècle que l'on commence à exploiter les propriétés des matériaux ferromagnétiques doux . Dans les années 1940, grâce à l’amélioration et l’optimisation des procédés, l'exploitation de ces matériaux s’est rapidement développée. Les applications de ces matériaux se sont accrues durant les décennies qui suivirent, c’est pourquoi à partir des années 1950 les ferrites ont vu le jour pour leurs usages dans les applications à moyennes et hautes fréquences. En 1970, ce sont les amorphes magnétiques qui se sont développés dans “les transformateurs d’énergie basse fréquence”, puis dans les années 1980 pour les inductances.

Caractérisation macroscopique - Cycle d'hystérésis

Cycle d'hystérésis d'un matériau ferromagnétique doux
Hc : Champ coercitif
Br : Champ rémanent
Bsat : Champ saturant

La caractéristique principale des matériaux ferromagnétiques est le cycle d’hystérésis de la caractéristique induction B en fonction de l’aimantation H. Les matériaux ferromagnétiques doux ont un champ coercitif plus faible (inférieur à 1000A.m^-1). L'application d'une faible induction magnétique pourra donc retourner ou annuler l'aimantation du matériau. La susceptibilité magnétique, qui caractérise la capacité d’un matériau à s’aimanter, est très élevée pour ces matériaux.

L'aire faible de ce cycle d’hystérésis montre également que l’énergie dissipée sous forme de chaleur est faible. Cette énergie, appelée pertes magnétiques, correspond à l’aire du cycle d’hystérésis et s’exprime en J.m^-3. Ces différentes caractéristiques, faibles pertes magnétiques et forte susceptibilité, vont permettre d’obtenir de bonnes propriétés pour les applications à hautes fréquences et de canalisations de flux.

Caractérisation microscopique

Pour avoir un matériau ferromagnétique doux, il faut que celui-ci est un champ coercitif faible. Pour cela, il faut augmenter la nucléation et faciliter la propagation des parois magnétiques, dites de Bloch, qui sont à l'origine du renversement de l’aimantation. Les parois de Bloch délimitent les domaines de Weiss dans lesquels le moment magnétique est orienté selon une direction de facile aimantation. Les matériaux amorphes, qui ne possèdent pas d'ordre cristallographique, n'ont pas de direction d'aimantation privilégiée, il est plus facile de retourner leur aimantation. De même, les matériaux polycristallins diminuent la surface des parois, ce qui facilite leur déplacement.

Applications

Les transformateurs

Un transformateur contient un enroulement primaire et un enroulement secondaire qui sont magnétiquement couplés autour d'un noyau. On applique alors une tension alternative à l’enroulement primaire et un flux magnétique va traverser le circuit secondaire, ce qui va créer un courant électrique. Les principales limitations pour ces types de dispositif sont la dissipation d’énergie par cycle d’hystérésis et les pertes par courants de Foucault. L’utilisation de matériaux ferromagnétiques doux limite ces phénomènes.

Les électroaimants

La forte susceptibilité des matériaux ferromagnétiques doux permet d’obtenir une forte induction à partir d’un faible champ extérieur, ce qui trouve son utilité dans les électroaimants.
Un électroaimant est composé d'un barreau en fer doux autour duquel une bobine est alimentée par un générateur de courant alternatif. L'application d'un courant permettra alors de créer un champ électromagnétique au centre du dispositif. L'utilisation du fer doux en tant que noyau va permettre de renforcer le champ magnétique produit. En effet, le champ magnétique appliqué grâce à la bobine va aimanter le noyau qui va devenir à son tour un aimant.

Matériaux et caractéristiques

Les matériaux ferromagnétiques doux sont composés des éléments principaux Fer, Cobalt, Nickel, Magnésium, Silicium.

Éléments principaux

Matériaux	Fer	Cobalt	Nickel
Température de Curie (Kelvin)	1043	1404	631
Aimantation à saturation Ms (Ampère/mètre)	1.74*10^6	1.42*10^6	5.1*10^5
Perméabilité magnétique maximum µmax	180000	Manquante	1000

Alliages fer-nickel

Composition (% en masse)	36Ni	48Ni	75Ni-5Cu-2Cr	80Ni-5Mo	77Ni-5Cu-4Mo
Température de Curie (Kelvin)	523	743	673	683	683
Aimantation à saturation Ms (Ampère/mètre)	1.03*10^6	1.23*10^6	6.37*10^6	6.37*10^6	6.37*10^6
Perméabilité magnétique maximum µmax	2000 (recuit 700°C) 30000 (recuit 1100°C)	40000 (recuit 1000°C) 80000 (recuit 1200°C)	170000 (recuit 1050°C) 220000 (recuit 1200°C)	240000 (recuit 1050°C) 300000 (recuit 1200°C)	220000 (recuit 1050°C) 270000 (recuit 1200°C)
Champ coercitif Hc (Ampère/mètre)	30 (recuit 700°C) 10 (recuit 1100°C)	8	2 (recuit 1050°C) 1 (recuit 1200°C)	1	1
Pertes hystérétiques (Watt/kg)	0.01 à 100	0.01 à 100	0.01 à 100	0.01 à 100	0.01 à 100

Alliages fer-cobalt

Composition (% en masse)	50Co-0.3Mn (recuit 800°C)	49Co-2V (recuit 800°C)	34Co-64Fe-2Cr (recuit 850°C)
Température de Curie (Kelvin)	Manquante	1203	Manquante
Aimantation à saturation Ms (Ampère/mètre)	1.95*10^6	1.91*10^6	1.93*10^6
Perméabilité magnétique maximum µmax	5000	4500	10000
Champ coercitif Hc (Ampère/mètre)	160	160	80
Pertes hystérétiques (Watt/kg) (Mesures à 50 Hz et 2 Tesla)	8.0	4.0	Manquante

Bibliographie

• Max Brousseau, Physique du solide. Propriétés électroniques, Paris, Masson, 1992 (ISBN 2-225-83975-1)
• José-Philippe Pérez, Robert Carles et Robert Fleckinger, Électromagnétisme fondements et applications, Liège, Dunod, 2001 (ISBN 2-10-005574-7)
• José-Philippe Pérez, Robert Carles et Robert Fleckinger, Électromagnétisme Vide et milieux matériels, Paris, Masson, 1990 (ISBN 2-225-82294-8)
• François Leprince-Ringuet, Matériaux ferromagnétiques usuels, Article techniques de l'ingénieur, 1994
• Thierry Waeckerlé, Matériaux magnétiques doux cristallins - Magnétisme et métallurgie appliqués, Article techniques de l'ingénieur, 2010

Annexes

Articles connexes

• Fer doux