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Saturation magnétique

Qu'entend-on par saturation magnétique ?

Lorsqu'un corps ferromagnétique est magnétisé, les forces magnétiques augmentent d'abord proportionnellement à l'intensité du champ magnétisant. A un moment donné, une saturation est cependant atteinte et les forces magnétiques n'augmentent pratiquement plus. Cet effet est appelé saturation magnétique et explique force limitée des aimants permanents. En raison de la saturation magnétique, il ne peut pas y avoir d'aimants aussi puissants que l'on veut.
Table des matières

Explication physique

La magnétisation à saturation est la magnétisation maximale possible d'un matériau. Ce phénomène est appelé saturation magnétique. Si l'on tente d'augmenter davantage la magnétisation, le matériau se comporte comme le vide lors d'une nouvelle augmentation du champ magnétique externe. Comme la magnétisation elle-même, la saturation magnétique peut être observée en particulier dans le cas des matériaux ferromagnétiques.

Lorsqu'un ferromagnétique est introduit dans un champ magnétique externe H, la densité de flux magnétique B augmente fortement. Cela est dû au fait que le champ magnétique aligne les spins électroniques dans la matière du ferromagnétique et que les moments magnétiques de ces spins, c'est-à-dire les aimants élémentaires dans le matériau, s'alignent parallèlement. Ce processus est également appelé polarisation magnétique. Cela renforce le champ externe, entraînant une augmentation significative de la densité de flux magnétique et du champ magnétique à l'extérieur du ferro-aimant.

Cependant, à un moment donné, tous les spins présents sont alignés parallèlement.

Dans ce cas, il n'est plus possible d'amplifier davantage le champ magnétique externe quand celui-ci est encore augmenté. La densité de flux se comporte alors comme dans le vide en cas d'augmentation supplémentaire du champ magnétique externe.

Expérience sur la saturation magnétique

L'expérience permet d'observer la saturation magnétique. Pour cela, il faut une bobine avec un noyau en fer, une source de tension réglable et un appareil de mesure pour la densité de flux magnétique, par exemple un capteur à effet Hall. L'expérience consiste ensuite à mesurer la densité de flux magnétique à la surface du noyau de fer en fonction du courant appliqué. Quand on augmente le courant à travers la bobine de fer, la densité de flux magnétique augmente d'abord sensiblement. Lorsqu'on double le courant, la densité de flux double également de manière approximative. Cependant, à partir d'un certain point, un effet de saturation se produit et la densité de flux magnétique n'augmente plus que très lentement. La saturation magnétique du matériau ferreux est alors atteinte. Pour le fer, cela se produit déjà à une densité de flux de 1 à 2 teslas.

Illustration saturation magnétique
L'illustration montre l'évolution de la densité de flux magnétique B lors de la magnétisation d'un matériau ferromagnétique dans une bobine. Sans courant I (I = 0) donc sans tension U (U = 0), les spins des électrons (indiqués en rouge) sont alignés parallèlement uniquement dans les domaines de Weiss. Globalement, la magnétisation est annulée et est nulle à l'extérieur (image de gauche). En appliquant un courant I1 (augmentation de la tension U jusqu'à la valeur U1), la densité de flux magnétique B augmente fortement (à la valeur B1), car les différents domaines de Weiss fusionnent et de plus en plus de spins atomiques s'alignent parallèlement. Si le courant de la bobine I est ensuite encore augmenté à la valeur I2, qui peut être beaucoup plus grande que I1, on observe que la densité de flux magnétique et donc les forces magnétiques n'augmentent plus que faiblement (à la valeur B2, qui est seulement légèrement supérieure à B1). Tous les spins sont alors alignés parallèlement et l'augmentation supplémentaire du courant n'entraîne qu'une légère augmentation des forces magnétiques.

Que se passe-t-il dans la zone de magnétisation à saturation ?

Dans la zone de magnétisation à saturation, la perméabilité magnétique μ du ferro-aimant diminue fortement et se rapproche de la valeur μ=1. Ainsi, la conductivité magnétique du ferro-aimant descend également pour atteindre la valeur du vide.

On peut s'imaginer que l'alignement des spins atomiques augmente la conductivité des champs magnétiques. Beaucoup plus de lignes de champ magnétiques "passent" à travers un ferro-aimant qu'à travers le vide. Cependant, si le champ devient si fort que cette conductivité accrue est exploitée au maximum, il n'y a pas plus de lignes de champ qui "passen" à travers le ferro-aimant que dans le vide lorsque le champ magnétique augmente encore. Cela se produit exactement lorsqu'on atteint la magnétisation à saturation.

Lorsqu'une matière ferromagnétique est exposée à la magnétisation à saturation, le nombre maximal de spins atomiques est aligné parallèlement. La magnétisation n'augmente plus. Dans ce cas, la magnétisation maximale possible reste même lorsque le champ extérieur (sans inverser la polarité) est à nouveau coupé. Cette magnétisation restante est appelée rémanence.

L'illustration montre une courbe d'hystérésis d'un matériau magnétique dur, utilisé par exemple dans les transformateurs. Le point BS désigne la magnétisation à saturation. Ici, la densité de flux magnétique B n'augmente que faiblement lorsque le champ magnétique externe H augmente encore (la pente de la ligne noire a la valeur µ0, car µ=1). Pour des champs magnétiques plus faibles, la magnétisation augmente plus fortement du facteur µ (ligne rouge). Pour le fer, µ peut atteindre une valeur de quelques milliers. Au point de magnétisation à saturation, µ=1. Le point BR désigne la rémanence qui subsiste lorsque le champ externe est à nouveau désactivé après une saturation magnétique.
L'illustration montre une courbe d'hystérésis d'un matériau magnétique dur, utilisé par exemple dans les transformateurs. Le point BS désigne la magnétisation à saturation. Ici, la densité de flux magnétique B n'augmente que faiblement lorsque le champ magnétique externe H augmente encore (la pente de la ligne noire a la valeur µ0, car µ=1). Pour des champs magnétiques plus faibles, la magnétisation augmente plus fortement du facteur µ (ligne rouge). Pour le fer, µ peut atteindre une valeur de quelques milliers. Au point de magnétisation à saturation, µ=1. Le point BR désigne la rémanence qui subsiste lorsque le champ externe est à nouveau désactivé après une saturation magnétique.

Conséquences de la magnétisation à saturation pour les applications techniques

La magnétisation à saturation a pour conséquence qu'un champ magnétique ne peut plus être amplifié par un matériau ferromagnétique.

Cela entraîne des inconvénients dans de nombreuses applications techniques. Les transformateurs, par exemple, sont des paires de bobines opposées avec un nombre de spires différent. Les bobines ont un noyau de fer, ce qui entraîne dans la bobine une conversion très efficace de l'énergie électrique en énergie magnétique d'un champ magnétique puissant. Ce champ magnétique induit à son tour un courant dans la bobine opposée, avec certaines valeurs de tension et de courant réglables grâce aux caractéristiques de cette bobine, mais avec une puissance totale similaire.

Si le noyau en fer possède une grande perméabilité magnétique μ, ce procédé de conversion de la tension électrique est très efficace. Peu de puissance est alors perdue. Le transformateur peut, par exemple, réduire la tension d'une prise de 220 V à 12 V sans qu'une grande perte ne se produise, car le courant dans le circuit primaire est relativement faible. Dans le domaine de la magnétisation à saturation, l'efficacité de la conversion de l'énergie électrique en énergie magnétique diminue, et donc le rendement du transformateur. La magnétisation à saturation dans des transformateurs n'est donc pas souhaitable.

L'entrefer empêche une saturation magnétique précoce

Grâce à un entrefer, qui est découpé dans le noyau de fer, on peut parvenir à ce que l'augmentation de la densité de flux magnétique soit plus lente et que la saturation magnétique survienne plus tard. L'entrefer a une résistance magnétique beaucoup plus élevée que le noyau de fer. Par conséquent, il entrave la magnétisation du matériau ferromagnétique. Globalement, la magnétisation du noyau du transformateur augmente donc plus lentement que sans entrefer. En revanche, sur une large plage, la magnétisation est ainsi proportionnelle au champ extérieur.
Ainsi, dans la technologie des champs magnétiques, l'entrefer a une réelle importance technique.


Portrait du Dr Franz-Josef Schmitt
Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.

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