Propriétés des matériaux ferromagnétiques et leur application en technologie

Autour d'un fil avec un courant électrique, même dans le vide, il y a champ magnétique… Et si une substance est introduite dans ce champ, alors le champ magnétique changera, puisque toute substance dans un champ magnétique est magnétisée, c'est-à-dire qu'elle acquiert un moment magnétique plus ou moins important, défini comme la somme des moments magnétiques élémentaires associés à parties qui composent cette substance.

L'essence du phénomène réside dans le fait que les molécules de nombreuses substances ont leurs propres moments magnétiques, car des charges se déplacent à l'intérieur des molécules, qui forment des courants circulaires élémentaires et sont donc accompagnées de champs magnétiques. Si aucun champ magnétique externe n'est appliqué à la substance, les moments magnétiques de ses molécules sont orientés de manière aléatoire dans l'espace, et le champ magnétique total (ainsi que le moment magnétique total des molécules) d'un tel échantillon sera nul.

Si l'échantillon est introduit dans un champ magnétique extérieur, alors l'orientation des moments magnétiques élémentaires de ses molécules va acquérir une direction préférentielle sous l'influence du champ extérieur. En conséquence, le moment magnétique total de la substance ne sera plus nul, car les champs magnétiques des molécules individuelles dans de nouvelles conditions ne se compensent pas. Ainsi, la substance développe un champ magnétique B.

Si les molécules d'une substance n'ont pas initialement de moments magnétiques (il existe de telles substances), alors lorsqu'un tel échantillon est introduit dans un champ magnétique, des courants circulaires y sont induits, c'est-à-dire que les molécules acquièrent des moments magnétiques, qui encore une fois, de ce fait, conduit à l'apparition d'un champ magnétique total B.

La plupart des substances connues sont faiblement magnétisées dans un champ magnétique, mais il existe également des substances qui se distinguent par de fortes propriétés magnétiques, elles sont appelées ferromagnétiques… Exemples de ferromagnétiques : fer, cobalt, nickel et leurs alliages.

Les ferromagnétiques comprennent des solides qui, à basse température, ont une aimantation spontanée (spontanée) qui varie considérablement sous l'influence d'un champ magnétique externe, d'une déformation mécanique ou d'un changement de température. C'est ainsi que se comportent l'acier et le fer, le nickel et le cobalt et les alliages. Leur perméabilité magnétique est des milliers de fois supérieure à celle du vide.

Pour cette raison, en électrotechnique, pour conduire le flux magnétique et convertir l'énergie, il est traditionnellement utilisé noyaux magnétiques en matériaux ferromagnétiques.

Dans de telles substances, les propriétés magnétiques dépendent des propriétés magnétiques des porteurs élémentaires du magnétisme - électrons se déplaçant à l'intérieur des atomes… Bien sûr, les électrons se déplaçant sur des orbites dans les atomes autour de leurs noyaux forment des courants circulaires (dipôles magnétiques). Mais dans ce cas, les électrons tournent également autour de leurs axes, créant des moments magnétiques de spin, qui jouent simplement le rôle principal dans l'aimantation des ferromagnétiques.

Les propriétés ferromagnétiques ne se manifestent que lorsque la substance est à l'état cristallin. De plus, ces propriétés dépendent fortement de la température, car le mouvement thermique empêche l'orientation stable des moments magnétiques élémentaires. Ainsi, pour chaque ferromagnétique, une température spécifique (point de Curie) est déterminée à laquelle la structure d'aimantation est détruite et la substance devient un paramagnétique. Par exemple, pour le fer c'est 900°C.

Même dans des champs magnétiques faibles, les ferromagnétiques peuvent être magnétisés jusqu'à saturation. De plus, leur perméabilité magnétique dépend de l'amplitude du champ magnétique externe appliqué.

Au début du processus de magnétisation induction magnétique B devient plus fort dans un ferromagnétique, ce qui signifie perméabilité magnétique mais quand la saturation se produit, augmenter encore l'induction magnétique du champ externe ne conduit plus à une augmentation du champ magnétique du ferromagnétique, et donc la perméabilité magnétique de l'échantillon a diminué, maintenant elle tend vers 1.

Une propriété importante des ferromagnétiques est reste… Supposons qu'une tige ferromagnétique soit placée dans la bobine et qu'en augmentant le courant dans la bobine, elle soit amenée à saturation. Ensuite, le courant dans la bobine a été coupé, c'est-à-dire que le champ magnétique de la bobine a été supprimé.

Il sera possible de remarquer que la tige n'est pas démagnétisée à l'état dans lequel elle se trouvait au début, son champ magnétique sera plus important, c'est-à-dire qu'il y aura une induction résiduelle. La tige a été tournée de cette façon à un aimant permanent.

Pour démagnétiser un tel barreau arrière, il faudra lui appliquer un champ magnétique extérieur de sens opposé et d'induction égale à l'induction résiduelle. La valeur du module d'induction du champ magnétique qu'il faut appliquer à un ferromagnétique aimanté (aimant permanent) pour le démagnétiser s'appelle force coercitive.

Le phénomène lorsque, lors de l'aimantation d'un ferromagnétique, l'induction dans celui-ci est en retard par rapport à l'induction du champ magnétique appliqué est appelé hystérésis magnétique (voir - Qu'est-ce que l'hystérésis).

Les courbes de magnétisation (boucles d'hystérésis) pour différents matériaux ferromagnétiques diffèrent les unes des autres.

Certains matériaux ont de larges boucles d'hystérésis - ce sont des matériaux à forte magnétisation résiduelle, on les appelle des matériaux magnétiquement durs. Des matériaux magnétiques durs sont utilisés dans la fabrication d'aimants permanents.

Au contraire, les matériaux magnétiques doux ont une boucle d'hystérésis étroite, une faible magnétisation résiduelle et sont facilement magnétisés dans des champs faibles. Ce sont des matériaux magnétiques doux qui sont utilisés comme noyaux magnétiques de transformateurs, de stators de moteurs, etc.

Les ferromagnétiques jouent aujourd'hui un rôle très important dans la technologie. Les matériaux magnétiques doux (ferrites, acier électrique) sont utilisés dans les moteurs et générateurs électriques, dans les transformateurs et selfs, ainsi que dans l'ingénierie radio. Les ferrites sont constitués de noyaux d'inductance.

Des matériaux magnétiques durs (ferrites de baryum, cobalt, strontium, néodyme-fer-bore) sont utilisés pour fabriquer des aimants permanents. Les aimants permanents sont largement utilisés dans les instruments électriques et acoustiques, dans les moteurs et générateurs, dans les compas magnétiques, etc.