Circuit magnétique
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Vue éclatée d'une bobine plane.
Vue éclatée d'une bobine plane.

Un circuit magnétique est un circuit généralement réalisé en matériau ferromagnétique au travers duquel circule un flux de champ magnétique

Le champ magnétique est généralement créé soit par des enroulements enserrant le circuit magnétique (Un circuit magnétique est un circuit généralement réalisé en matériau ferromagnétique au travers duquel circule un flux de champ magnétique) et traversés par des courants, soit par des aimants contenus dans le circuit magnétique.

Lorsque plusieurs circuits électriques sont bobinés autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) d'un même circuit magnétique, ils constituent des circuits magnétiquement couplés (Des circuits magnétiquements couplés sont des circuits électriques bobinés autour d'un même circuit magnétique. Par exemple deux enroulement d'un transformateur ou d'une machine électrique. On abrège souvent...).

Constitution, fabrication

Il est constitué d'un assemblage de pièces en matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) ferromagnétiques. Il peut comprendre un entrefer : petit espace d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) dans le circuit.

Cet entrefer peut être :

  • structurel : c'est le cas dans les machines tournantes où le rotor est séparé du stator par un entrefer que l'on souhaite le plus petit possible ;
  • intentionnel : permet d'éviter la saturation du circuit magnétique et confère une plus grande linéarité à l'inductance (L'inductance d’un circuit électrique est un coefficient qui traduit le fait qu’un courant le traversant crée un champ magnétique à travers la section entourée par ce circuit. Il en résulte un flux du champ...) ainsi créée.

Circuit magnétique soumis à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) indépendant du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.)

Si le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique est constant au cours du temps, les pertes magnétiques : pertes par courants de Foucault (On appelle courants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu (le flux du champ à travers le milieu), soit...) et pertes par hystérésis (Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a hystéresis lorsque la courbe E = f(C) obtenue à la croissance de C ne se superpose...) sont inexistantes. Le circuit magnétique est donc souvent constitué de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer pur est...) doux massif (Le mot massif peut être employé comme :) ou d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la...) coulé : matériaux et modes de fabrication les plus économiques.

Circuit magnétique soumis à un champ magnétique périodique de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) faible

Il est nécessaire dans ce cas de limiter les pertes magnétiques.

  • Les pertes par hystérésis sont limitées par l'utilisation de matériaux à cycle étroit.
  • Les pertes par courants de Foucault sont limitées par un feuilletage du circuit magnétique : En remplacement d'une pièce massive (Le mot massif peut être employé comme :), on procède à un empilage de tôles isolées les unes des autres. L'isolation a pour but d'empêcher la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) de courants d'une plaque à l'autre.

Circuit magnétique soumis à un champ magnétique périodique haute fréquence

Les pertes par courants de Foucault augmentent en fonction du carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un...) de la fréquence. Les circuits magnétiques utilisés en haute fréquence doivent être réalisés à l'aide de matériaux ferromagnétiques isolants.

  • Les ferrites sont des oxydes mixtes de Fer III et d'autres métaux M divalents. (M peut être également le fer. Dans ce cas le ferrite obtenu s'appelle la magnétite). Les plus utilisés pour la constitution de circuits magnétiques sont les ferrites à base de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) (Zn) et/ou de manganèse (Mn).
  • Les matériaux nanocristallins sont des agglomérats de cristaux dont la taille est de l'ordre de la dizaine de nanomètres, noyés dans une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) amorphe. Ils sont constitué de fer, d'autres métaux (cuivre, niobium) et de métalloïdes (carbone, silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), bore). Leurs excitations coercitives étant très faibles, de l'ordre de l'A/m, ils présentent un cycle d'hystérésis très étroit.

Analogie d'Hopkinson

Principes

Cette analogie consiste à faire un parallèle entre les circuits électriques et les circuits magnétiques.

Circuits électriques Circuits magnétiques
Intensité du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau...) I \, Flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) du champ magnétique dans le circuit \varphi \,
Résistance R \, Réluctance \mathcal{R} \,
Conductivité \sigma \, Perméabilité \mu \,
Force électromotrice (Lorsque le flux du champ magnétique qui traverse un circuit conducteur varie au cours du temps, il apparaît dans ce circuit une tension. La tension ainsi créée...) E \, Force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) magnétomotrice \mathcal{F} \, ou \sum nI \,
Loi d'Ohm E = R \cdot I \, Loi d'Hopkinson \mathcal{F} = \mathcal{R} \cdot \varphi \,

Réluctance d'un circuit magnétique

Réluctance d'un circuit magnétique homogène

Pour un circuit magnétique homogène, c’est-à-dire constitué d'un seul matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière...) et de section homogène, il existe une relation permettant de calculer sa réluctance en fonction du matériau qui le constitue et de ses dimensions :

\mathcal{R}=\frac {1}{\mu}\cdot \frac l S \, en H-1
  • \mu  \, étant la perméabilité magnétique en kg·m.A-2·s-2,
  • l  \,la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa...) en mètres,
  • S \, la section en m2.

Réluctance équivalente d'un entrefer

La réluctance d'un entrefer de faible épaisseur est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...) par

\mathcal{R}=\frac {e}{\mu_0 \cdot S}\, , avec :
  • e \, épaisseur de l'entrefer,
  • \mu_0 \, perméabilité du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.)
  • S \, section de l'entrefer

Si l'épaisseur de l'entrefer est grande, il n'est plus possible de considérer que les lignes de champ magnétique restent perpendiculaires à l'entrefer. On doit alors tenir compte de l'épanouissement du champ magnétique c'est à dire considérer que la section S est plus grande que celle des pièces métalliques de part et d'autre de l'entrefer.

Réluctance d'un circuit hétérogène

Les lois d'association des réluctances permettent de calculer celle d'un circuit magnétique de forme complexe ou composé de matériaux aux caractéristiques magnétiques différentes. On décompose ce circuit en tronçon homogène, c'est à dire de même section et constitué du même matériau.

  • Association en série : Lorsque deux tronçons homogènes ayant respectivement pour réluctance \mathcal{R}_1 et \mathcal{R}_2 se succèdent, la réluctance de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) est \mathcal{R}_{eq. serie}  = \mathcal{R}_1 +\mathcal{R}_2
  • Association en parallèle : Lorsque deux tronçons homogènes ayant respectivement pour réluctance \mathcal{R}_1 et \mathcal{R}_2 sont placé cote à cote, la réluctance de l'ensemble est \mathcal{R}_{eq. //} telle que \frac{1}{\mathcal{R}_{eq. //}} =\frac{1}{\mathcal{R}_1} +\frac{1}{\mathcal{R}_2}, soit encore \mathcal{R}_{eq. //}=\frac{\mathcal{R}_1.\mathcal{R}_2}{ \mathcal{R}_1 + \mathcal{R}_2}.

À l'aide de ces lois on peut calculer la réluctance du circuit magnétique complexe dans son intégralité.

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