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1 LES CIRCUITS MAGNETIQUES Chapitre IV : LES CIRCUITS MAGNETIQUES I-Généralités

1 LES CIRCUITS MAGNETIQUES Chapitre IV : LES CIRCUITS MAGNETIQUES I-Généralités : I-1 Introduction générale : Les machines électriques sont des convertisseurs d’énergie. Ils convertissent l’énergie électrique en une autre énergie ou inversement. Les phénomènes physiques principaux intervenant dans une machine électrique sont principalement les phénomènes électriques et les phénomènes magnétiques. Les phénomènes électriques sont généralement étudiés par des modèles de circuits électriques faisant intervenir des constantes localisées comme les résistances, les inductances ou mutuelles. Les phénomènes magnétiques sont régis par les équations de Maxwell et des lois de comportement des matériaux vis-à-vis du champ magnétique. Les grandeurs tension et courant électriques interviennent parfois au sein de circuits électriques par le biais de phénomènes magnétiques : les grandeurs magnétiques sont donc fortement attachées aux comportements électriques. Dans ces conditions, pour revenir à l’étude strictement électrique, la connaissance des grandeurs magnétiques essentielles permet de comprendre leur influence et les relier aux tensions et courants dans un circuit. Les phénomènes magnétiques sont le fruit du mouvement des charges électriques. La grandeur vectorielle champ d’induction magnétique émane directement de ces mouvements grâce à la loi de Biot et Savart. L’autre grandeur importante, le champ d’excitation magnétique, vectoriel lui aussi, traduit l’influence du milieu. Dans les matériaux courants, ces vecteurs (induction et excitation) sont colinéaires. Enfin, on distingue une dernière grandeur, scalaire cette fois-ci, définie à partir de l’induction : le flux d’induction magnétique. Remarque : Dans les machines électrique, l’utilisation d’un champ magnétique a imposé la réalisation des circuits magnétiques ayant des formes adaptées. EQUATIONS DE MAXWELL Les phénomènes électriques et magnétiques ont tout d’abord été étudiés séparément par plusieurs physiciens de renom, dont les principaux sont Franklin (1706 – 1790), Coulomb (1736 – 1806) Oested (1775 – 1851), Ampère (1775 – 1836), Gauss (1777 – 1855) et Faraday (1791 – 1867). C’est cependant à Maxwell (1831 – 1879) que l’on doit la formulation la plus complète des relations liant entre elles les grandeurs électriques et magnétiques. Les équations de Maxwell spécifient que toute variation spatiale d’un champ électrique ou magnétique en un point de l’espace entraîne ou est due à l’existence, ou la variation temporelle, d’un autre champ au même point de l’espace. Il s’agit là de leur forme locale, ou encore différentielle. James Clerk Maxwell (1831-1879) est un physicien et mathématicien écossais. Il est principalement connu pour avoir unifié en un seul ensemble d'équations, les équations de Maxwell, l'électricité, le magnétisme et l'induction, en incluant une importante modification du théorème d'Ampère. Ce fut à l'époque le modèle le plus unifié de l'électromagnétisme. Il est également célèbre pour avoir interprété, dans un article que la lumière comme étant un phénomène électromagnétique en s'appuyant sur les travaux de Michael Faraday. Il a notamment démontré que les champs électriques et magnétiques se propagent dans l'espace sous la forme d'une onde et à la vitesse de la lumière. 2 LES CIRCUITS MAGNETIQUES I-2 Définitions : 1. Un circuit magnétique est un circuit généralement réalisé en matériau ferromagnétique au travers duquel circule un flux de champ magnétique 2. Une bobine parcourue par un courant engendre un champ d’induction magnétique dans son environnement. Si on place dans cet environnement un objet en matériau ferromagnétique celui-ci peut modifier considérablement ce champ. On parle alors de circuit magnétique. 3. Un volume de matériau magnétique excité par une bobine ou par un aiment permanent devient circuit magnétique. Celui-ci au flux d’induction magnétique ce qu’un circuit électrique est au courant électrique. 4. L’interaction magnétique est la propriété que possèdent certains corps pour attirer des morceaux de fer, ces corps sont appelés : corps magnétique ou aimants ; 5. L’aiment possède deux points ou l’interaction magnétique est la plus intense : ce sont les pôles 6. Les pôles d’un même aimant sont donc différents : l’un est le pole nord, l’autre le pôle sud 7. Nous caractérisons l’espace autour d’un aimant par un champ magnétique (comme pour le champ de gravitation et électrique). Il y a donc des lignes de champ magnétique. Les lignes de champ magnétique quittent l’amant pour le pôle Nord et se referment sur le pôle Sud. I-3 Quelques exemples des circuits magnétiques : - Figure 1 - -a- -b- -c- -d- -f- -e- 3 LES CIRCUITS MAGNETIQUES II- Electromagnétisme, matériaux et relations fondamentales : II-1 champ magnétique : On appelle champ d’excitation magnétique H toute région de l’espace ou, soit une aiguille aimantée, soit un circuit fermé parcouru par un courant électrique est soumis à une force magnétique. Il s’agit donc du 3ème type de champ après le champ de gravitation et le champ électrique. Orientation des vecteurs en fonction du sens du courant (règle de la main droite) : Sur la figure 2-b est représenté le champ magnétique créé dans une solénoïde par la circulation du courant i. La direction du champ créé correspond à la direction donnée par le pouce de la main droite, lorsque les autres doigts s’enroulent autour du solénoïde dans le sens du courant. Cette convention mise en évidence sur l’exemple du solénoïde est également valable pour n’importe quelle boucle d’un élément conducteur parcouru par un courant. Action d’un champ magnétique sur un courant électrique : Soit un conducteur cylindrique parcouru par un courant I et placé dans un champ magnétique B formant un angle θ avec la direction du courant électrique (figure 2-c). Sur un élément dl s’applique une force de LAPLACE : NB1 : le champ magnétique ou l’excitation magnétique a pour unité l’Ampère par mètre (A/m). NB2 : certains corps naturels (l’oxyde de fer Fe2O3 par exemple) ont la propriété de créer naturellement dans leur voisinage un champ magnétique. Pierre-Simon Laplace (1749 - 1827) , est un mathématicien, astronome, physicien et homme politique français. Laplace est l’un des principaux scientifiques de la période napoléonienne. En effet, il a apporté des contributions fondamentales dans différents champs des mathématiques, de l’astronomie et de la théorie des probabilités. Il a contribué de façon décisive à l'émergence de l’astronomie mathématique, reprenant et étendant le travail de ses prédécesseurs dans son Traité de Mécanique céleste (1799-1825). Cet ouvrage, a transformé l’approche géométrique de la mécanique développée par Newton en une approche fondée sur l’analyse mathématique. Lien induction –mouvement : loi de Lorenz : La force F s’exerçant sur une charge électrique q se déplaçant à la vitesse v dans un champ d’induction magnétique B s’exprime par : .( ) F q v B   Hendrik Antoon Lorentz : (1853 - 1928 ) est un physicien néerlandais qui s'est illustré par ses travaux théoriques sur la nature de la lumière et la constitution de la matière. Il est co-lauréat avec Pieter Zeeman du prix Nobel de physique de 1902 -c- -Figure 2- -a- -b- 4 LES CIRCUITS MAGNETIQUES II-2 Phénomènes d’excitation, d’aimantation et Premières grandeurs : De façon assez simple, on définit l’excitation comme la mise en présence d’un corps à un champ magnétique et l’aimantation comme une polarisation magnétique du corps exposé. En exposant un corps homogène à un champ magnétique H créé par la circulation d’un courant i dans un bobinage d’excitation, il se crée une aimantation caractérisée de façon théorique par un vecteur J colinéaire au champ H qui l’a créé. La polarisation magnétique du matériau est caractérisée par le vecteur d’induction magnétique B , résultant de l’aimantation du vide ( H Bvide 0   ) ajoutée à celle de la matière considérée. On écrit alors : J H B   ( 0  ) J étant colinéaire à H il est possible d’écrire : H J   (ou est appelée susceptibilité magnétique). On retiendra ainsi la formulation générale du vecteur induction : H H B r. . ). 1 ( 0 0        Les grandeurs 0 et r sont appelées respectivement : perméabilité du vide ( 7 0 10 . 4    ) et perméabilité relative. Pour simplifier on appellera perméabilité  le produit r    . 0  . ( a pour unité Henry/mètre ) B : Induction magnétique (densité de flux magnétique), a pour unité tesla [T] Remarque: On parle de matériau linéaire, ou d’utilisation linéaire dés lors qu’on peut considérer la perméabilité r    . 0  comme constante. Nikola Tesla (1856 -1943) est un inventeur et ingénieur américain d'origine serbe. Il est notoirement connu pour son rôle prépondérant dans le développement et l'adoption du courant alternatif pour le transport et la distribution de l'électricité. Ses travaux les plus connus portent sur l’énergie électrique. Il a mis au point les premiers alternateurs permettant la naissance des réseaux électriques de distribution en courant alternatif, dont il est l’un des pionniers. Il est connu pour avoir su mettre en pratique la découverte du caractère ondulatoire de l’électromagnétisme ,en utilisant les fréquences propres des composants des circuits électriques afin de maximiser leur rendement. II-3 Classification des matériaux magnétiques : La classification des matériaux magnétisme se base sur le signe et la valeur de la susceptibilité magnétique  Types de matériaux Matériaux Paramagnétiques Matériaux Diamagnétiques Matériaux Ferrimagnétique uploads/Ingenierie_Lourd/ chapitre-iv-circuits-magnetiques.pdf