Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 02/09/2016

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Circuits Magnétiques :



3. - CIRCUITS MAGNÉTIQUES :    "3ème PARTIE"


Une bobine (inductance) doit généralement posséder une inductance (L) élevée par rapport à sa partie résistive R. Pour cela, une bobine est munie d'un noyau ferromagnétique.

En effet, dans les théories précédentes, il a été noté que la valeur de l'inductance pour une bobine est aussi en fonction du matériau situé à l'intérieur de celle-ci. Le noyau ferromagnétique permet donc d'augmenter notablement l'inductance, tout en conservant la valeur de la résistance constituée par l'enroulement du fil.

Pour obtenir une inductance élevée, il faut que le noyau soit fermé sur lui-même de façon que l'ensemble des lignes d'induction soit contenu dans le noyau.

En examinant la bobine de la figure 11-a, on s'aperçoit que les lignes d'induction se referment à l'extérieur du noyau en passant par les couches d'air extérieures à ce dernier.

 Bobine_ouverte_en_bobine_fermee

Il suffit de refermer progressivement le noyau sur lui-même (figure 11-b) jusqu'à ce que les deux extrémités soient en contact (figure 11-c) pour que toutes les lignes d'induction soient "emprisonnées" dans le noyau.

Ainsi, on a obtenu un noyau fermé, qui est traversé par la totalité du flux d'induction produit par la bobine. Aucune ligne d'induction ne peut se refermer dans l'air.

L'inductance résultante est égale au produit de l'inductance sans noyau par la perméabilité relative du matériau constituant le noyau ferromagnétique.

Pour des raisons de fabrication, les noyaux utilisés en pratique n'ont généralement pas la forme illustrée figure 11-c, mais la forme "à colonne" (figure 12-a), ou la forme "cuirassée ou blindée" (figure 12-b), qui est la plus utilisée.

Noyaux_ferromagnetiques

Nous pouvons noter par ailleurs que l'enroulement n'effectue pas le tour complet du noyau, mais se situe seulement dans une de ses parties rectilignes.

Cela est lié au mode de fabrication de la bobine. Dans un premier temps, seul l'enroulement du fil est réalisé et dans un second temps, la carcasse métallique constituée de feuilles est assemblée avec l'enroulement de la bobine.

Comme l'indique la figure 13, le flux d'induction se referme presque totalement dans le noyau. Seules, quelques lignes d'induction tracées en pointillé sortent du noyau.

Pour expliquer le fait que les lignes d'induction restent à l'intérieur du noyau, il faut imaginer que le noyau ferromagnétique est constitué d'aimants élémentaires très petits et mis bout à bout. Ainsi, les lignes d'induction suivent exactement l'orientation privilégiée de ces petits aimants dans le noyau.

Circuits_magnetiques_dans_une_bobine

Puisque les lignes d'induction passent préférentiellement dans le noyau, nous disons que le noyau est plus perméable que l'air aux lignes d'induction.

Une image peut être donnée en imaginant un terrain perméable à l'eau entouré par un terrain imperméable. Le terrain central perméable représente le noyau, le terrain extérieur imperméable représente l'air entourant le noyau.

Quand la pluie tombe, il est bien évident que c'est le terrain central, perméable qui absorbe l'essentiel de l'eau. Il en est de même avec les lignes d'induction et le noyau ferromagnétique. Pour cette raison, on emploie le terme de "perméabilité magnétique" pour un matériau déterminé.

Par rapport à l'air, le noyau ferromagnétique détermine une augmentation de l'inductance, ou du flux d'induction, précisément parce qu'il est plus facilement traversé par les lignes d'induction que l'air.

Le second avantage dans l'emploi d'un noyau réside dans le fait que ce noyau canalise les lignes d'induction, c'est-à-dire qu'il les contraint à parcourir un "chemin" obligatoire.

Les lignes d'induction quittant le parcours imposé par le noyau constituent le flux de dispersion.

Ce flux de dispersion peut généralement être négligé devant le flux d'induction dans le cas d'une bobine avec noyau.

Comme le montre la figure 13 ci-dessus, l'enroulement et le noyau refermé sur lui-même présentent des analogies avec un circuit électrique. L'ensemble est donc appelé circuit magnétique.

Pour chaque type de circuit magnétique, on peut trouver le circuit électrique correspondant : par exemple, le circuit magnétique de la figure 13-a correspond au circuit électrique de la figure 13-c constitué par un conducteur de résistance non négligeable relié à une pile.

Comme la f.e.m. (E) fait circuler un courant (I) dans le conducteur, on peut dire que la f.m.m. (force magnétomotrice) "N.I." fait traverser le noyau par le flux d'induction .

En considérant le circuit électrique analogue à un circuit magnétique donné, l'examen de ce dernier peut se trouver facilité. Par exemple, au circuit magnétique de la figure 13-b correspond le circuit électrique de la figure 13-d. Ce dernier est constitué de deux conducteurs de résistance identique mis en parallèle et reliés à la pile. Le courant (I) fourni par la pile se subdivise en deux parties égales I / 2 dans chaque conducteur.



Le flux d'induction dans un circuit magnétique correspondant présente un comportement analogue. En effet, le flux produit par la bobine se partage en deux flux égaux indiqués par / 2 figure 13-b, chacun traversant une des branches latérales du noyau.

On peut poursuivre l'analogie entre circuits magnétiques et circuits électriques. Pour un circuit électrique, quand on divise la f.e.m. par le courant, on obtient la résistance (loi d'OHM) du circuit. Pour un circuit magnétique, si l'on divise la f.m.m. par le flux d'induction, on obtient une grandeur analogue à la résistance du circuit électrique ; il s'agit de la réluctance magnétique du noyau. Le symbole est R et cette réluctance s'exprime en 1 / H.

La réluctance magnétique indique le nombre d'ampères-tours nécessaires pour obtenir un flux d'induction d'un Weber (Wb).

Comme la résistance est fonction de la longueur et de la section pour un conducteur donné, la réluctance est fonction de celles du noyau.

La réluctance est proportionnelle à la longueur du noyau et inversement proportionnelle à sa section.

De même que la résistivité intervient dans le calcul de la résistance électrique d'un matériau donné, la perméabilité absolue intervient pour le calcul de la réluctance d'un noyau ferromagnétique.

Plus la perméabilité du noyau est élevée, plus le flux d'induction est élevé et plus la réluctance sera faible.

En conclusion, on peut dire que la réluctance d'un noyau ferromagnétique s'obtient en divisant sa longueur par sa section et par sa perméabilité absolue.

Les circuits magnétiques considérés jusqu'à présent sont fermés (leur noyau est fermé sur lui-même).

Notons qu'il existe des circuits ouverts. Dans ce cas, le noyau possède un entrefer comme cela apparaît figure 14-a. Cet entrefer est une petite région de l'espace où le noyau se trouve interrompu.

La direction des lignes d'induction n'est pratiquement pas modifiée par cet entrefer. 

Circuit_magnetique

Si l'on connaît la section et la longueur de l'entrefer ainsi que la perméabilité magnétique de l'air, on peut calculer la réluctance présentée au flux d'induction dans l'entrefer. Cette réluctance de l'entrefer est plus élevée que celle d'un noyau ferromagnétique de mêmes dimensions que l'entrefer.

Ce nouveau circuit magnétique est analogue au circuit de la figure 14-b. La résistance R possède une valeur résistive bien plus élevée que les conducteurs qui relient à la pile.

Cette résistance R est analogue à l'entrefer du circuit magnétique tandis que les deux conducteurs électriques sont analogues au noyau ferromagnétique.

La réluctance totale du circuit magnétique est égale à la somme de la réluctance du noyau et de celle de l'entrefer.

Après avoir montré ces analogies entre un circuit magnétique et un circuit électrique, il convient d'en présenter les différences.

Comme nous le savons, le courant qui parcourt un circuit électrique est proportionnel à la f.e.m., or il n'en est pas de même pour un circuit magnétique, il n'y a plus proportionnalité entre la f.m.m. et le flux d'induction.

Dans certaines conditions, pour une augmentation de la f.m.m., le flux d'induction ne varie pas.

Ce fait est dû à la présence du noyau et il faut donc considérer le comportement du matériau constitutif du noyau en relation avec les variations de la f.m.m..

Pour examiner le comportement d'un matériau ferromagnétique déterminé, on construit un noyau avec lui puis on dispose une bobine autour de ce noyau. On fait circuler un courant (I) progressivement croissant de façon à augmenter la f.m.m. (N x I).

Pour chaque courant I, on mesure le flux d'induction à l'aide d'un fluxmètre. Cela permet de tracer une courbe représentant le flux d'induction en fonction de la f.m.m. (N x I).

Les valeurs de la f.m.m. sont reportées sur l'axe horizontal d'un repère cartésien. Les valeurs du flux sont reportées sur l'axe vertical.

La figure 15-a représente cette courbe pour un matériau ferromagnétique courant. Au début, au point O, la f.m.m. est nulle ainsi que le flux ; puis la f.m.m. augmente, on constate que le flux augmente également, dans un premier temps relativement peu (au début de la courbe), puis dans un deuxième temps, beaucoup plus ; dans un troisième temps, quand on approche du point A, la variation du flux diminue nettement jusqu'à s'annuler pratiquement au-delà du point A.

Au point A, il y a saturation magnétique. On dit qu'au-delà du point A, le noyau est saturé. En effet, plus la f.m.m. augmente, plus le nombre d'aimants élémentaires qui constituent le noyau s'oriente dans la direction des lignes d'induction.

 Courbe_hysteresis

Quand on arrive au point A, tous les aimants élémentaires sont orientés et par conséquent, le flux ne peut s'accroître.

La courbe de la figure 15-a est la courbe de première magnétisation car elle est obtenue quand on magnétise pour la première fois un noyau ferromagnétique.

Maintenant, il nous faut envisager le cas d'une bobine avec noyau parcourue par un courant alternatif. Pour cela, partons du point A au point de saturation précédemment décrit.

On pourrait penser que lorsque la f.m.m. diminue, le flux reprend les mêmes valeurs que précédemment, or il n'en est rien.

Sur la figure 15-b, on voit que le flux du point A au point B prend des valeurs supérieures à celles relatives à la première magnétisation.

En particulier, quand le courant devient nul, nous voyons que le flux ne l'est pas (point B).

Il s'agit du flux résiduel ou flux rémanent.

Au-delà du point O, vers la gauche, les valeurs de la f.m.m. deviennent négatives, c'est-à-dire que le courant I a changé de sens. (Figure 15-c).

On s'aperçoit que lorsque la f.m.m. atteint une certaine valeur négative (point C), le flux devient nul.

Nous voyons ainsi que pour annuler le flux résiduel, il faut faire circuler dans l'enroulement de la bobine un certain courant dirigé en sens contraire à celui ayant servi à magnétiser le noyau.

On peut dire que le flux d'induction suit les variations du courant alternatif avec un certain retard. Ce phénomène constitue l'hystérésis magnétique (hystérésis signifie retard).

Si la f.m.m. continue d'augmenter, le courant étant toujours dans le sens contraire à celui de la première magnétisation, le flux augmente (courbe du point C au point D) mais il a changé de sens par rapport à celui de la première magnétisation.

Quand on parvient au point D, le noyau est saturé, tous les aimants élémentaires se sont orientés dans le sens contraire à celui de la première magnétisation.

Lorsque le courant diminue à nouveau jusqu'à s'annuler, le flux décroît du point D au point E. Donc il existe encore un flux rémanent égal en intensité à celui vu précédemment mais de sens contraire.

Lorsque la f.m.m. augmente à nouveau, on passe du point E au point F (flux nul) puis on rejoint le point A de saturation. Ainsi, on a accompli un cycle complet d'hystérésis.

Les flèches sur la figure 15-c indiquent le sens de parcours du cycle.

Pour toute bobine possédant un noyau ferromagnétique et parcourue par un courant alternatif, il existe un tel cycle d'hystérésis dans le noyau. C'est le cas, en particulier, des transformateurs d'alimentation qui seront l'objet de la prochaine théorie.



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