Qu'est-ce que la perméabilité magnétique ?

Le concept de perméabilité magnétique indique la vitesse à laquelle un matériau permet aux lignes de champ magnétique de le traverser. En termes moins techniques, il s'agit d'une mesure de la facilité avec laquelle un matériau peut conduire le magnétisme à travers lui, tout comme la conductivité électrique est une mesure de la facilité avec laquelle l'électricité peut être conduite.

C'est pourquoi des matériaux comme le fer deviennent des aimants puissants, alors que le bois ou le plastique ne le sont pas. Les matériaux hautement perméables sont capables de concentrer les lignes magnétiques, ce qui est très utile dans les moteurs, les transformateurs et les inductances.

Définition de la perméabilité magnétique

On appelle perméabilité magnétique la mesure dans laquelle un matériau transporte un champ magnétique en son sein. Elle indique la réaction du matériau à l'application d'un champ magnétique.

Considérons les lignes magnétiques comme de l'eau dans un tuyau ; un matériau très perméable ressemble à un large tuyau qui permet au magnétisme de passer facilement. La représentation de la perméabilité est m (mu), et c'est un paramètre important dans les calculs magnétiques.

Perméabilité magnétique de l'espace libre 

Perméabilité magnétique de l'espace libre, communément appelée μ₀ (mu-naught), est une propriété du magnétisme dans le vide. Il a une valeur constante de 4π × 10-⁷ H/m (henry par mètre).

Cela permet de comparer le comportement magnétique d'autres matériaux. Dans le cas de la perméabilité relative, cela est toujours dû au fait qu'elle est mesurée par rapport à μ₀.

Relation entre B et H ; définition de la perméabilité μ

La perméabilité relie deux termes importants du magnétisme, la densité du flux magnétique (B) et l'intensité du champ magnétique (H), par l'équation suivante :

B = μH

Dans ce cas, B représente le champ magnétique global à l'intérieur du matériau, H est le champ appliqué et μ est la force de réponse du matériau.

Si m est élevé, le matériau est facilement magnétisé ; s'il est faible, il n'est pas facilement magnétisé.

Vue microscopique ou macroscopique ; perméabilité incrémentielle

À l'échelle microscopique, la perméabilité magnétique est déterminée par l'alignement de petits aimants atomiques (dipôles) avec un champ externe. Dans des substances telles que le fer, les atomes sont orientés en grand nombre, ce qui les rend très perméables.

À l'échelle macroscopique, la perméabilité est un terme utilisé pour décrire le comportement global du matériau en tant qu'entité et peut varier en fonction de l'intensité du champ, de la température ou de la fréquence.

La petite variation du flux magnétique par la petite variation du champ appliqué est la la perméabilité incrémentielle. Elle peut également être utile dans l'étude du comportement des matériaux face à des champs magnétiques alternatifs ou variables, y compris les transformateurs et les circuits électroniques.

Formule de perméabilité magnétique
 Pour étudier la perméabilité magnétique dans la réalité, nous utilisons des formules. Celles-ci permettent de calculer comment les champs magnétiques agissent à l'intérieur de différents matériaux. Grâce à ces équations, les ingénieurs peuvent comparer les matériaux, concevoir de meilleurs dispositifs magnétiques et prédire la capacité d'une substance à transporter le magnétisme.

Symboles/unités et variables

Dans les équations magnétiques, trois symboles principaux sont utilisés : B, Het μ.

• B signifie densité de flux magnétique, mesuré en tesla (T). Il indique le champ magnétique total à l'intérieur du matériau.
• H représente l'intensité du champ magnétique, Il est mesuré en ampères par mètre (A/m). Il indique l'intensité du champ magnétique appliqué.
• μ est le perméabilité magnétique, qui indique la quantité de flux magnétique produite à l'intérieur du matériau pour un champ appliqué donné.

Ensemble, ils forment l'équation de base B = μH.

Unité de perméabilité magnétique

La norme Unité SI de la perméabilité magnétique est la henry par mètre (H/m). Elle peut également être exprimée comme suit tesla mètre par ampère (T-m/A) car 1 henry est égal à 1 tesla mètre par ampère.

Cette unité décrit la quantité de champ magnétique (en teslas) générée pour une intensité de courant donnée par mètre de matériau.

Formule dimensionnelle

La formule dimensionnelle de la perméabilité magnétique peut être dérivée de l'équation suivante B = μH.
  Nous le savons :

• B a des dimensions [M¹ L⁰ T-² I-¹]
• H a des dimensions [I L-¹]

C'est pourquoi,
  μ = B / H = [M¹ L¹ T-² I-²]

La formule dimensionnelle de la perméabilité magnétique est donc la suivante M¹ L¹ T-² I-², qui représente sa dépendance vis-à-vis de la masse, de la longueur, du temps et du courant électrique.

Unités de perméabilité magnétique relative

Perméabilité magnétique relative (μᵣ) est un quantité sans dimension. Elle représente le rapport entre la perméabilité du matériau (μ) et la perméabilité de l'espace libre (μ₀) :
  μᵣ = μ / μ₀

Puisque μ et μ₀ ont les mêmes unités, leur rapport a... pas d'unité. Cela fait de μᵣ un nombre pur utilisé pour faciliter la comparaison des matériaux.

Perméabilité relative et susceptibilité magnétique
  La perméabilité relative et la susceptibilité magnétique décrivent la façon dont les matériaux réagissent aux champs magnétiques. Perméabilité indique la facilité avec laquelle un champ magnétique traverse un matériau, tandis que le susceptibilité indique à quel point le matériau est magnétisé. Ensemble, ils expliquent le comportement magnétique de différentes substances.

μᵣ = μ/μ₀ ; χₘ = μᵣ - 1
  Perméabilité relative (μᵣ) est le rapport entre la perméabilité d'un matériau (μ) à la perméabilité de l'espace libre (μ₀). Il indique dans quelle mesure un matériau transporte mieux ou moins bien le flux magnétique que le vide.
  Susceptibilité magnétique (χₘ) mesure la quantité de magnétisation produite à l'intérieur du matériau. Ils sont liés par χₘ = μᵣ - 1, ce qui signifie qu'un μᵣ plus élevé donne un χₘ plus élevé.

Susceptibilité magnétique
  Susceptibilité magnétique (χₘ) indique la facilité avec laquelle un matériau est magnétisé. Si χₘ est positif, le matériau est attiré par les aimants (comme le fer - paramagnétique ou ferromagnétique). Si χₘ est négatif, il est légèrement repoussé (diamagnétique). Cela permet d'identifier comment les atomes s'alignent sur un champ magnétique.

Relation avec la susceptibilité et le μ₀
  La perméabilité et la susceptibilité sont liées par la formule suivante μ = μ₀(1 + χₘ). Elle montre que la perméabilité totale dépend à la fois de la perméabilité du vide et de la susceptibilité du matériau. Lorsque χₘ augmente, μ augmente également - ce qui signifie que le matériau supporte un champ magnétique plus intense.

Relation entre χ et μᵣ

 Le lien simple entre les deux est le suivant μᵣ = 1 + χₘ.
  Si χₘ = 0, alors μᵣ = 1 (comme l'air ou le vide).
 Les matériaux ferromagnétiques ont un χₘ élevé et un μᵣ très grand, tandis que les matériaux diamagnétiques ont un χₘ négatif et un μᵣ juste inférieur à 1. Cette relation permet de classer les matériaux en fonction de leur comportement magnétique.

Types de perméabilité magnétique

La perméabilité magnétique n'est pas une valeur constante. Elle varie en fonction du matériau et du champ d'application, de la force et d'autres conditions telles que la température ou la fréquence. Différentes classes de perméabilité sont définies ci-dessous, qui décrivent le comportement des matériaux lorsqu'ils se déplacent dans certains champs magnétiques ou conditions de signal dans les champs magnétiques constants et alternatifs.

Perméabilité absolue (μ)

La perméabilité réelle d'un matériau en henry par mètre (H/m) est appelée perméabilité absolue (μ). Il s'agit de la somme de toutes les capacités de conduction du flux magnétique de ce matériau. La perméabilité absolue contient l'effet de la structure atomique ainsi que les conditions de champ externe du matériau.

Il est utile pour la base de calcul, puis comparé à l'espace libre ou à des mesures relatives.

Perméabilité relative (μᵣ)

La perméabilité relative (μᵣ) est le rapport entre la perméabilité d'un matériau et la perméabilité de l'espace libre. C'est le rapport entre la quantité de champ magnétique qu'une substance peut supporter et celle que le vide peut supporter.

Par exemple, lorsque μᵣ est égal à 1000 pour le fer doux, cela signifie que le fer doux est capable de conduire le flux magnétique 1000 fois mieux que l'air.

Amplitude, maximale, initiale, progressive, réversible, complexe

Les différents types de perméabilité aident les scientifiques à comprendre le comportement des matériaux dans différentes conditions environnementales.

Perméabilité d'amplitude est la valeur qui apparaît lorsque le champ magnétique subit des variations sinusoïdales.

Perméabilité initiale - la perméabilité à des champs magnétiques très faibles.

Perméabilité maximale est la valeur la plus élevée mesurée avant que les matériaux ne soient saturés.

Perméabilité incrémentielle est la perméabilité à petit signal autour d'un point de polarisation spécifique.

Perméabilité réversible est le comportement des matériaux dans les cas où la direction des champs magnétiques s'inverse complètement.

Le perméabilité complexe est applicable aux champs alternatifs qui présentent des pertes de puissance et des déphasages.

Types de matériaux magnétiques

Les matériaux magnétiques sont classés par les scientifiques en fonction de leur réaction au champ magnétique. Les matériaux présentent une résistance variable au champ magnétique, certains matériaux étant très résistants, d'autres ayant une faible résistance et d'autres encore étant très attractifs. La compréhension de la perméabilité et de la susceptibilité est utilisée dans la sélection de matériaux appropriés pour leur travail magnétique et électronique, en fonction du comportement des matériaux.

Catégories de perméabilité magnétique

Les scientifiques classent les matériaux magnétiques en trois grandes catégories. Il s'agit par exemple de

Matériaux ferromagnétiques

Les matériaux ferromagnétiques présentent le plus haut degré de perméabilité car ils sont fortement attirés par un champ magnétique.

Les dipôles atomiques dans ces matériaux sont parallèles les uns aux autres et conduisent donc à une valeur de perméabilité très importante, des milliers de fois supérieure aux valeurs de l'espace libre.

Ces matériaux sont utilisés dans la construction de moteurs et de transformateurs et dans le développement de noyaux magnétiques, mais leurs caractéristiques de perméabilité diminuent avec l'augmentation de la température ou l'augmentation du champ magnétique. Les matériaux deviennent non magnétiques à des températures supérieures au point de Curie.

Matériaux paramagnétiques

Les matériaux paramagnétiques ont une faible susceptibilité positive et une perméabilité relative légèrement supérieure à un. L'aluminium, le platine et le magnésium en sont des exemples. Ces matériaux exercent une certaine attraction sur les aimants, mais cette attraction disparaît lorsque le champ magnétique est supprimé.

Ces matériaux ont une application dans le domaine de la recherche scientifique et peuvent fonctionner dans un environnement à faible champ magnétique.

Matériaux diamagnétiques

Les matériaux diamagnétiques, tels que le cuivre, l'or et le bismuth, sont repoussés par les champs magnétiques. Les moments magnétiques des électrons de ces matériaux provoquent un faible effet de répulsion lorsqu'ils résistent au champ magnétique externe.

Perméabilité complexe

Lorsque les champs magnétiques appliqués aux matériaux varient en fonction du temps, la perméabilité devient complexe dans le cas des courants alternatifs ou des fonctions micro-ondes. Le stockage ou la perte d'énergie sous un champ magnétique alternatif est donné par les deux composantes de la perméabilité complexe, qui englobent les composantes réelles et imaginaires.

μ′ et μ″ ; perte tangente tan δ = μ″/μ′

Perméabilité complexe, μ′ (mu prime) représente la partie réelle, indiquant la quantité d'énergie magnétique stockée, tandis que μ″ (mu double prime) représente la partie imaginaire, indiquant la quantité d'énergie perdue sous forme de chaleur.

Le tangente de perte (tan δ = μ″ / μ′) indique l'efficacité avec laquelle un matériau magnétique fonctionne à des fréquences alternées. Un tan δ plus faible signifie moins de pertes et de meilleures performances.

Ce concept est essentiel pour la conception de matériaux destinés aux transformateurs à haute fréquence, aux antennes et au blindage, où le stockage et la perte d'énergie sont importants.

Hystérésis magnétique

L'hystérésis magnétique désigne le décalage entre les variations de la puissance du champ magnétique et l'aimantation résultante d'un matériau. Elle montre que la perméabilité n'est pas régulière, mais qu'elle dépend des enregistrements magnétiques, de la façon dont le matériau se transforme en un matériau préalablement magnétisé ou démagnétisé au cours de cycles magnétiques répétés.

Changements de perméabilité avec la boucle B-H

 Dans la courbe B-H (boucle d'hystérésis magnétique), la perméabilité reste constante avec une augmentation et une diminution de l'aimantation. Tout d'abord, la perméabilité augmente violemment avec l'alignement des dipôles atomiques sur la sphère.

Une fois que le champ a atteint son point de saturation, une augmentation supplémentaire de l'intensité du champ n'entraîne qu'une magnétisation supplémentaire insignifiante. Au point d'inversion, l'inversion n'est pas totale et il se produit donc une perte d'hystérésis.

Cette boucle permet de déterminer l'efficacité des cycles de substances magnétiques pour stocker et libérer de l'énergie.

Saturation et matériaux de base

Lorsqu'un noyau magnétique est saturé, tous les domaines magnétiques se sont alignés et la perméabilité diminue fortement. À ce stade, le matériau n'est plus en mesure de retenir davantage de flux magnétique.

Les principaux matériaux utilisés comme noyau, tels que le silicium métallique, la ferrite et les alliages de fer, sont entièrement choisis en fonction de leur capacité à gérer efficacement la saturation.

Il est important de maintenir une perméabilité élevée, inférieure à la saturation, dans les transformateurs, les inducteurs et autres dispositifs électromagnétiques, afin de garantir que des aimants propres fonctionnent et que les pertes sont minimales.

Facteurs affectant la perméabilité

La perméabilité magnétique n'est pas fixe mais varie en fonction de la température, de la structure du matériau, des impuretés et de la puissance du champ magnétique. La connaissance de ces facteurs permet de créer des dispositifs magnétiques et électroniques.

Température, microstructure, impuretés

La température élevée perturbe l'alignement magnétique en raison des vibrations atomiques, ce qui réduit la perméabilité.

La microstructure (taille des grains et orientation des cristaux) peut également être déterminante ; des grains plus fins donnent souvent de meilleurs résultats.

La plupart des impuretés, telles que le carbone ou l'oxygène, interfèrent avec le mouvement des domaines ; c'est pourquoi les alliages magnétiques sont traités thermiquement et purifiés pour être équilibrés.

 Non-linéarité ; effets de saturation

Dans les champs magnétiques élevés, les domaines s'alignent, ce qui entraîne un comportement non linéaire de la perméabilité. Le matériau devient résistant à la perméabilité, puis sa valeur diminue rapidement. Les transformateurs sont conçus pour éviter la saturation, ce qui empêche la perte d'énergie et la dégradation du signal.

La perméabilité magnétique peut changer

La perméabilité magnétique des matériaux est sujette à des changements dans le temps en raison de l'application de contraintes et de divers cycles d'aimantation, ainsi que de la pression mécanique. L'alignement magnétique des domaines subit de légères variations, c'est pourquoi les matériaux magnétiques nécessitent un traitement spécial pour conserver leurs propriétés homogènes.

 Exemple de perméabilité magnétique dans l'acier doux

L'acier doux possède une perméabilité magnétique élevée, puisque sa perméabilité relative se situe entre 2000 et 5000, ce qui permet aux lignes magnétiques de traverser le matériau des milliers de fois par rapport à l'air. En raison de sa perméabilité élevée, ce matériau a été utilisé comme substitut idéal pour les noyaux de transformateurs et les électro-aimants.

Exemple de perméabilité magnétique dans le bois

Les valeurs de perméabilité relative du bois sont de l'ordre de 1, ce qui signifie qu'il n'attire ni ne repousse les champs magnétiques. Le matériau est considéré comme amagnétique d'après les expériences scientifiques qui n'interfèrent pas avec un champ magnétique.

Applications des matériaux à haute perméabilité

Le fonctionnement des systèmes électriques et électroniques repose également sur des matériaux à haute perméabilité magnétique. Ces matériaux minimisent le gaspillage d'énergie, améliorent les performances et stabilisent les circuits magnétiques dans les transformateurs, les moteurs et les dispositifs de blindage qui doivent fonctionner dans des conditions magnétiques lourdes ou variables.

Transformateurs et inducteurs

Les transformateurs et les inductances ont des noyaux à haute perméabilité construits en acier au silicium ou en ferrite, ce qui permet une transmission aisée du flux magnétique. Le système a un meilleur transfert d'énergie avec une faible perte de puissance et des fuites de champs magnétiques. Un choix approprié des matériaux du noyau permet d'assurer un travail stable et efficace dans les systèmes d'alimentation électrique et les circuits de transmission de signaux.

Stockage magnétique

Les disques durs et les bandes magnétiques sont des dispositifs de stockage magnétique qui stockent des données numériques à l'aide de matériaux dont la perméabilité est fortement régulée. L'information binaire est représentée par l'orientation magnétique de petites régions. Le matériau facilite l'écriture et la lecture des données, tout en augmentant l'espace de stockage.

Blindage électromagnétique

Le blindage électromagnétique est réalisé à l'aide de matériaux à haute perméabilité comme le mu-métal. Les lignes de champ magnétique sont absorbées et redirigées par ces matériaux, ce qui permet d'éviter les interférences avec les appareils électroniques sensibles. Ce matériau protège les équipements médicaux, les systèmes de communication et les équipements de laboratoire contre les interférences électromagnétiques.

Champs magnétiques étrangers

Les matériaux à haute perméabilité fonctionnent comme des barrières de protection qui redirigent les champs magnétiques vers des zones sûres lorsque des champs magnétiques puissants ou incontrôlés existent. Ces matériaux protègent les installations d'IRM, les opérations aérospatiales et les équipements scientifiques de précision contre les interférences, tout en garantissant la précision et la sécurité des opérations.

Conclusion

La perméabilité magnétique est l'une des principales propriétés qui décrivent le comportement des matériaux en présence d'un champ magnétique. Elle fait le lien entre les interactions au niveau de l'atome et les performances magnétiques à grand signal, ce qui permet de comprendre les différents types de matériaux dans le contexte des champs magnétiques. En d'autres termes, certains matériaux renforcent le champ magnétique, tandis que d'autres l'affaiblissent. L'étude de la perméabilité est très utile pour comprendre le comportement des domaines magnétiques et leur rôle dans la détermination de l'efficacité des dispositifs magnétiques.

La capacité à contrôler la perméabilité est l'un des facteurs les plus importants pour la création de systèmes fiables et économes en énergie dans la technologie moderne. En sachant comment la température, les impuretés et la saturation affectent la perméabilité, les ingénieurs peuvent concevoir des composants magnétiques qui sont non seulement plus intelligents, mais aussi plus stables pour les applications du monde réel.

FAQ

Une perméabilité magnétique élevée est-elle une bonne chose ?

Les valeurs élevées de perméabilité magnétique ont des effets positifs dans la plupart des situations. Le matériau permet une meilleure transmission du flux magnétique, ce qui améliore l'efficacité opérationnelle des transformateurs, des moteurs et des inducteurs.