MAGNÉTOSTRICTION

MAGNÉTOSTRICTION

Les effets de la magnétostriction, légère déformation qui, dans un cristal ferromagnétique, accompagne une variation de l’aimantation, présentent une forte analogie avec ceux de l’électrostriction ou de la piézo-électricité.

Les déformations statiques de très faible valeur qu’elle crée sont amplifiées à l’aide de phénomènes de résonance mécanique existant au sein même du matériau magnétostrictif. Les applications de la magnétostriction constituent l’un des outils fondamentaux de la technique de production ou de détection des ultrasons. On traitera ici quelques exemples caractéristiques, renvoyant, pour l’exposé théorique, à l’article MAGNÉTISME.

Oscillateur magnétostrictif

Pour étudier les effets dynamiques de la magnétostriction, considérons, de manière très schématique, le cas d’un barreau allongé (fig. 1). Un enroulement AA , parcouru par un courant continu, détermine l’état magnétique moyen du matériau, correspondant à un point (H⁰,B⁰) du cycle d’hystérésis.

L’effet magnétostrictif de Joule s’exprime par la relation:

si est la tension mécanique axiale, B l’induction magnétique; est la constante de magnétostriction , quantité qui varie comme B² dans la zone utile.

La loi de Hooke de l’élasticité relie la tension à la dilatation 﨎 par l’intermédiaire du module d’Young Y, soit:

D’autre part, la perméabilité différentielle 猪, l’induction B et le champ magnétique H sont liés par la relation d’induction:

Enfin, l’effet magnétostrictif de Villari relie l’induction à la dilatation:

En considérant les variations de ces grandeurs autour de leurs valeurs moyennes (symbole ), on obtient, à partir des relations précédentes:

et, en éliminant B:

où k =4 神猪/Y est le «coefficient de couplage électromécanique». Puisque k = = 0 lorsque B⁰ = 0, l’effet de la magnétostriction est donc de réduire le module d’élasticité du matériau. Pour obtenir l’équation d’état du système, il convient d’écrire que les forces subies par un élément de longueur dx du barreau s’équilibrent. Ces forces sont:

a ) la contrainte élastique:

b ) la force d’inertie:

où 福 est la densité et 﨡 le déplacement,

c ) une force de dissipation proportionnelle à la vitesse:

La dilatation étant la dérivée du déplacement:

la relation (1), introduite dans la condition d’équilibre, conduit à:

On reconnaît l’équation de propagation d’une onde avec la célérité c = Y(1 漣 k ²)/ 福 dans une ligne d’impédance acoustique Z = 福Y(1 漣 k ²). Si, par exemple, le barreau de longueur l a une extrémité encastrée et l’autre libre, son mode fondamental correspond à une fréquence de résonance 益⁰ = c /4 l .

Tel est l’oscillateur magnétostrictif dû à G. W. Pierce (1928) et dont dérivent les transducteurs. Il est par essence un système réversible. À l’émission, d’une part, un courant alternatif est envoyé dans l’enroulement BB ; il donne lieu, par effet Joule, à une onde de tension stationnaire dans le barreau, laquelle émet une onde acoustique dans le milieu couplé à ce dernier. À la réception, une onde élastique perçue par le barreau provoque par effet Villari une variation d’induction magnétique: une force électromotrice apparaît entre les bornes BB .

Transducteurs à magnétostriction

L’eau constitue le milieu acoustique préférentiel à cause de l’excellente adaptation d’impédances qu’elle procure. C’est la raison pour laquelle les transducteurs à magnétostriction ont connu un essor considérable dans la technique des sondeurs à ultrasons et des sonars, depuis leur introduction par R. W. Wood, Smith et McGeachy (1935). À l’émission, on constitue des «projecteurs» en formant une mosaïque d’éléments magnétostrictifs, de façon à réaliser la directivité voulue. Pour des raisons de rendement, ces éléments travaillent toujours au voisinage de leur fréquence de résonance et, le plus souvent, dans le mode longitudinal considéré précédemment. Pour augmenter le couplage électromécanique, on construit un circuit magnétique fermé (fig. 2) par un empilage de feuilles minces recouvertes d’une couche isolante de façon à minimaliser les courants de Foucault. Le matériau utilisé fut longtemps du nickel pur ( = 20 000, 猪 = 41, k = 0,31 pour B⁰ = 5 000 Gs) en raison de son excellente tenue à la corrosion; il est remplacé maintenant par des céramiques piézoélectriques. Le courant continu de l’enroulement de polarisation est réglé pour obtenir un coefficient k maximal. Le domaine d’emploi s’étage de 15 à 60 kHz.

À la réception, on emploi des hydrophones, travaillant à la résonance lorsqu’on recherche une grande sensibilité, au prix d’une sélectivité notable; au contraire, pour des capteurs à large bande, on se place très en deçà de la résonance. Le type d’hydrophone le plus utilisé est de forme cylindrique avec bobinage longitudinal (fig. 3). Le mode élastique est alors radial et, pour un diamètre D, correspond à une fréquence fondamentale de résonance 益⁰ = c 神/D. La réception portant sur des signaux faibles, l’emploi d’un courant de polarisation ou d’un aimant permanent est inutile: il suffit d’utiliser l’induction rémanente provoquée une fois pour toutes par une impulsion de courant. Comme matériaux, on fait de plus en plus appel aux ferrites, dont la supériorité vis-à-vis des courants de Foucault est manifeste.

Par comparaison avec les transducteurs piézo-électriques de même dimension, les éléments magnétiques offrent l’avantage d’une très grande robustesse, d’une capacité de puissance supérieure et d’un rendement électromécanique nettement meilleur; ils ont, en revanche, pour certains emplois en télécommunications, l’inconvénient d’une sélectivité très grande, qui limite la gamme des signaux transmissibles.

Lignes à retard magnétostrictives

Les lignes à retard acoustiques excitées par magnétostriction ont pris une place de choix dans les techniques du traitement du signal et de l’informatique: elles sont utilisées comme organes de mémoire circulante des ordinateurs ou pour réaliser des traitements par compression de temps, en particulier dans les radars.

Essentiellement, on excite par magnétostriction un mode élastique se propageant dans un fil métallique sous la forme d’un train d’impulsions, recueillies à l’autre extrémité par un capteur. Le retard est alors représenté par le temps de propagation dans le fil. On trouve ainsi la possibilité très intéressante d’obtenir un retard réglable de façon continue, en donnant au capteur une position variable le long de la ligne. Les premières réalisations, datant de 1948, faisaient appel à un mode longitudinal dans la ligne. Après les travaux de G. Scarrot et de R. Naylor, on préfère utiliser un mode de torsion dont les avantages sont nombreux: absence de dispersion (la vitesse de propagation est indépendante de la fréquence), propagation possible en deçà d’une fréquence critique, ligne environ moitié moins longue pour un même retard.

Dans ces appareils, le matériau de la ligne est choisi pour ses propriétés acoustiques: vitesse de propagation, coefficient de température, atténuation (alliage de fer-nickel). En revanche, les propriétés magnétostrictives interviennent dans la construction des transducteurs. Ceux-ci sont faits (fig. 4) de la manière suivante: deux bobines d’excitation sont enroulées autour de rubans magnétostrictifs parallèles et engendrent des ondes longitudinales en opposition de phase. Les rubans sont soudés sur la ligne le long de génératrices diamétralement opposées. Il y a ainsi, à l’émission, transformation du mode longitudinal en une onde progressive de torsion, et réciproquement à la réception. Le choix du matériau des rubans résulte d’un compromis entre coefficient de couplage électromécanique (nickel) et coefficient de température (invar). Ces rubans sont aussi minces que possible (face=F0019 麗 0,1 mm) afin d’éviter toute dispersion; leur largeur est également très faible (0,3 mm) de façon à minimaliser la durée de l’impulsion émise dans la ligne. Le débit d’information dépend beaucoup de la longueur de la ligne: pour les lignes les plus longues, le retard atteint 10 ms et le débit 4 . 10⁵ impulsions par seconde, soit une capacité de mémoire de 4 000 bits; pour les plus courtes, le retard est de 200 猪s, le débit est de 1,5 . 10⁶ et la capacité de 300 bits.

magnétostriction [ maɲetostriksjɔ̃ ] n. f.

• 1900; de magnéto- et striction

♦ Phys. Déformation d'un corps ferromagnétique lorsqu'il est aimanté.

● magnétostriction nom féminin Déformation mécanique d'un matériau ferromagnétique qui accompagne son aimantation. (La magnétostriction est employée pour la production d'ondes ultrasonores par application d'un champ magnétique alternatif à un barreau de ferrite ou de nickel.)

magnétostriction [maɲetostʀiksjɔ̃] n. f.

ÉTYM. 1900, A. Nagadka, Congrès international de physique; de magnéto-, et striction.

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♦ Didact. (phys.). Déformation d'un corps ferromagnétique lorsqu'il est aimanté.

REM. On trouve les deux formes magnéto-striction et magnétostriction. || « Des phénomènes dits de magnéto-striction » (Rev. gén. des sc., 1903, 2, p. 92.).

0 (…) la présence d'oscillateurs dans la salle où l'on pratique une expérience d'audiométrie est souvent gênante; si ces oscillateurs utilisent des transformateurs à circuit magnétique en fer, la magnétostriction des feuilles de tôle crée une vibration qui émet un son gênant (…)

Gilbert Simondon, Du mode d'existence des objets techniques, p. 64.

Encyclopédie Universelle. 2012.