ÉLECTRO-AIMANTS

ÉLECTRO-AIMANTS

Les électro-aimants sont des appareils destinés à produire un champ magnétique à partir d’une source d’énergie électrique. Ils comprennent des bobinages d’excitation parcourus par un courant électrique et peuvent comporter un circuit magnétique destiné à renforcer la valeur de l’induction ou à imposer une carte de champ particulière. Leur technologie a accompli des progrès spectaculaires dans la seconde moitié du XX^e siècle. Cela est essentiellement dû à l’utilisation de matériaux hyperconducteurs ou supraconducteurs pour réaliser les bobinages, au développement des accélérateurs de particules ou des chambres à «traces», et aux recherches dans le domaine de la physique en champ magnétique intense.

1. Principe physique

Le principe fondamental de l’électro-aimant repose sur la propriété, découverte en 1820 par Hans Christian Œrsted puis par François Arago, que possède tout système de courants électriques de créer un champ magnétique qui lui est associé, en vertu de la loi d’Ampère (cf. ÉLECTRICITÉ – Électromagnétisme).

Un exemple simple d’électro-aimant est représenté sur la figure 1: sur un tore à section circulaire, dont la longueur de la ligne moyenne est L, est enroulé un bobinage de N spires régulièrement réparties, connectées en série, de façon qu’elles soient parcourues par le même courant I. Le tore est constitué d’un matériau ferromagnétique et est muni d’une fente de largeur l (petite devant L) perpendiculaire à la ligne moyenne. Cette fente est appelée entrefer.

Au vecteur champ magnétique で (appelé aussi excitation magnétique) créé par le système de courants circulant dans le bobinage est associé un vecteur induction magnétique ち. Dans le vide, les deux vecteurs sont liés par la relation:

où 猪⁰ est la perméabilité magnétique du vide et a pour valeur dans le système international d’unités 4 神 . 10^-7 henry par mètre (1,257 . 10^-6 H . m^-1). Dans un milieu ferromagnétique, la relation entre le champ et l’induction magnétiques peut, dans certains cas, être réduite à l’expression simple:

où le coefficient 猪^r, appelé perméabilité relative, peut atteindre des valeurs de plusieurs milliers pour certains matériaux.

Les lois générales de l’électromagnétisme permettent de calculer le module B du vecteur induction magnétique dans l’entrefer. En particulier, si 猪^r est suffisamment grand devant l’unité et l assez petit devant L, on trouve pratiquement, dans l’entrefer:

Si le tore était constitué d’un matériau ayant la perméabilité du vide, la valeur du module B de l’induction, mesurée sur la ligne moyenne, serait:

La comparaison des expressions (3) et (4) montre que, pour un courant donné, l’utilisation d’un circuit magnétique permet d’accroître la valeur du champ magnétique dans une région déterminée (ici, l’entrefer).

C’est en 1825 que fut réalisé par William Sturgeon le premier électro-aimant comportant un circuit magnétique; celui-ci, en forme de fer à cheval, était aimanté par un enroulement de cuivre.

2. Les éléments et les matériaux

Le circuit magnétique

Le circuit magnétique comprend de façon très générale une culasse et des noyaux destinés à canaliser les lignes de force du champ. Aux extrémités du circuit magnétique, de part et d’autre de l’entrefer, se trouvent les pièces polaires. Elles ont pour but soit de conférer au champ une certaine morphologie dans le volume utile de l’entrefer, soit de renforcer son intensité ou son homogénéité.

La conception de ces éléments et les matériaux employés pour les réaliser varient suivant que le flux magnétique qui traverse le circuit est constant ou variable en fonction du temps. En effet, lorsqu’un élément de circuit magnétique est traversé par un flux variable, des pertes de puissance y apparaissent. De façon à diminuer l’importance des pertes par courants de Foucault (ou courants induits), les circuits magnétiques sont soit feuilletés, soit réalisés avec des grains métalliques très fins agglomérés à l’aide de résines synthétiques. Afin de réduire les pertes par hystérésis, on emploie des matériaux dont la surface du cycle d’hystérésis est le plus faible possible ^{[cf. MAGNÉTISME]}. Lorsque le flux magnétique traversant le matériau est continu, il n’y a pas d’inconvénient à utiliser des pièces massives.

Les matériaux ferromagnétiques

Le fer de haute pureté est un excellent matériau magnétique (des perméabilités relatives 猪^r de 250 000 ont été obtenues avec des échantillons polycristallins recuits). Le taux de pureté commercial de ce matériau le rend très intéressant dans de nombreuses applications. L’acier (coulé ou forgé) est employé lorsque le circuit magnétique doit être soumis à des efforts mécaniques importants. L’acier forgé peut être préféré à l’acier coulé pour réaliser des pièces de grande résistance mécanique, comme les rotors des turbo-alternateurs par exemple.

Les alliages fer-nickel présentent des propriétés variables en fonction de leur composition, telles que: perméabilité élevée dans les champs faibles et induction de saturation élevée, ou perméabilité moyenne et grande résistivité électrique (pertes par courants de Foucault plus faibles).

Enfin, les alliages fer-cobalt avec addition de chrome ou de vanadium pour améliorer leurs qualités mécaniques sont très employés du fait de leur induction de saturation élevée (2,4 Wb . m^-2 contre 2,16 pour le fer pur et 1,98 pour la tôle au silicium).

Les tôles utilisées pour la réalisation des circuits feuilletés fonctionnant en courant alternatif comportent toutes une adjonction de silicium dont la teneur varie de 0,6 à 4 p. 100 environ. Les tôles à cristaux orientés présentent par rapport à ces dernières des dissipations encore plus faibles (1,2 W . kg^-1 au lieu de 2,2 dans une induction alternative sinusoïdale à 50 Hz de valeur maximale 1,7 Wb . m^-2, pour une tôle de 0,35 mm d’épaisseur).

Les bobinages

Les matériaux avec lesquels sont réalisés les bobinages d’excitation sont choisis en fonction de la densité de courant qui y circule et des conditions de refroidissement. La comparaison des expressions (3) et (4) montre que pour obtenir la même valeur de l’induction magnétique avec et sans circuit magnétique, il faut faire circuler dans le bobinage des courants dont le rapport est:

Les matériaux les plus utilisés pour réaliser les bobinages d’électro-aimants comportant un circuit magnétique sont le cuivre et l’aluminium. Suivant le mode de refroidissement (convection naturelle ou circulation forcée d’air, d’eau ou d’huile), les densités de courant atteintes varient entre 5 et 50 ampères par millimètre carré environ.

Les matériaux utilisés dans les électro-aimants sans circuit magnétique doivent supporter de grandes densités de courant. Dans les bobines de Bitter, en cuivre refroidi par une intense circulation d’eau, on atteint 500 ampères par millimètre carré.

Les corps supraconducteurs possèdent la propriété d’avoir une résistivité nulle au-dessous d’une certaine température, dite critique, qui était de 125 kelvins (soit 漣 145 ⁰C environ) au début des années quatre-vingt-dix. Certains de ces matériaux (supraconducteurs de seconde espèce impurs, découverts et utilisés pour les électro-aimants par Kunzler en 1961) peuvent transporter des densités de courant de l’ordre de 1 000 ampères par millimètre carré dans des champs d’induction de 5 teslas. Il existe un champ magnétique critique au-dessus duquel ces corps passent de l’état supraconducteur à l’état normal (résistivité élevée). La technologie actuelle des électro-aimants emploie les supraconducteurs enrobés d’un stabilisant (cuivre ou aluminium de haute pureté). Chaque alliage est utilisé dans une plage d’induction magnétique précise. Citons parmi les plus utilisés: les alliages de niobium-zirconium entre 2 et 5 teslas, de niobium-titane entre 5 et 9 teslas, le niobium-étain (composé intermétallique de formule Nb³Sⁿ ) pouvant être utilisé jusqu’à 20 teslas.

Les électro-aimants supraconducteurs, fonctionnant à très basse température, nécessitent la réalisation d’enceintes cryogéniques (cryostats). Le fluide cryogénique le plus utilisé actuellement est l’hélium liquide, dont la température d’ébullition est 4,2 kelvins (face=F0019 漣 269 ⁰C environ).

3. Les applications des électro-aimants

Dans leurs différentes utilisations, le fonctionnement des électro-aimants peut être associé soit à un travail mécanique, soit à la création d’un champ magnétique de morphologie bien définie ou à celle de champs magnétiques intenses. Les considérations du chapitre précédent ont permis de préciser la constitution des électro-aimants appartenant aux deux classes définies (électro-aimants avec et sans circuit magnétique). Pour une application donnée, le choix de telle ou telle classe d’électro-aimant se fait selon des critères techniques (valeur du champ magnétique recherchée, morphologie de ce champ, poids de l’installation) ou économiques. On trouve, en fait, des électro-aimants avec ou sans circuit magnétique dans les différents types d’utilisation.

Électro-aimants associés à un travail mécanique

Ils utilisent les forces qui s’exercent sur les matériaux ferromagnétiques soumis à un champ magnétique non uniforme ou bien sur les conducteurs électriques transportant un courant et soumis à un champ magnétique (loi de Laplace, cf. ÉLECTRICITÉ - Électromagnétisme).

Les machines électriques tournantes (dynamos, alternateurs, etc.) sont constituées en général d’une combinaison d’électro-aimants, en mouvement relatif les uns par rapport aux autres. Leur technologie et leur fonctionnement particuliers sortent du cadre de cet article ^{[cf. MOTEURS ÉLECTRIQUES]}.

Les appareils de levage, utilisés pour la manutention de matériaux ferromagnétiques, sont une des applications industrielles les plus anciennes des électro-aimants. Ces dispositifs sont constitués essentiellement d’un enroulement conducteur d’excitation, aimantant un circuit magnétique qui, en l’absence de charge, est ouvert (les lignes de flux magnétique se referment dans l’air). En présence d’une charge ferromagnétique, le flux se referme dans cette charge. Il existe alors une force de portage dont la valeur (par unité de surface de contact entre l’électro-aimant et la charge) est B²/2 猪⁰, où B est le module de l’induction magnétique au contact et 猪⁰ la perméabilité magnétique du vide.

Les relais électromagnétiques sont des dispositifs dont la mise en action demande une puissance électrique faible, mais qui peuvent fermer ou ouvrir un circuit électrique transportant un courant élevé, et par là-même commander une puissance beaucoup plus élevée que la puissance d’excitation. Ils sont constitués d’un circuit magnétique en matériau doux, muni d’une ou de plusieurs bobines recevant la puissance d’excitation, et comportant une partie mobile reliée mécaniquement au système interrupteur du courant principal (fig. 2).

De nombreux autres dispositifs semblables existent, dans lesquels les électro-aimants sont une partie de l’organe moteur qui transforme en travail mécanique l’énergie reçue sous forme électrique.

Électro-aimants créant un champ magnétique de morphologie déterminée

À cette classe se rattachent certains électro-aimants de laboratoire et les systèmes d’électro-aimants des accélérateurs de particules.

La figure 3 représente le schéma de principe d’un électro-aimant de laboratoire classique, à circuit magnétique. Les pièces polaires sont constituées d’un matériau ferromagnétique de haute qualité. Les enroulements conducteurs sont placés le plus près possible de l’entrefer pour diminuer le flux de fuites (c’est-à-dire la fraction du flux magnétique qui traverse le bobinage mais se referme en dehors de l’entrefer). La largeur de l’entrefer est souvent réglable et les pièces polaires sont interchangeables, ce qui permet d’obtenir des champs magnétiques de géométries différentes. Les inductions créées dans l’entrefer de ces appareils dépassent rarement 2,5 teslas. Pour des valeurs supérieures, on utilise couramment les électro-aimants supraconducteurs.

Des champs de haute homogénéité sont indispensables pour plusieurs expériences de physique. En particulier, la résonance magnétique nucléaire nécessite une homogénéité inférieure à 10^-5 dans le volume de l’échantillon. L’homogénéité se définit dans un certain volume comme le rapport H/H de la différence maximale des modules du champ observée dans le volume donné à la valeur maximale du champ dans ce volume. Cette caractéristique peut être obtenue au moyen d’électro-aimants classiques ou supraconducteurs. Les électro-aimants classiques à haute homogénéité comportent des pôles de fer pur très homogène; la planitude et le parallélisme des faces sont particulièrement soignés et l’homogénéité est ajustée au moyen de systèmes correcteurs (par exemple des pièces magnétiques annulaires placées autour du volume utile). Ces différentes précautions permettent d’atteindre dans certains cas des homogénéités voisines de 10^-6 dans un volume de 1 centimètre cube. Les enroulements des électro-aimants supraconducteurs de haute homogénéité ont la forme d’un cylindre, la zone utile étant au centre de l’enroulement. Le champ magnétique serait parfaitement homogène si l’enroulement cylindrique était régulièrement réparti et infiniment long. La longueur du cylindre étant finie, il existe des «effets d’extrémité», qui sont compensés au moyen d’enroulements supplémentaires disposés judicieusement (fig. 4).

Le développement des grands électro-aimants a été considérablement hâté par celui des accélérateurs de particules. Ceux-ci, en effet, nécessitent des champs magnétiques d’une morphologie précise et souvent complexe. Les deux types principaux d’électro-aimants employés sont les électro-aimants de courbure et les électro-aimants de focalisation. En particulier, les aimants quadrupolaires créent un champ magnétique dont le gradient le long d’un rayon vecteur à partir de l’axe est constant dans le volume intérieur aux bobinages, le champ magnétique étant constant en module et en direction sur une droite parallèle à l’axe de l’aimant. Ils sont généralement réalisés avec des enroulements conducteurs classiques et des pôles magnétiques dont les faces ont la forme de cylindres hyperboliques (fig. 5). La détermination précise de ces électro-aimants et de leurs systèmes correcteurs nécessite l’emploi de méthodes de calcul perfectionnées (méthodes de calcul par éléments finis, par exemple). L’utilisation d’enroulements supraconducteurs pour la réalisation des quadrupôles correspond à une technologie bien maîtrisée.

Des tentatives faites pour mettre au point des générateurs magnéto-hydrodynamiques avaient conduit à réaliser des électro-aimants de forme particulière (en «selle de cheval»). Un très gros électro-aimant supraconducteur de ce type, réalisé en 1966 aux États-Unis (à l’Avco Everett Research Laboratory), produit un champ magnétique perpendiculaire à l’axe de 2,96 . 10⁶ ampères par mètre. L’énergie magnétique emmagasinée dans l’électro-aimant atteint 3,9 . 10⁶ joules. De très nombreuses études ont été réalisées dans le domaine des machines électriques tournantes supraconductrices. C’est ainsi que, par exemple, Alsthom-Atlantique a réalisé et testé avec succès, en 1981, un rotor de turbo-alternateur comprenant un inducteur bipolaire en supraconducteur niobium-titane.

Champs magnétiques très intenses

Les champs magnétiques les plus intenses furent d’abord obtenus en adaptant des pièces polaires tronconiques sur des électro-aimants comportant un circuit magnétique (Henri Du Bois, vers 1890). Aujourd’hui, on utilise presque uniquement des systèmes sans circuit magnétique. Les solutions employées sont différentes suivant qu’il s’agit de champs permanents ou de champs pulsés, c’est-à-dire établis pendant un temps très court.

Les électro-aimants à champ permanent intense (supérieur à 2 400 000 A . m^-1) peuvent être supraconducteurs. (Rappelons que, dans l’air, il suffit de multiplier les A . m^-1 par 4 神 . 10^-7 pour obtenir l’induction magnétique correspondante en teslas.) La limite atteinte par ce procédé est de l’ordre de 12 . 10⁶ ampères par mètre. Ces appareils trouvent de nombreuses applications en physique, en particulier dans le domaine des chambres à bulles (tableau). Les câbles supraconducteurs utilisés pour réaliser des bobinages sont constitués de milliers de brins supraconducteurs de très faible diamètre (de l’ordre d’une dizaine de micromètres) dans une matrice en cuivre ou en cupro-nickel. Les câbles élémentaires ainsi constitués sont torsadés entre eux. On arrive à disposer de conducteurs très stables, bien protégés contre les transitions résistives (passage accidentel de l’état supraconducteur à l’état normal). D’autres études mettant en œuvre des filaments de 0,5 猪m de diamètre permettent même d’espérer un fonctionnement «satisfaisant» d’un câble supraconducteur à une fréquence aussi élevée que 50 Hz. La figure 6 présente la section droite d’un tel câble.

Des champs magnétiques permanents plus intenses (jusqu’à 24 . 10⁶ ou 36 . 10⁶ A . m^-1)

sont obtenus au moyen de bobines de cuivre transportant de très grandes densités de courant; les dissipations thermiques qui apparaissent alors nécessitent un refroidissement très efficace (par circulation d’eau). Henri Deslandres et Alfred Pérot réalisèrent le premier électro-aimant de ce type en 1914. Puis Bitter mit au point en 1935 un type de bobine de configuration spéciale, généralement adopté actuellement (fig. 7). L’inconvénient majeur de ces systèmes résulte de la grande puissance qu’ils nécessitent pour leur alimentation et que le fluide réfrigérant doit évacuer.

Des champs magnétiques plus intenses ne sont obtenus qu’au moyen d’enroulements fonctionnant en régime pulsé: on décharge, par exemple, en un temps très court, des batteries de condensateurs dans une bobine de constitution spéciale (méthode de Kapitza). La limite atteinte par ce procédé est de 2 . 10⁸ ampères par mètre pendant un temps de l’ordre de 1 microseconde. Les efforts électromagnétiques qui prennent naissance dans ces expériences sont tels qu’ils peuvent conduire à la destruction de la bobine.

La technique des champs implosés permet d’atteindre les valeurs de champ magnétique les plus élevées qui aient été observées: un cylindre de métal conducteur, placé dans un champ magnétique parallèle à son axe, est entouré d’une charge d’explosif chimique; lors de la mise à feu, le cylindre et le flux magnétique qu’il contient sont brutalement comprimés, donnant naissance à une impulsion de champ magnétique qui a pu atteindre dans certaines expériences 2 . 10⁹ ampères par mètre. Les essais sont évidemment destructifs, et l’on peut se demander si un tel dispositif peut encore être classé parmi les électro-aimants.

Encyclopédie Universelle. 2012.