Soutenance mémoire
L’histoire du champ magnétique
La première découverte du magnétisme dans le monde ancien était observée dans les magnétites. Quand les gens ont remarqué que ces espèces minérales, morceaux naturellement aimantés, pourraient attirer du fer. Le mot « magnet » (aimant en français) vient du terme Grec « magnítis líthos» qui veut dire une pierre de la région de Magnésie. En Grèce ancienne, Aristote a conduit la première discussion scientifique sur le magnétisme avec le philosophe THALES de Miletus vers 625 avant Jésus-Christ [2].
Autour de la même ère, en Inde ancienne, le chirurgien indien SUSHRUTA était le premier utilisateur de l’aimant à des fins chirurgicaux [3]. En Chine ancienne, la référence littéraire ayant trait au magnétisme se trouve dans un livre du IV ème siècle avant JésusChrist nommé « Le Maître de la Vallée du Démon » [4]. Lüshi Chunqiu, dans l’annale du second siècle avant Jésus-Christ, a noté aussi que « Le magnétite fait venir le fer ou il l’attire » [5]. L’observation de l’attraction d’une aiguille est constatée dans le travail de Lunheng au cours du premier siècle : « Un magnétite attire une aiguille » [6]. Le scientifique Chinois Shen Kuo du XIème siècle était la première personne qui, dans son livre intitulé les « Essais de la Piscine du Rêve », évoquait la boussole de l’aiguille aimanté. Il a amélioré l’exactitude de navigation en employant le concept astronomique du vrai nord. A partir du XIIème siècle, les Chinois étaient connus pour utiliser la boussole magnétite de la navigation. Ils ont sculpté une cuillère directionnelle de magnétite suspendue à l’aide d’un fil de coton, placée à l’avant de leur coque. Pendant la croisière, la manche de la cuillère a toujours pointé vers le sud.
En Europe, Alexander Neckam, en 1187, était la première personne à décrire la boussole et utilisation dans la navigation maritime. En 1269, Peter Peregrinus de Maricourt a écrit l’« Epistola de magnete », le premier livre existant qui décrit les propriétés de l’aimant. En 1282, les propriétés de l’aimant et de la boussole ont été discutées par Al-Ashraf, un physicien, astronome et géographe Yemenite [7]. En 1600, William Gilbert a publié son « De Magnete, Magneticisque Corporibus », et de « Magno Magnete Tellure » (Sur l’aimant et les Corps Magnétiques, et sur le Grand Aimant de la Terre).
Une compréhension du rapport entre l’électricité et le magnétisme a commencé en 1819 par le travail de Hans Christian, professeur à l’Université de Copenhague, qui a découvert accidentellement un champ magnétique en plaçant l’aiguille d’une boussole à côté d’un fil parcouru par un courant électrique. Plusieurs autres expériences ont suivi. En 1820, André Marie Ampère a découvert que le champ magnétique circulant le long d’un contour fermé a un rapport avec le courant qui circule à travers la surface limitée par ce contour.
Carl Friedrich Gauss, Jean-Baptiste Biot et Félix Savart en 1820 ont établi la loi régissant la valeur du champ magnétique produit en un point de l’espace par un courant électrique en fonction de la distance de ce point au conducteur, c’est la loi de Biot et Savart. En 1931, Michael Faraday a montré que la variation temporelle du flux du champ magnétique à travers une boucle de fil induit un voltage. James Clerk Maxwell a expliqué dans ses équations, dites équations de Maxwell, les liens entre l’électricité, le magnétisme et l’optique à travers le champ électromagnétique.
Le Champ magnétique artificiel
Les champs magnétiques artificiels produits par l’homme recouvrent quatre domaines :
– domestique : lignes électriques des habitations, téléphones, télévisions, microondes, réseaux Wifi, plaques de cuisson à induction, alarmes, appareils électroménagers…
– environnemental : radars, lignes à haute tension, relais de téléphonie mobile, relais de radio-télédiffusion,…
– médical : appareils à Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) ou Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), radiologie …
– industriel : bacs d’électrolyse, fours à induction et chauffage, fours électriques, installations de soudure électrique, …
Leurs origines
L’aimant est une matière ou objet qui produit un champ magnétique. Ce champ magnétique, invisible, est responsable de la sensibilité de la plupart des propriétés de l’aimant. Un aimant attire tous les éléments ferromagnétiques. Le fer, le nickel, le cobalt et les alliages métalliques de terre rare sont naturellement aimantés. Les magnétites appartiennent également au groupe des éléments ferromagnétiques. Les aimants permanents sont fabriqués à partir d’alliage de fer, de nickel (10 à 25%), d’aluminium (8 à 12%), en général additionné de cobalt, de titane, et de cuivre. Les ferrites sont soumis à des traitements spéciaux dans un fort champ magnétique pendant sa fabrication pour aligner leur structure microcristalline interne en les faisant un fort aimant. Un aimant est considéré comme un dipôle magnétique dont le moment est confondu à l’axe du barreau aimanté. L’aimant produit son propre champ magnétique, d’intensité proportionnelle à l’intensité du moment magnétique. Quand un aimant est placé dans un champ magnétique externe d’origines diverses, il est soumis à un mouvement de rotation pour paralléliser son moment ver une direction d’équilibre.
Un fil rectiligne traversé par un courant électrique produit des champs magnétiques circulaires. Ce fil est le centre de symétrie des champs apparus.
Les applications et leurs conséquences
Dans l’industrie, les applications du champ magnétique sont nombreuses. Elles ont été classées en six familles par l’Institut National de Recherche Scientifique Français (INRS):
– le champ statique : il concerne les équipements fonctionnant avec un courant électrique continu (0 Hz). Ce champ statique est présent dans des cuves d’électrolyse utilisées pour le revêtement. Il apparaît également dans des appareils à RMN ou IRM dans les laboratoires de recherche ou les hôpitaux.
– le champ de fréquence extrêmement basse (ELF – 50Hz) est observé dans les installations et appareils alimentés par les courants de la JIRAMA,SM3E, Henry Fraise (50Hz). Il facilite la production, le transport et la distribution d’électricité (lignes à haute tension, transformateurs, sous-stations électriques).
– le champ de moyennes fréquences (50Hz – 3 MHz) regroupe toutes les machines utilisant des procédés d’électrothermie par induction. On les rencontre dans la sidérurgie et la métallurgie (fusion dans des fours à creuset, traitement thermique et chauffage pour estampage…), dans l’industrie électronique (fours à induction…),
– le champ de Hautes Fréquences ou radiofréquences regroupe les machines utilisant l’électrothermie par effet diélectrique, avec des fréquences allant de 3 MHz à 3 GHz. Un exemple d’illustration est celui des lecteurs optiques…
– dans la gamme du champ d’hyper-fréquence ou micro-onde, le chauffage par micro-ondes s’obtient par l’émission d’un champ électromagnétique d’une fréquence de 2,45 GHz. Les fours industriels à micro-ondes sont utilisés dans la plupart des industries. Les secteurs concernés sont : agroalimentaire et industrie du caoutchouc (vulcanisation), dépose de films organiques sur les métaux, spectrométrie…
– Champs de Télécommunications. Tous les moyens de télécommunication sont concernés par cette famille : émissions de radiodiffusion, de télédiffusion, téléphonie mobile, radiobalisage, télémesure, transmissions satellitaires, radars civils ou militaires…
En 1998, la Commission Internationale pour la Protection contre les Rayonnements Non Ionisants (ICNIRP) a publié des recommandations, applicables à toute la population, pour limiter l’exposition aux champs électromagnétiques de 0 à 300 GHz. Dans une recommandation éditée en 1999, le Conseil européen a retenu l’ensemble des valeurs préconisées par l’ICNIRP, également pour toute la population. Elle donne des niveaux de référence mesurables dans les zones où l’exposition est significative. Par exemple à 50 Hz : 5 000 V/m pour le champ électrique, 100 m T pour le champ magnétique et 2mA/m² pour la densité de courant induit. Dans la vie courante, les champs rencontrés sont très inférieurs à ces valeurs .
|
Table des matières
INTRODUCTION
LE CHAMP MAGNÉTIQUE : ORIGINES ET APPLICATIONS
1. L’histoire du champ magnétique
2. Le Champ magnétique artificiel
2.1 Leurs origines
2.2 Les applications et leurs conséquences
3. Le Champ magnétique naturel
3.1 Leurs origines et ses éléments
3.2 Les applications
4. Les capteurs du Champ magnétique
4.1 Historiques des mesures magnétiques
4.2 Principes des premiers capteurs
MESURES ABSOLUES DU CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE
1. Mesures de l’Intensité
2 Mesures des angles : déclinaison et inclinaison
2.1 Mesure de la déclinaison
2.2 Mesure de l’Inclinaison
3. Méthode des résidus
MESURES DES COMPOSANTES DU CHAMP MAGNETIQUE : CAPTEUR TRIFLUXGATE
1. Principes de mesures avec le capteur trifluxgate
1.1 Mesure de l’intensité totale
1.2. Mesures des composantes horizontales et verticales
1.3 Calcul des angles
2. La sonde fluxgate
2.1 Transformateur non linéaire
2.2 Principe de la sonde fluxgate
3. Structure de base d’un capteur fluxgate
3.1 Sensibilité des sondes fluxgates
3.2 Electronique des sondes
RÉALISATION D’UN CAPTEUR TRIFLUXGATE
1. Structure des sondes
1.1 Bobine d’excitation
1.2 Bobine de détection et de compensation
2. Les composants de base du capteur trifluxgate
2.1 Oscillateur à quartz
2.2 Diviseur de fréquence
2.3 Diviseur de tension
2.4 Comparateur de tension
2.5 Carte arduino
3. Electronique associée aux sondes fluxgates
3.1 Générateur d’excitation du noyau de la sonde
3.2 Générateur de signaux de référence de phase
3.3 Amplificateur d’erreur
3.4 Générateur de courant de compensation
4. Traitement des signaux et des données
4.2 Dispositif d’affichage
ESSAIS DE MESURES ET D’ANALYSES DES RÉSULTATS
1. Sensibilité et calibre des sondes : déterminations expérimentales
1.1 Etude de la sensibilité des sondes
1.2 Etalonnage des sondes
1.3 Calibration des sondes
2. Observations oscilloscopiques des sorties des sondes
2.1 Visualisation des signaux mesurés
2.2 Analyse comparative des observations
3 Traitement des signaux simulés
3.1 Chronogramme et spectre du signal d’excitation
3.2 Chronogramme et spectre du signal de détection
3.4 Chronogramme et spectre du signal de sortie de l’amplificateur d’erreur
CONCLUSION
REFERENCES
PRESENTATION DES ARTICLES ET COMMUNICATIONS
ANNEXE
