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Classification des substances magnétiques.
On peut subdiviser les substances magnétiques selon leur comportement magnétique
Diamagnétique
C’est une substance qui a une susceptibilité magnétique négative, sa perméabilité est plus petite que celle de l’air. Elle est aimantée dans une direction opposée à celle du champ magnétique appliqué. Elle est repoussée par le pôle d’un aimant M H
Paramagnétique
Ce sont des substances qui ont une susceptibilité magnétique positive et une aimantation parallèle au champ magnétique appliqué M mH tel que m 0
Elles sont attirées par le pôle d’aimant. Si le paramagnétisme est présent, le diamagnétisme est négligeable.
Ferromagnétique
C’est une substance qui peut prendre une forte aimantation. La propriété magnétique d’un matériau ferromagnétique est de présenter, au-dessous de la température de Curie, une aimantation spontanée en absence d’un champ magnétique extérieur. Sous l’action d’un champ magnétique même faible, l’aimantation augmente rapidement jusqu’à une valeur élevée dite « aimantation à saturation » qui est en général en fonction de la température.
Ses effets sont plus forts que ceux du paramagnétisme.
Dans une substance ferromagnétique, les moments magnétiques (dans des domaines séparés par les parois de Bloch appelées domaines de Weiss) des atomes voisins sont parallèles entre eux (fig-12).
Et lorsqu’il y a une aimantation, les moments résultants de chaque domaine ont une tendance à s’aligner et leurs effets s’ajoutent pour devenir très grand.
Les capteurs de champs magnétiques
Principes de réalisation de différents capteurs
Les capteurs de champs magnétiques sont distingués par leurs sensibilités et leurs bandes passantes. Les capteurs couramment utilisés sont les suivants
· Sonde à effet Hall
· Capteur à effet magnétorésistif
· Capteur à effet Wiegand
· transistor magnétique
· SQUID (supraconducting quantum interference device)
· fluxgates
· capteurs magnétiques à fibres optiques
· capteurs à résonance magnétique nucléaire
· Bobine d’induction réalisée à partir de l’expérience de Faraday.
Les capteurs de champs magnétiques peuvent être classés en deux catégories : capteurs pour les champs forts supérieurs à 1mTesla (gauss-mètres) et capteurs pour les champs faibles inférieurs à 1mTesla (magnétomètres)
Nous nous intéressons, ici, aux capteurs d’utilisation courante et ayant un principe de base relativement simple. Les deux premiers types, sonde à effet Hall et magnétorésistance, sont les plus utilisés dans le secteur industriel (champs forts) tandis que les Fluxgates et SQUIDs sont à la base des magnétomètres les plus performants.
supracourant
A- Effet Hall [6]
Principe
Si un ruban conducteur est parcouru par un courant électrique et si un champ d’induction magnétique est perpendiculaire au plan du ruban, il apparaît une différence de potentielle entre les bords du ruban.
Selon la théorie élémentaire de la conductivité, les trous acquièrent une vitesse moyenne d’entraînement parallèle à Ey de valeur vdp=µpEy. Ces charges subissent du fait du champ magnétique B une force F= -q v dp B (force dite de Lorentz ou de Laplace, dirigée vers la gauche). Il en résulte une tendance à l’accumulation de charges positives sur une face et symétriquement, un défaut de telles charges sur la face opposée. Ce qui se traduit par un champ électrique transversal EH et puisque le champ dérive d’un potentiel, la différence de potentielle est VH est dite tension de Hall
Ce principe est utilisé dans les gauss mètres, les ampèremètres, les wattmètres, les moteurs à courant continu, les multimètres analogiques, les compas magnétiques
Magnétorésistance
Principe
En exploitant dans un semi-conducteur, soumis à un champ magnétique, la variation de résistivité du matériau résultant de la distorsion des trajectoires électroniques, on peut réaliser des éléments dits magnéto-résistifs.
En mesurant la résistance d’un magnétorésistance soumis à un champ magnétique, on connaîtra la valeur de l’induction magnétique – S.Q.U.I.D. [7] .
Principe .
B.D. Josephson a imaginé dès 1962 qu’un pouvait intervenir entre deux supraconducteurs séparés par une fine couche isolante et depuis, on a montré que l’amplitude de ce courant était affectée par un champ magnétique. Ainsi la jonction Josephson est devenue la structure de base du magnétomètre à SQUID. .
La figure-13 représente une telle jonction dans laquelle à 4.2°Kelvin, un courant supraconducteur Ic (dit courant critique) traverse la jonction d’alumine avec une chute de tension de 0V dans la jonction. L’amplitude de ce courant est une fonction périodique du flux magnétique dans la jonction.
Les magnétomètres à SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) sont parmi les dispositifs les plus sensibles pour la mesure des champs magnétiques. En fait, ils ne permettent pas de mesurer un champ mais plutôt sa variation. Les gradiomètres peuvent mesurer la variation spatiale d’un champ magnétique aussi faible que ceux générés par le corps humain
Un magnétomètre à SQUID, pour les champs statiques, utilise 2 jonctions Josephson insérées dans un tore (fig-14-a). Quand le fluxa traversant le tore est un multiple de0 , la tension entre les deux jonctions est déterminée par la courbe n 0 (point A , fig-14-b). Si le flux augmente alors le courant critique décroît et le point d’intersection se déplace vers la droite. Le courant critique atteint une valeur minimale quand le flux s’est accru de 1/2 0 , alors la chute de tension est maximale (point B), si le flux continue à croître, le courant critique croît à nouveau et la tension décroît, etc. Ainsi la période du cycle est 0 .
Fluxgates
Principe
Dans un fluxgate , le noyau torique est constitué d’un fin ruban de matériau ferromagnétique aisément saturable. Une bobine d’excitation alimenté en alternatif est enroulé autour de ce tore, ce qui crée un champ magnétique circulant autour du tore. Ce champ provoque une saturation périodique alternativement dans le sens horaire et dans le sens inverse du matériau magnétique. On maintient ainsi une perméabilité moyenne supérieure à celle de l’air. Quand le noyau est saturé sa perméabilité devient identique à celle de l’air. S’il n’y a pas de composante magnétique dans l’axe de l’enroulement de mesure, la variation de flux vue par celui-ci est nulle. Par contre, si une composante de champ magnétique est présente dans cet axe, à chaque fois que le matériau ferreux passe d’un état de saturation à l’autre, le flux à travers le noyau va changer d’un niveau bas à un niveau élevé.
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Table des matières
Introduction
Partie I : Champ magnétique et Capteurs
I-1 Généralités sur les champs magnétiques.
I-1-1 Aimantation [1]
I-1-2 Le vecteur champ [1]
I-1-3 La susceptibilité magnétique [1]
I-1-4 La perméabilité magnétique
I-1-5 Intensité d’aimantation [1]
I-1-6 Courbe de première aimantation [1][2]
I-1-7 Saturation d’un noyau ferromagnétique [1] [4]
I-1-8 Le cycle d’Hystérésis [1] [4]
I-1-9 Classification des substances magnétiques.
A- Diamagnétique[5]
B – Paramagnétique [5]
C – Ferromagnétique [5]
I-2-Les capteurs de champs magnétiques
I-2-1 Principes de réalisation de différents capteurs
A- Effet Hall [6]
B-Magnétorésistance[6]
C – S.Q.U.I.D. [7]
D-Fluxgates [8]
E- Bobine d’induction réalisée à partir de l’expérience de Faraday
I- 2-2 Comparaison des capteurs [7]
Partie II : Techniques et Méthodes expérimentales
II-1 Réalisation du capteur avec une bobine d’inductance sans noyau (expérience de Faraday)
II-2 Réalisation d’un capteur à bobine avec noyau ferromagnétique
II-2-1 choix du noyau selon la perméabilité
A- noyau parallélépipédique ()
B- Noyau torique utilisé pour des transformateurs
II-2-2 La réalisation du capteur avec noyau ferromagnétique torique
II-3 Réalisation d’un capteur à bobine avec noyau de saturation variable
II-3-1 Choix du noyau selon sa saturation
A- Noyau parallélépipédique de type
B- Noyau torique () de transformateur
II-3-2 Réalisation du capteur avec un noyau de perméabilité variable
II-3-3 Lecture et analyse des résultats
A- Appareils de lecture
B – Intégrateur
C- Filtrage [11][12]
D- Organigramme montrant le montage du capteur-Interface–ordinateur (Traitement des résultats)
II-3-4 Etalonnage du capteur [9][11]
A- Méthode d’étalonnage du capteur pour les champs variables
B- Méthode d’étalonnage du capteur pour les champs statiques
Partie III : Résultats expérimentaux
III-1 Résultats obtenus avec le capteur sans noyau.
III-1-1Champ produit par l’oscillateur de l’ordinateur et l’oscilloscope
A- Mesure des champs oscillants avec le capteur sans l’intégrateur.
B- Mesure des champs oscillants avec le capteur muni d’un intégrateur.
III-1 -2 Champ produit par un aimant en mouvement
III-2 Résultats obtenus avec une bobine d’induction muni d’un noyau ferromagnétique torique
III- 3 Résultats obtenus avec le FLUXGATE
III- 4 Etalonnage du capteur FLUXGATE
III-4-1 coefficient de proportionnalité
A- Champ magnétique statique
B- Champ magnétique variable
III-4-2 Précision de mesure [13]
A- champ statique
B- champ variable
Partie IV : Application
IV-1 Mesure des champs statiques
IV-1-1 Mesure de la composante horizontale du champ géomagnétique :
IV-1-2 Mesure de l’intensité du champ créé par un aimant :
IV-2 Mesure des champs variables
IV-2-1 mesures d’un champ magnétique généré par un aimant en mouvement de « va et vient» (approximativement sinusoïdal) .
IV-2-2 Champ généré par un écran d’un ordinateur
IV-2-3 Mesure des champs variables générés par des lignes électriques souterraines ou sous les murs.
Conclusion générale
ANNEXE D
Références
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