MAGNETISME : Les matériaux magnétiques

1. Se diriger et bouger

      On peut trouver des dizaines d’utilités aux matériaux magnétiques, mais la plus simple, c’est celle qui nous sert à
nous diriger. Historiquement, c’est la première vrai application concrète des matériaux magnétiques : la boussole.
Comme nous l’avons dit dans la première partie, la terre se comporte comme un aimant géant. Près du pôle nord
géographique se trouve le pôle nord magnétique, et près du pole sud géographique se trouve le pole sud magnétique.
Ainsi les lignes de champ magnétiques terrestres forment des axes nord-sud.

      Une boussole n’est en réalité qu’un simple aimant, donc possédant deux pôles. Ainsi le pôle sud de l’aimant (c'est-à-
dire de l’aiguille de la boussole) va systématiquement être attiré par le pole nord terrestre et vice et versa. C’est comme
ça que la boussole pointe toujours vers le nord. L’aimant qui la compose subit les effets du champ magnétique terrestre.

      Mais on peut faire bien plus encore avec les matériaux magnétiques. Une des applications les plus utilisée est le
moteur électrique. Son principe est simple. On place à l’intérieur d’un aimant en U une bobine à l’intérieur de laquelle on
fait circuler un courant qui doit toujours aller dans le même sens par rapport à l’aimant en U.

      En effet, on cherche ici à établir un courant dans la bobine tel que la bobine créée à son tour un champ (et donc
une force de Laplace) de manière à « repousser » les pôles de l’aimant. Mais comme la bobine tourne, à chaque demi
tour, il faut changer le sens du courant dans la bobine de manière à ce que le mouvement ne s’annule pas.

      Ceci est permis par un dispositif de balais collecteurs de courant. Le circuit d’alimentation de la bobine est toujours
placé de la même manière, mais le contact entre la bobine et ce circuit est fait par de petits balais placés de sorte que à
chaque demi tour les collecteurs de la bobine rencontre le balais opposé et donc le courant circule dans le sens opposé
dans la bobine.

      Ces moteurs peuvent être utilisés pour un très large panel d’usages, du simple petit moteur destiné à faire tourner
les pales des ventilateurs, celui de l’aspirateur, ou bien celui des trains, du métro au TGV. Tous ces moteurs sont basés
sur le même principe décrit ci-dessus, bien qu’il existe plusieurs déclinaisons de ce concept, notamment en fonction de l’
utilisation prévu pour ce moteur. En effet, un moteur de ventilateur n’a pas besoin de la même puissance qu’un moteur
de robot de cuisine qui se doit d’être très puissant sur une courte duré, ou bien un moteur de TGV qui doit faire avancer
un train à 300 km/h pendant une longue période. Donc a chaque type d’utilisation, il existe un type de moteur. On trouve
des moteurs a courant continue que l’on a détaillé ci dessus, des moteurs a courant alternatif, synchrone ou asynchrone,
ou pas à pas pour des applications précise (alignement de tête de lecture par exemple).

      Il existe également des moteurs qui s’affranchisse du principe des balais collecteurs de courant. En effet, ces balais
présente de nombreux inconvénients : échauffement du moteurs par frottement, et obligation d’un entretient régulier
(changement des balais a cause de l’usure par frottement). Certains moteurs sont donc régulés électriquement pour le
changement de polarité du courant, évitant ainsi tous les problème des balais. C’est notamment ce type de moteurs qui
est utilisé dans les dernières générations de TGV.

      Toujours dans le domaine des transports, on peut citer les trains à lévitations magnétiques qui utilisent le principe de
lévitation magnétique (maglev). Dans le train à lévitation magnétique japonais, le rail (qui est en U) est constitué de
puissants électro-aimants (c'est-à-dire des bobines) et le train lui contient des aimants supraconducteurs (c'est-à-dire
des bobines refroidis à environ -200°C pour ne pas opposer de résistances au courant et ainsi faire de très puissants
aimants). Ainsi par un jeu d’attraction-répulsion, on va pouvoir maintenir le train à une dizaine de centimètre du rail et le
faire avancer.

      Ainsi, en bas à droite il y a répulsion pendant que en haut à gauche il y a attraction. Et il y a attraction en haut a
droite pendant qu’il y a répulsion en bas a gauche. C’est ainsi que le train peut avancer. Les quatre aimants du train sur
ce schéma vont changer de polarité en avançant pour pouvoir reproduire ce même schéma sur la prochaine série d’
aimant des rails. C’est pour cela qu’à basse vitesse, il n’y pas de lévitation, mais le train roule sur pneus car la fréquence
du courant dans les bobines devient trop grandes par rapport à la vitesse de défilement des aimants.

2. Enregistrer

      Avant l’apparition de moyens de stockage optique tels qu’on les connaient aujourd’hui comme le CD ou le DVD, les
premiers moyens de stockage de données étaient la gravure de sillions sur des disques de vinyles. Cette méthode pose
de nombreux problèmes car elle n’est pas facile à mettre en œuvre et ne restitue pas les données avec une bonne
qualité. Dans les années 60 sont donc apparus les supports magnétiques pour le grand public, dans l’audio, et dans les
années 80 dans la vidéo et pour les données informatiques. On utilise encore aujourd’hui du stockage magnétique dans
les caméscopes numériques et dans des solutions de stockage et de sauvegarde massive de données pour les
entreprises.

Le fonctionnement d’une cassette audio est le suivant :

      La piste magnétique est guidée par deux moteurs : un pour la recherche accélérée et un autre pour la lecture ou l’
enregistrement. Il est important que ce dernier tourne à une vitesse très précise, sous peine d’obtenir des sons très
déformés.

      La bande entraîné par ce moteur passe devant la tete de lecture qui est composé de petits bobinages réalisés sur
une carcasse métallique, portant une fente microscopique, de l'ordre du micron, appelée "entrefer", placée devant la
bande magnétique.

      Lorsqu'un courant passe dans le bobinage, cela provoque une aimantation des particules magnétiques de la bande,
le long d'une piste (sur une cassette audio il y a jusqu'à 4 pistes : deux pistes A et B stéréo). Le phénomène est
réversible et la lecture consiste à passer la bande enregistrée à nouveau devant la tête, autant de fois qu'on le désire,
c'est-à-dire que dans ce cas si, c’est la variation de champs engendrée par les particules magnétiques qui va induire un
courant de tension variable qui sera amplifié en son.

      Une seconde tête spécialisée est utilisée pour effacer la bande : elle est alimentée par un courant à haute fréquence
de polarisation, environ 100 kHz, qui provoque une écriture ultrasonore, donc inaudible. Les appareils sophistiqués
possèdent une troisième tête, spécialisée dans la lecture seule avec un entrefer plus étroit qui améliore la lecture des
fréquences élevées.

      Le fonctionnement des cassettes vidéo est sensiblement le même. En ce qui concerne les cassettes dites «
numérique », la technique reste analogique, mais au lieu d’enregistrer des variations de tension pour donner du son, on
enregistrera des créneau de tension (0 ou 1).

      Mais pour le stockage de données informatique, cette solution s’est vite montré limité, car elle impose la recherche
sur la bande de l’endroit ou se situe la donnée a atteindre. Il a donc fallu penser a intégré un autre support dans les
ordinateurs personnels. C’est le disque dur.

      Le principe de la tête de lecture reste sensiblement le même, il s’agit toujours de déplacer de petite particule
magnétique devant une bobine. Par contre ici la bande magnétique est remplacé par une disque (ou plus exactement
une empilement de disque) donc plus de problème de bobinage-rembobinage. Et on travail ici avec des tailles beaucoup
petite que sur une cassette, et surtout beaucoup plus vite (en moyenne aujourd’hui un disque de disque dur tourne a
7200 tr/min). C’est pour garantir cette précision que l’intérieur d’un disque dur est sous vide.

      Ici par contre, contrairement à la cassette ou les données se suivent sur la bande, on a affaire à un adressage
complexe des données. Celles-ci sont repérées par piste (cercle concentrique sur le disque) puis par secteur (petite
zone entre deux rayons sur une piste) et enfin par cylindre (c'est-à-dire une « empilement » de secteur
géographiquement à la même place d’un disque au dessus l’autre)

      D’autres applications liée à l’enregistrement du son sont bien évidemment le micro et le haut parleur. Ici le principe
mis en œuvre est très simple vu qu’il s’agit d’une application direct du principe de l’induction électromagnétique. Dans le
cas du haut parleur, le courant constituant le signal audio a émettre passe dans une bobine. A l’intérieur de cette bobine
se situe un aiment permanent relié a la base du cône de papier carton constituant le haut parleur. Suivant le sens du
courant, l’aiment est repoussé ou attiré vers la bobine, et donc il faut vibrer le cône du haut parleur, compressant ou
dilatant l’air, donc produisant un son.

Pour le micro, le principe mis en œuvre est le même, mais en sens inverse. C’est a dire que lorsque l’on parle devant le
micro, on fait vibrer la membrane du micro, qui fait bouger un aiment a l’intérieur de la bobine. Grâce a l’effet d’induction
la vibration de l’aiment dans la bobine créé un courant correspondant en fréquence et en intensité au son d’entrée.

3. Les applications du futur

      Il reste encore beaucoup de pistes à explorer dans tous les domaines pour l’application des matériaux magnétiques.
Et des projets toujours plus ambitieux naissent presque chaque jour. Dans le domaine du transport, c’est bien sur le train
à lévitation magnétique qui devrait entrer en service au Japon en 2006 ou 2007. Mais déjà les ingénieurs japonais ont
trouvé un nouveau challenge : un ascenseur à lévitation magnétique, qui serait propulsé de la même manière que le
train et aurait les même avantages (silence, consommation réduite et performance)

      Dans le domaine du stockage, on attend avant 2010 des disques durs capables de placer les données à la
perpendiculaire du disque, permettant de réduire la taille physique des secteurs. Donc chaque donnée prendra moins de
place et donc la conséquence direct est une forte augmentation de la capacité des disques.

Toujours dans le stockage, des fabricants de mémoire flash expérimentent aujourd’hui de la mémoire flash magnétique,
promettant des capacités augmentées et des temps d’accès réduits.

4. Expériences

a- Mise en évidence des lignes du champ magnétique

Le barreau aimanté (pôle nord en rouge) est à l’origine d’un champ magnétique. Celui-ci influence les flèches qui sont
elle-même de petits barreaux aimantés. Le pôle sud de chaque petite flèche est attiré par le pôle nord de l’aimant Quant
ce dernier est mis en rotation on peut apercevoir que les aiguilles suivent les lignes de champs du barreau aimanté.

Cette expérience illustre le principe de la boussole.

b- Principe de l’induction

Le déplacement de l’aimant de gauche à droite induit un courant alternatif dans la bobine (voir le cadrant). Lorsque l’
aimant se déplace vers la gauche le courant est positif et vis versa. C’est la variation du champ magnétique produit par l’
aimant à l’intérieur de la bobine qui induit ce courant.

c- Principe du moteur asynchrone

La rotation de l’électro-aimant induit un courant dans la petite bobine mise en court-circuit. Cette bobine se comporte
donc comme un petit barreau aimanté dont les pôles sont en permanences repoussés par ce de l’électro-aimant
inducteur. Pour qu’il y ait courant induit dans la petite bobine il faut que la vitesse de rotation de l’électro-aimant
inducteur soit supérieure a celle de la petite bobine. En effet si l’électro-aimant et la petite bobine tournaient a la même
vitesse il n’y aurait pas de variation de champs magnétique. Et pas de courant induit dans la petite bobine. C’est le
principe du moteur asynchrone.

d- La lévitation magnétique

Il y a plusieurs méthode pour faire léviter un objet, dans ce cas la lévitation a été réalisé a l’aide de la supraconductivité.
La supraconductivité est un phénomène complexe qui a lieu à des températures très basses et pour lequel un métal perd
toute résistance électrique. Pour que l’aimant lévite il faut qu’il y ait répulsion entre le supraconducteur et l’aimant (leurs
champs magnétiques se repoussent). La force de répulsion doit être supérieur au poids de l’aimant pour qu’il y ait
lévitation. Cependant un autre problème se pose, en effet l’aimant reste en lévitation de façon stable. Ce phénomène est
du au fait que certaines lignes de champs retiennent le supraconducteur.

Il est aussi possible de faire lévité un fluide, cette expérience le prouve. Ici il s’agit d’une lévitation contrôlée avec un tube
qui empêche la bille d’eau de partir. Le liquide magnétique (appelé férrofluide) est l’oxyde de fer, sous l’influence d’un
aimant celui-ci reste en sustentation.