Qu'est-ce que « Domaines et hystérésis » ? — Physique

Définition 22.8 Physique universitaire — 3e année · Chapitre 22 — Électromagnétisme dans la matière

Un bloc de fer brut n’est pas aimanté : il se brise en domaines, régions de taille micrométrique chacune pleinement aimantée mais pointant différemment, si bien que le champ extérieur (et son coût en énergie) s’annule presque. Un $\vect H$ appliqué déplace les parois de domaine — les domaines favorables croissent — puis fait tourner des domaines entiers dans l’alignement. Les parois s’accrochent aux défauts, si bien que le processus est irréversible : balayer $H$ de haut en bas et $B(H)$ trace une boucle, le cycle d’hystérésis. Coupez le courant et un champ rémanent $B_{\text{r}}$ survit ; l’annuler demande le champ coercitif inverse $H_{\text{c}}$ . L’aire enfermée par la boucle est l’énergie dissipée par cycle et par unité de volume. Les matériaux doux (acier au silicium, ferrites : boucle mince, petit $H_{\text{c}}$ ) font les noyaux de transformateurs et de moteurs ; les durs (alnico, Nd $_2$ Fe $_{14}$ B : boucle grasse, $H_{\text{c}}$ énorme) font les aimants permanents — et la mémoire magnétique : l’aimant du réfrigérateur et le disque dur sont des cycles d’hystérésis qui refusent d’oublier.

Domaines. À gauche : un ferroaimant vierge cache son aimantation dans des régions qui se compensent mutuellement. À droite : le champ appliqué les fait croître et tourner en un bloc aimanté unique — par des sauts de paroi irréversibles qui donnent au fer sa mémoire.

Le cycle d’hystérésis. Depuis l’état vierge (en tirets), le champ pousse B jusqu’à saturation ; ramener H à zéro laisse la rémanence B_ r, et seul le champ coercitif -H_ c l’efface. Aire de la boucle = chaleur par cycle et par unité de volume : boucles minces pour les transformateurs, boucles grasses pour les aimants permanents. — Le cycle d’hystérésis. Depuis l’état vierge (en tirets), le champ pousse $B$ jusqu’à saturation ; ramener $H$ à zéro laisse la rémanence $B_{\text{r}}$ , et seul le champ coercitif $-H_{\text{c}}$ l’efface. Aire de la boucle = chaleur par cycle et par unité de volume : boucles minces pour les transformateurs, boucles grasses pour les aimants permanents.

Exemples

Exemple 22.9 (L’électroaimant à noyau de fer)

Enroulez $N$ spires parcourues par $I$ autour d’un anneau de fer ( $\mu_{\text{r}} \sim 5000$ ) percé d’un petit entrefer $e$ . Le théorème d’Ampère pour $\vect H$ le long de la boucle donne $H_{\text{fer}}\ell + H_{\text{gap}}e = NI$ , et la continuité du flux rend $B$ commun, donc

B\Big(\frac{\ell}{\mu_0\mu_{\text{r}}} + \frac{e}{\mu_0}\Big) = NI .

Avec $\ell = 1\,\mathrm{m}$ et $e = 1\,\mathrm{cm}$ , le terme d’entrefer vaut cinquante fois le terme de fer : presque tout l’effort de la bobine sert à pousser le champ à travers un centimètre d’air. Voilà le circuit magnétique en une ligne — le fer est un conducteur de flux presque parfait, l’air la résistance — et c’est pourquoi moteurs, relais et grues de casse gardent leurs entrefers impitoyablement minces (Problème 22.1).

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