Des matériaux ferromagnétiques doux forment un sous groupe des matériaux ferromagnétiques ce qui signifie qu’ils sont capables de s'aimanter lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique extérieur. La particularité des matériaux ferromagnétiques doux est que l'action de créer ou d’annuler l’aimantation dans le matériau nécessite moins d'énergie que pour les matériaux ferromagnétiques durs.

Historique C’est au début du que l'on commence à exploiter les propriétés des matériaux ferromagnétiques doux. Dans les années 1940, grâce à l’amélioration et l’optimisation des procédés, l'exploitation de ces matériaux s’est rapidement développée. Les applications de ces matériaux se sont accrues durant les décennies qui suivirent, c’est pourquoi à partir des années 1950 les ferrites ont vu le jour pour leur usage dans les applications à moyennes et hautes fréquences. En 1970 ce sont les amorphes magnétiques qui se sont développés dans « les transformateurs d’énergie basse fréquence », puis dans les années 1980 pour les inductances.

Caractérisation macroscopique - Cycle d'hystérésis vignette|Cycle d'hystérésis d'un matériau ferromagnétique doux Hc : Champ coercitif Br : Champ rémanent Bsat : Champ saturant La caractéristique principale des matériaux ferromagnétiques est le cycle d’hystérésis de la caractéristique induction B en fonction de l’aimantation H. Les matériaux ferromagnétiques doux ont un champ coercitif plus faible (inférieur à ). L'application d'une faible induction magnétique pourra donc retourner ou annuler l'aimantation du matériau. La susceptibilité magnétique, qui caractérise la capacité d’un matériau à s’aimanter, est très élevée pour ces matériaux (10^3 - 10^6)

La forme de ce cycle d’hystérésis montre également que l’énergie dissipée sous forme de chaleur est faible. Cette énergie, appelée pertes magnétiques, correspond à l’aire du cycle d’hystérésis et s’exprime en . Ces différentes caractéristiques, faibles pertes magnétiques et forte susceptibilité, vont permettre d’obtenir de bonnes propriétés pour les applications à hautes fréquences et de canalisations de flux.

Caractérisation microscopique Dans les matériaux, ce sont les électrons qui contribuent le plus au moment magnétique. C’est ce que l’on appelle le moment de spin. De manière générale, les électrons se regroupent par paires de spins opposés, donc de moment résultant nul et remplissent les niveaux électroniques définis par la physique atomique. Dans un atome, les électrons des niveaux électroniques externes (énergie plus élevée) sont le plus susceptibles de réagir avec l’environnement de l’atome en formant des liaisons. Par conséquent, seuls des niveaux électroniques internes et incomplets peuvent contribuer au moment magnétique de l’atome. Cette configuration atomique se retrouve dans les métaux de transition de la série 3d dans la classification périodique des éléments tels que le cobalt, le fer ou le nickel.

De plus, les caractéristiques physiques du matériau considéré créent l’anisotropie magnétique, c’est-à-dire que les propriétés magnétiques ne sont pas les mêmes selon la direction d’espace. Un matériau ferromagnétique doux doit présenter une anisotropie magnétique la plus faible possible.

Applications Les transformateurs Un transformateur contient un enroulement primaire et un enroulement secondaire qui sont magnétiquement couplés. On applique alors une tension alternative à l’enroulement primaire et un flux magnétique va traverser le circuit secondaire, ce qui va y créer un courant électrique.

Les principales limitations pour ces types de dispositif sont la dissipation d’énergie par cycle d’hystérésis et les pertes par courants de Foucault. L’utilisation de matériaux ferromagnétiques doux limite ces phénomènes.

Les électroaimants La forte susceptibilité des matériaux ferromagnétiques doux permet d’obtenir une forte induction à partir d’un faible champ extérieur, ce qui trouve son utilité dans les électroaimants, lorsque l’on cherche à canaliser les lignes de champ.

Un électroaimant est composé d'un barreau en fer doux autour duquel une bobine est alimentée par un générateur de courant continu. L'application d'un courant permettra alors de créer un champ électromagnétique au centre du dispositif. L'utilisation du fer doux est indispensable afin que le champ magnétique (produit par la bobine) puisse être correctement restitué au reste du circuit.

Matériaux et caractéristiques Les matériaux ferromagnétiques doux sont composés des éléments principaux fer, cobalt, nickel, magnésium, silicium, et ne possèdent pas de structures ordonnées qui nuiraient aux propriétés magnétiques. C’est pour cette raison que les matériaux amorphes et les matériaux polycristallins sont de bons ferromagnétiques doux.

+ Éléments principaux Matériaux Fer Cobalt NickelTempérature de Curie(kelvin)Aimantation à saturation M()Perméabilité magnétique relative maximum µManquante

+ Alliages fer-nickel Composition(% en masse) 36Ni 48Ni 75Ni-5Cu-2Cr 80Ni-5Mo 77Ni-5Cu-4MoTempérature de Curie(kelvin)523743673683683Aimantation à saturation M()Perméabilité magnétique relative maximum µ (recuit ) (recuit ) (recuit ) (recuit ) (recuit ) (recuit ) (recuit ) (recuit ) (recuit ) (recuit )Champ coercitif H()30 (recuit )10 (recuit )82 (recuit )1 (recuit )11Pertes hystérétiques()0,01 à 1000,01 à 1000,01 à 1000,01 à 1000,01 à 100

+ Alliages fer-cobalt Composition(% en masse) 50Co-0,3Mn(recuit ) 49Co-2V(recuit ) 34Co-64Fe-2Cr(recuit )Température de Curie(kelvin)ManquanteManquanteAimantation à saturation M()Perméabilité magnétique relative maximum µChamp coercitif H()16016080Pertes hystérétiques()(Mesures à 50 Hz et 2 teslas)8,04,0Manquante

Bibliographie Max Brousseau, Physique du solide. Propriétés électroniques, Paris, Masson, 1992 José-Philippe Pérez, Robert Carles et Robert Fleckinger, Électromagnétisme fondements et applications, Liège, Dunod, 2001 José-Philippe Pérez, Robert Carles et Robert Fleckinger, Électromagnétisme Vide et milieux matériels, Paris, Masson, 1990 François Leprince-Ringuet, Matériaux ferromagnétiques usuels, Article techniques de l'ingénieur, 1994 Thierry Waeckerlé, Matériaux magnétiques doux cristallins - Magnétisme et métallurgie appliqués, Article techniques de l'ingénieur, 2010

Annexes Articles connexes Fer doux

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