Magnétostriction : Une propriété des matériaux magnétiques
La magnétostriction est définie comme la propriété de certains matériaux magnétiques qui les fait changer de forme ou de dimensions lorsqu'ils sont magnétisés par un champ magnétique externe. La variation de taille ou de longueur d'un matériau due à la magnétostriction dépend de l'intensité et de la direction du champ magnétique appliqué, ainsi que de l'anisotropie magnétique et de la structure cristalline du matériau.
La magnétostriction peut être utilisée pour convertir l'énergie électromagnétique en énergie mécanique, ou vice versa, et est la base de nombreuses applications telles que des actionneurs, des capteurs, des transducteurs, des transformateurs, des moteurs et des générateurs.
Qu'est-ce que la magnétostriction ?
La magnétostriction a été découverte pour la première fois par James Joule en 1842, lorsque celui-ci a observé qu'une tige de fer s'allongeait légèrement lorsqu'elle était magnétisée le long de sa longueur, et se contractait légèrement lorsqu'elle était magnétisée dans sa largeur. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Joule, et il se produit dans la plupart des matériaux ferromagnétiques (matériaux qui peuvent être magnétisés par un champ externe) et certains matériaux ferrimagnétiques (matériaux qui ont deux sous-réseaux magnétiques opposés).
Le mécanisme physique derrière la magnétostriction est lié à la structure interne des matériaux magnétiques, qui est constituée de régions microscopiques appelées domaines. Chaque domaine a une direction uniforme de magnétisation, qui est déterminée par l'équilibre entre l'énergie d'anisotropie magnétique (la tendance du matériau à aligner sa magnétisation selon certaines directions cristallines) et l'énergie magnétostatique (la tendance du matériau à minimiser ses pôles magnétiques).
Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué à un matériau magnétique, il exerce un couple sur les domaines, les faisant tourner et s'aligner avec la direction du champ. Ce processus implique le mouvement des murs de domaine (les limites entre les domaines ayant des directions de magnétisation différentes) et la déformation du réseau cristallin (l'arrangement des atomes dans le matériau). En conséquence, le matériau change de forme ou de dimensions selon sa contrainte magnétostrictive (le changement fractionnel de longueur ou de volume dû à la magnétostriction).
La contrainte magnétostrictive dépend de plusieurs facteurs, tels que :
L'intensité et la direction du champ magnétique appliqué
La saturation magnétique (la magnétisation maximale possible) du matériau
L'anisotropie magnétique (la préférence pour certaines directions de magnétisation) du matériau
Le couplage magnétoélastique (l'interaction entre la magnétisation et la contrainte élastique) du matériau
La température et l'état de contrainte du matériau
La contrainte magnétostrictive peut être positive ou négative, selon que le matériau se dilate ou se contracte lorsqu'il est magnétisé. Certains matériaux présentent un renversement de signe de leur contrainte magnétostrictive lorsqu'ils sont exposés à des champs magnétiques élevés, ce qui est connu sous le nom de renversement Villari.
La contrainte magnétostrictive peut être mesurée par diverses méthodes, telles que l'interférométrie optique, les jauges de contrainte, les transducteurs piézoélectriques, ou des techniques résonantes. Le paramètre le plus couramment utilisé pour caractériser la magnétostriction est le coefficient de magnétostriction (également appelé coefficient de Joule), qui est défini par :
λ=LΔL
où ΔL est la variation de longueur du matériau lorsqu'il est magnétisé de zéro à la saturation, et L est sa longueur initiale.
Matériaux magnétostrictifs
Il existe de nombreux matériaux qui présentent de la magnétostriction, mais certains d'entre eux ont des valeurs plus élevées et de meilleures performances que d'autres. Voici quelques exemples de matériaux magnétostrictifs :
Fer : Le fer est l'un des matériaux magnétostrictifs les plus courants et largement utilisés, en raison de sa haute saturation magnétique et de son faible coût. Cependant, le fer présente également certains inconvénients, tels qu'un faible coefficient de magnétostriction (environ 20 ppm), une forte perte hystérétique (l'énergie dissipée lors de chaque cycle de magnétisation) et une forte perte par courants de Foucault (l'énergie dissipée en raison des courants induits dans les matériaux conducteurs).
Nickel : Le nickel a un coefficient de magnétostriction plus élevé que le fer (environ 60 ppm), mais aussi une perte hystérétique et une perte par courants de Foucault plus importantes. Le nickel a également une faible température de Curie (environ 360 °C) et est sujet à la corrosion.
Cobalt : Le cobalt a un coefficient de magnétostriction modéré (environ 30 ppm), mais une saturation magnétique élevée et une température de Curie élevée (environ 1120 °C). Le cobalt a également une faible perte hystérétique et une faible perte par courants de Foucault, ce qui le rend adapté aux applications à haute fréquence.
Alliage fer-aluminium (Alfer) : Cet alliage a un coefficient de magnétostriction élevé (environ 100 ppm), une saturation magnétique élevée et une température de Curie élevée (environ 800 °C). Il a également une faible perte hystérétique et une faible perte par courants de Foucault, ainsi que de bonnes propriétés mécaniques. Cependant, il est difficile à fabriquer et nécessite un traitement thermique spécial.
Alliage fer-nickel (Permalloy) : Cet alliage a un faible coefficient de magnétostriction (environ 1 ppm), mais une saturation magnétique élevée et une perméabilité élevée (la capacité d'un matériau à supporter un champ magnétique interne). Il a également une faible perte hystérétique et une faible perte par courants de Foucault, ce qui en fait un choix idéal pour le blindage magnétique et les applications d'enregistrement.
Alliage cobalt-nickel : Cet alliage a un coefficient de magnétostriction modéré (environ 20 ppm), mais une saturation magnétique élevée et une température de Curie élevée (environ 950 °C). Il a également une faible perte hystérétique et une faible perte par courants de Foucault, ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion.
Alliage fer-cobalt : Cet alliage a un coefficient de magnétostriction modéré (environ 30 ppm), mais une saturation magnétique très élevée et une température de Curie élevée (environ 980 °C). Il a également une faible perte hystérétique et une faible perte par courants de Foucault, ainsi que de bonnes propriétés mécaniques.
Alliage cobalt-fer-vanadium (Permendur) : Cet alliage a un faible coefficient de magnétostriction (environ 5 ppm), mais une saturation magnétique très élevée et une température de Curie très élevée (environ 1400 °C). Il a également une faible perte hystérétique et une faible perte par courants de Foucault, ce qui le rend adapté aux applications à haute puissance.
Ferrites : Les ferrites sont des matériaux céramiques composés d'oxydes de fer et d'autres oxydes métalliques, tels que l'oxyde de cobalt ou l'oxyde de nickel. Elles ont des coefficients de magnétostriction faibles (moins de 10 ppm), mais également une faible saturation magnétique et une faible perméabilité. Elles ont une très faible perte hystérétique et une très faible perte par courants de Foucault, ce qui les rend idéales pour les applications à haute fréquence. Elles ont également des températures de Curie élevées (supérieures à 400 °C) et une bonne résistance à la corrosion.
Terres rares : Les terres rares sont des éléments avec des numéros atomiques de 57 à 71, tels que le lanthane, le cérium, le néodyme, le samarium, le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l'holmium, l'erbium, le thulium, l'ytterbium ou le lutécium. Elles ont des coefficients de magnétostriction très élevés (jusqu'à 1000 ppm), mais également une perte hystérétique et une perte par courants de Foucault très élevées. Elles ont une saturation magnétique et une perméabilité modérées, mais des températures de Curie basses (inférieures à 300 °C). Elles sont souvent utilisées en combinaison avec d'autres métaux ou composés pour former des alliages ou des intermétalliques avec des propriétés améliorées.
Terfenol-D : Le Terfenol-D est un composé intermétallique composé de terbium, de fer et de dysprosium. Il a le coefficient de magnétostriction le plus élevé jamais enregistré (environ 2000 ppm), ce qui signifie qu'il peut produire de très grandes contraintes lorsqu'il est magnétisé. Il a également une saturation magnétique élevée et une température de Curie élevée (environ 380 °C). Cependant, il a également une perte hystérétique et une perte par courants de Foucault très élevées, ce qui limite son efficacité et sa plage de fréquences. Il nécessite également un champ magnétique élevé (environ 800 kA/m) pour atteindre sa contrainte maximale, ce qui augmente sa consommation d'énergie et son coût.
Galfenol : Le Galfenol est un alliage de fer et de gallium, avec une composition d'environ Fe81Ga19. Il a un coefficient de magnétostriction modéré (environ 250 ppm), mais une perte hystérétique et une perte par courants de Foucault très faibles, ce qui le rend plus efficace et durable que le Terfenol-D. Il a également une saturation magnétique élevée et une température de Curie élevée (environ 700 °C). Il peut fonctionner avec des champs magnétiques bas (environ 100 kA/m) et des fréquences élevées (jusqu'à 10 kHz).
Metglas : Le Metglas est un verre métallique composé de fer, de bore, de silicium et d'autres éléments. Il a un faible coefficient de magnétostriction (environ 20 ppm), mais une saturation magnétique et une perméabilité très élevées. Il a également une perte hystérétique et une perte par courants de Foucault très faibles, ce qui le rend idéal pour le blindage magnétique et les applications de conversion d'énergie.
Applications de la magnétostriction
La magnétostriction a de nombreuses applications dans divers domaines, tels que :
Actionneurs : Les actionneurs sont des dispositifs qui convertissent l'énergie électrique en mouvement mécanique, ou vice versa. Les actionneurs magnétostrictifs utilisent des matériaux magnétostrictifs pour produire un mouvement linéaire ou rotatif lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, ou pour générer un champ magnétique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique. Les actionneurs magnétostrictifs offrent des avantages par rapport à d'autres types d'actionneurs, tels que les actionneurs piézoélectriques ou électrostatiques, en termes de force plus élevée, de déplacement plus important, de réponse plus rapide, de consommation d'énergie plus faible, de conception plus simple et de durée de vie plus longue.
Capteurs : Les capteurs sont des dispositifs qui mesurent des grandeurs physiques, telles que la force, la pression, la température, le déplacement ou le champ magnétique. Les capteurs magnétostrictifs utilisent des matériaux magnétostrictifs pour détecter les variations de ces grandeurs en mesurant la contrainte ou la magnétisation induite dans le matériau. Les capteurs magnétostrictifs offrent des avantages par rapport à d'autres types de capteurs, tels que les jauges de contrainte ou les capteurs capacitifs, en termes de sensibilité, de précision, de stabilité, de fiabilité et de durabilité supérieures.
Transducteurs : Les transducteurs sont des dispositifs qui convertissent une forme d'énergie en une autre, telle que le son ou l'ultrason. Les transducteurs magnétostrictifs utilisent des matériaux magnétostrictifs pour générer ou recevoir des ondes acoustiques en appliquant ou en détectant un champ magnétique sur le matériau. Les transducteurs magnétostrictifs offrent des avantages par rapport à d'autres
