Magnétostriction - Définition

Introduction

La magnétostriction, aussi appelée piézomagnétisme, désigne la propriété que possèdent les matériaux ferromagnétiques de se déformer sous l'effet d'un champ magnétique. Le phénomène fut découvert pour la première fois par James Prescott Joule en 1847, qui démontra son existence en mesurant l'allongement d'un échantillon de fer soumis à un champ magnétique.

Phénomène de magnétostriction

Lorsque le matériau est magnétisé jusqu'à saturation, la déformation maximale produite par magnétostriction est généralement de l'ordre du micromètre par centimètre de matériau. Ainsi, le fer présente une faible déformation relative d'au plus 0,2 μm/cm alors que des alliages de fer et de terres rares comme le terbium ou le dysprosium peuvent atteindre des déformations relatives de plus de 15 μm/cm sous un champ magnétique de 1 MA/m.

La magnétostriction est à l'origine du bruit qu'on peut entendre près des transformateurs et des appareils électriques fonctionnant sous haute tension, qui est d'une fréquence égale à deux fois celle du courant, c-à-d. 2·50 Hz = 100 Hz (plus les harmoniques).

Applications

Suivant le type d'effet considéré, effet magnétostrictif direct ou inverse, la magnétostriction peut être exploitée pour construire des actionneurs ou des capteurs électromécaniques convertissant l'énergie électrique en énergie mécanique et réciproquement.

Les principaux usages de la magnétostriction concernent :

• l'émission de sons à basse fréquence en milieu sous-marin (sonar)
• la génération d'ultrasons (applications médicales ou industrielles)
• la réalisation de moteurs linéaires (utilisé par exemple sur machine-outil)
• la mesure de force ou de couple
• le contrôle actif du bruit et des vibrations, en utilisant simultanément l'effet inverse pour la mesure des vibrations, et l'effet direct pour effectuer l'action correctrice

Transducteur magnétostrictif

Schéma de principe d'un transducteur magnétostrictif

Un transducteur magnétostrictif est typiquement constitué d'un solénoïde traversé par un courant d'excitation servant à générer un champ magnétique variable, à l'intérieur duquel se trouve placé un barreau en matériau ferromagnétique, le tout étant enfermé dans un cylindre assurant la fermeture du circuit magnétique. Afin d'assurer des déplacements bidirectionnels, une magnétisation statique du matériau est obtenue soit au moyen d'un aimant permanent, soit en faisant circuler dans le solénoïde un courant continu qui vient se superposer au courant d'excitation variable. D'autre part, une précontrainte mécanique est généralement appliquée au barreau ferromagnétique au moyen d'un boulon, ceci afin de faire travailler le transducteur en compression et ainsi toujours garantir la transmission des efforts mécaniques à l'interface du transducteur et de la charge appliquée.

Les matériaux ferromagnétiques employés peuvent être le fer, le nickel, ou des alliages aluminium-fer (alfenol) ou nickel-cobalt, bien que le matériau le plus couramment utilisé soit le Terfenol-D, du fait de ses bonnes performances magnétostrictives.

L'effet magnétostrictif inverse

Les matériaux ferromagnétiques exhibent aussi un effet magnétostrictif inverse, appelé effet magnétomécanique, qui se caractérise par la modification de la susceptibilité magnétique en présence de contraintes mécaniques dans le matériau.