L'AIMANTATION INDUITE

Il n'existe probablement aucun corps qui, placé dans un champ magnétique, ne devienne un aimant, au moins d'une manière temporaire. Si Ton envisage le corps en lui-même, on dira qu'il a acquis en chacun de ses points une intensité d'aimantation qui peut être très élevée dans le fer, très faible dans

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la plupart des autres substances et que Ton déQnira exactement comme étant le rapport du moment magnétique d'un élément de volume pris autour de ce point au volume de cet élément ; cette intensité d'aimantation sera considérée comme ayant la direction de Taxe magnétique de l'élément et sera, par suite, uû vecteur bien défini.

Dans les vues modernes, on préfère considérer ce qui se passe, non pluâ dans le corps lui-même, mais plutôt dans le champ modifié par la présence de ce corps ; on dira alors qu'au point considéré le champ avait primitivement une certaine valeur, que celte valeur a changé, qu'elle est devenue par exemple plus grande ; cette nouvelle valeur du champ* est ce qu'on appelle l'induction magnétique.

Aux deux façons de voir correspondent deux quantités très importantes auxquelles Lord Kelvin a donné deux noms pittoresques devenus aujourd'hui classiques. Le rapport entre l'intensité d'aimantation et le champ s'appelle la susceptibilité du corps, le rapport entre l'induction et le champ est désigné par le mot de perméabilité. Ces deux quantités sont d'ailleurs liées par une relation très simple, elles acquièrent, Tune et l'autre, une valeur d'autant plus grande que le corps est plus magnétique, mais un corps non magnétique a une susceptibilité nulle, tandis que sa perméabilité est égale à l'unité,

1. l définition du champ en un point d'un corps magnétique est assez délicate. Il faut, pour la donner, imaginer qu'autout* du point considéré Ton pratique une Cavité iiifiuiniont petite, et< dans lo cas que nous considérons, cette cavité devra ètl-e un disque iunnimcnt plat, normal à Tainiantution*

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puisque, dans ce corps, le champ garde sa valeur primitive.

Dans l'image des lignes de force, il faut concevoir que ces lignes peuvent pénétrer à Tintérieur de toutes les substances ; elles conservent leur distribution initiale dans une substance qui n'est pas susceptible de s'aimanter, elles deviennent, au contraire, plus nombreuses et plus resserrées dans un aimant. Si l'on vient, par exemple, à placer un morceau de fer doux dans un champ d'abord uniforme, ce champ subit une profonde modification : presque toutes les lignes de force se rassemblent pour traverser ce morceau de fer, le flux magnétique y est maintenant bien plus considérable que dans l'espace environnant.

Dire que le fer est devenu un aimant, ou dire que les lignes de force s'y sont accumulées, c'est sans doute exprimer le même fait, mais les deux façons de parler correspondent certainement à deux façons différentes d'envisager la question, et Ton ne saurait contester que la seconde soit beaucoup mieux appropriée que la première aux phénomènes qui se produisent dans toutes les machines.

Pendant longtemps, les physiciens, qui étudiaient le magnétisme, s'occupaient principalement de l'aimantation permanente, ils envisageaient presque exclusivement les aimants qui semblaient présenter seuls un intérêt véritable ; aujourd'hui, la plupart des recherches sont au cohtraire relatives à l'induction magnétique, à l'aimantation temporaire.

Dans l'industrie électrique, les masses de fer qui forment en quelque sorte le squelette nécessaire

des machines, sont soumises à l'action d*un champ magnétique qui, en général, est périodiquement variable. De là, est venue cetle orientation nouvelle de tant de travaux, de là sont sorties les études si remarquables relatives aux cycles d'aimantation et aux relations entre Taimantation et le temps. Parjni tant d'autres, on pourrait citer cet exemple des progrès qu'à fait accomplir à la science pure la nécessité de résoudre les problèmes qui lui ont été posés par l'industrie.

Il ne devint guère possible, d'ailleurs, d'entreprendre des recherches systématiques sur la relation qui lie l'aimantation et le champ inducteur qu'à partir du jour où l'on fut en possession d'un moyen commode permettant de donner à ce champ des valeurs bien connues et variant à volonté. On le trouve, ce moyen, dans la découverte fondamentale d'Aragojun courant crée un champ magnétique et la loi de Laplace nous apprend que ce champ est proportionnel à l'intensité du courant.

Rien n'est plus facile, dès lors, que de soumettre un morceau de fer, par exemple, à des champs dont on aura, immédiatement, au ^ moins une mesure relative : il suffira de l'introduire dans une bobine parcourue par un courant d'intensité connue ; mais si Ton veut, d'autre part, déterminer l'induction, on rencontre des difficultés assez sérieuses qui n'ont été surmontées que dans ces dernières années.

Les procédés de mesure employés sont assez divers; les uns, comme la méthode du magnétomètre, OQ la méthode balistique, conviennent au cas où la

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valeur du champ varie assez lentement; les autres, comme la méthode de J. et B. Iloplcinsoin, per* mettent d'opérer dans des conditions semblables à celles que l'on rencontre dans l'industrie, où les cycles d'aimantation sont très rapidement parcourus. Il existe aussi des instruments donnant un tracé automatique de la courbe qui représente la variation de Taimantation en fonction du champ ou bien encore conduisant à une construction par points de cette courbe au moyen de simples lectures ; ainsi sont, par exemple, le magnétographe d'Ewing ou l'appareil de Siemens et Ilalske. D'autres dispositifs enfln, tout en donnant des résultats encore fort précis, conviennent par la facilité et la commodité de leuir emploi à la pratique industrielle: ce sont les perméamètres, par exemple le perméamètre de S.-P. Thompson, ou encore les balances magnétiques, comme celle de Du Bois.

Grâce à. ces instruments, la mesure de la perméabilité du fer employé dans les constructions électriques est devenue une opération courante ; cette perméabilité change d'une façon très marquée avec les divers échantillons, mais on peut néanmoins énoncer à son sujet quelques résultats généraux.

Dans les débuts, on avait cru que Faimantation ' était très sensiblement proportionnelle au champ, en d'autres termes que la perméabilité était indépendante du champ. Tel était le résultat de fort intéressantes expériences effectuées, dès 1844, par Lcnz et Jacobi *, mais on ne tarda pas à reconnaître

1. Dans ces curieuses expériences, l'une des préoccupations des deux habiles physiciens était de montrer qu'il u'oxiste aucun

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que cette loi de proporiionnaUté n'était qu'une loi empirique qui s'éloignait de plus en plus de la vérité, au fur et à mesure que le champ prenait des valeurs plus considérables. Mûller démontra quMl y a, pour chaque barreau de fer doux, un maximum d'aimantation que ce barreau ne peut dépasser, et cotte conclusion est en évidente contradiction avec rhypothèse de la constance de la perméabilité, puisque, si cette hypothèse était exacte, l'aimantation pourrait augmenter sans limite.

De multiples travaux ont permis d'élucider à peu près complètement la question : on sait aujourd'hui que, dans le fer, la perméabilité croit d'abord avec le champ, atteint un maximum qui correspond, en général, à une valeur du champ de quelques unités seulement, puis décroit ensuite lentement en tendant vers l'unité. Ainsi donc, une armature magnétique finit par perdre sa propriété spéciale dans des champs très intenses et joue alors le même rôle passif que remplissent, pour les champs de toutes valeurs, les substances non magnétiques.

Les parties les plus délicates de ces études sont celles qui sont relatives aux champs les plus faibles, à cause de la petitesse des elTcts à observer; et

cocflBcient spécifique de magnétisation relativement aux diverses sabstaDces qui peuvent former le fil conducteur de la bobine magnétisante; en d'autres termes, que Taimantation produite no dépendait que de la valeur du champ et non de la nature des corps qui créent ce champ. La question peut nous sembler assez inutile, parce qu'elle ne se pose plus si nous envisageons les ciioscs au point de vue actuel, mais elle a eu son intérêt et, a priori^ la réponse n'était pas évidente. Il est toujours instructif de rappeler par quels chemins compliqués on a du passer avant de trouver la Toie la plus simple pour parvenir à la vérité.

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d'autre part, celles qui concernent l'autre extrén^ité de la courbe, la région de saturation, à cause de la difficulté qu'il y à à obtenir des champs très intenses ' suffisamment étendus et à les mesurer.

M.EwingjM. Weiës, M.DuBoiset d'autres auteurs qui ont fait des expériences particulièrement soignées sur la question, ont obtenu des résultats aussi concordants que le comporte la diversité des fers employés.

Ce n'est pas seulement dans la région même où la substance magnétique est placée que le champ va ôlre modifié par son introduction ; le corps, plus perméable que le milieu ambiant, absorbera un grand nombre de lignes de forces et, par suite, aUércra la densité de celles de ces lignes qui subsistent à rcxtérieur.

Par exemple, un barreau court, placé dans un champ uniforme parallèle à son axe, augmentera le champ au voisinage de ses extrémités, mais le diminuera partout ailleurs, puisque les pôles créés dans ce barreau donnent naissance eux-mêmes à un champ de sens contraire au champ primitif ; ce nouveau champ s'appelle un champ démagnétisant.

L'cxislcnce d'un tel champ a un intérêt particulier, parce qu'il permet de protéger un espace déterminé contre l'influence d'un champ magnétique; il suffit, à cet effet, d'entourer cet espace d'un noyau qui s'aimante de telle façon que cette aimantation produise un champ égal et de signe contraire au champ primitif. Ainsi l'on parvient, à Taide d'un cylindre creux formant écran magné-

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tique, à protéger des instruments de mesure contre des champs dont la direction serait normale aux génératrices de ce cylindre ; ainsi encore, on empêche, comme nous le verrons plus loin, la production gênante de phénomènes secondaires dans les dynamos en noyant dans une armature magnétique les tiges conductrices de Tinduit.

La considération du champ démagnétii^ant a, d'ailleurs, permis d'élucider d'autres questions restées longtemps obscures; ainsi, par exemple, elle nous fait bien comprendre pourquoi Taimantation permanente se conserve mieux dans un circuit magnétique fermé que dans un circuit ouvert, et aussi, comme l'ont montré M. Kirstaedter et M. Ascoli, la véritable raison pour laquelle la forme lamellaire, proposée autrefois par Jamin à la suite de remarques incomplètes et même partiellement inexactes, convient particulièrement bien lorsqu'il s'agit d'obtenir des barreaux puissamment aimantés.

On a fait ainsi de nombreuses recherches relatives à Taimantation permanente et l'on connaît aujourd'hui d'une façon précise, grâce aux travaux de MM. Bouty, du Bois, Taylor, etc., et de M"*» P. Curie, quelles sont les meilleures conditions à remplir 'Dur avoir un aimant intense et constant.

L'étude des relations qui existent entre l'aiinantalion et le temps est l'une deâ plus intéressantes et des plus utiles, mais aussi l'une des plus difficiles, qui se puisse faire au sujet du magnétisme.

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M. Warburg revendique avec raison l'honneur d*avoir le premier, en 1880, montré que si Ton soumet un fil de fer à un champ magnétique croissant de zéro à une certaine valeur H, puis décroissant de H à zéro, pour le même champ, l'intensité d'aimentation est plus grande lorsque le champ décroît que lorsqu'il croît, et que, lorsqu'on a répété celle opération plusieurs fois, la représentation graphique de l'intensité en fonction du champ donne une courbe fermée.

Mais c'est Ev^ingqui^par ses importants travaux, a contribué pour la plus grande part à fixer nos connaissances sur ce sujet et qui a donné à ces phénomènes, où apparaît nettement un retard de l'effet sur la cause, le nom expressif, universellement adopté aujourd'hui, d'hystérésis.

Ev^ring a étudié, dans tous leurs détails complexes, ces faits remarquables ; tout le monde sait ce que l'on entend par un cycle d'aimantation, et l'on connaît la forme de la courbe d'hystérésis correspondant à des variations alternatives d'un champ décroissant depuis une certaine valeur H jusqu'à une valeur égale et de signe contraire — H, pour croître ensuite depuis —H jusqu'à + H; mais il est rare que les choses se présentent d'une façon aussi simple. D'autres phénomènes viennent se superposer au phénomène principal et ne doivent pas être confondus avec lui ; ainsi, le phénomène du traînage magnétique, particulièrement sensible dans le cas des champs faibles, et qui consiste en ce que l'aimantation met un certain temps avant de prendre la valeur qui correspond à la nouvelle valeur du

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champ, ainsi encore les phénomènes dus aux courants induits très importants quand les variations du champ sont très fréquentes.

On ne peut que mentionner ici les recherches qui, après celles d'Ewing, ont permis de débrouiller uo peu cet ensemble si complexe, Lord Rayleigh, J. Hopkinson, M. Schmidt, M. Wilson, M. Weihc ont habilement travaillé à cette œuvre difficile ; il convient de citer aussi, d'une façon spéciale, M. Mauraln qui, dans des recherches très ingénieuses et conduites avec une méthode remarquable, a obtenu des résultats fort nets relativement à l'influence de la vitesse de variation du champ sur la forme des (ourbes d'aimantation.

tes phénomènes d'hystérèse ont, dans l'industrie, une grande importance parce qu'ils entraînent une dissipation d'énergie sous forme de chaleur et qu'ils sont ainsi la principale cause de diminution du rendement des machines. M. Warburg avait déjà montré que l'aire de la courbe fermée d'aimantation mesure l'énergie dissipée pendant une période du champ. C'est donc en se plaçant dans des conditions où cette aire sera la plus petite possible que l'on obtiendra le meilleur rendement, et c'est en étudiant la courbe d'aimantation que Ton pourra évaluer l'énergie perdue.

11 convient d'ailleurs d'examiner de très près la question si Ton veut arriver à des conclusions absolument correctes ; de nombreuses expériences ont été faites dont on ne saurait tirer aucun résultat précis, parce que l'on a souvent négligé, comme l'a; fait observer M. Maurain, de tenir un compte suffi-^'

sant du rôle si complexe que jouent dans les noyaux magnétiques, les courants induits.

En pratique, on aune mesure suffisamment approchée de l'énergie dissipée pendant un cycle complet, en mesurant seulement les intensités d'aimantation extrêmes, et en déterminant, pour chaque échantillon, un coefficient spécifique. M. Steinmetz a, en effet, indiqué, en 1892, une formule célèbre qui permettrait, au moyen de ces données, de calculer la perte d'énergie.

La formule ne doit d'ailleurs être considérée que comme approchée et empirique ; divers auteurs M. Ewing, Miss Klaessen, etc., ont montré qu'elle peut conduire à des résultats inexacts, surtout pour les champs très faibles; M. Weiss a indiqué, à la suite de très intéressantes expériences, comment elle devait être modifiée pour représenter, par exemple, les faits qu'il avait observés dans le cas des alliages de fer et d'antimoinel

11 existe d'ailleurs des appareils divers dus à MM. Ewing, Holden, Marcel Deprez, Blondel, appelés hystérésimètres et qui donnent, par une simple lecture, une valeur assez exacte de l'énergie qui se perd, par l'hystérésis, au sein de noyaux placés dans des conditions semblables à celles où ils se trouvent dans les dynamos en marche.