Pertes par hystérésis

Les pertes par hystérésis sont des pertes d’énergie qui se produisent dans les matériaux ferromagnétiques tels que le fer lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique qui varie périodiquement. Elles font partie de ce que l’on appelle les pertes ferreuses et apparaissent notamment dans les composants qui fonctionnent à l’énergie électrique. Les pertes sont dues au fait que l’aimantation d’un matériau ne suit pas immédiatement et sans perte le champ magnétique extérieur. Cet effet est appelé hystérésis. L’énergie ainsi perdue est convertie en chaleur.

Contexte physique

Les pertes par hystérésis trouvent leur origine dans la physique des matériaux ferromagnétiques. Ceux-ci sont constitués de domaines magnétiques, c’est-à-dire de minuscules zones dans lesquelles les moments magnétiques sont orientés de la même manière. Lorsqu’un champ magnétique externe est généré, par exemple par le passage d’un courant dans une bobine, ces domaines réagissent au champ.

Lorsqu’un cycle d’aimantation est entièrement parcouru, la densité de flux magnétique (B) en fonction de l’intensité du champ magnétique (H) décrit une courbe fermée, la boucle d’hystérésis. Celle-ci constitue une fonction fondamentale pour décrire le comportement magnétique. La surface de cette boucle correspond à l’énergie perdue par cycle.

Pertes

Les pertes par hystérésis résultent de plusieurs processus microscopiques dans le matériau. Le mouvement des parois du domaine est particulièrement important. Celles-ci doivent surmonter des résistances internes causées par des défauts du matériau ou des tensions.

De plus, il y a une rotation des moments magnétiques à l’intérieur des domaines. Ce processus nécessite également de l’énergie. Comme ces processus ne sont pas totalement réversibles, il en résulte une perte d’énergie.

Ces pertes se produisent en même temps que d’autres types de pertes, telles que les pertes par courants de Foucault, et sont donc souvent considérées comme faisant partie des pertes totales de fer. En outre, d’autres pertes supplémentaires peuvent se produire en raison d’interactions complexes dans le matériau.

Facteurs d’influence

L’importance des pertes par hystérésis dépend de plusieurs facteurs. Un point central est le matériau utilisé. Les matériaux magnétiques doux spéciaux, tels que l’acier pour transformateurs, génèrent moins de pertes que les matériaux magnétiques durs.

La fréquence du courant a également une grande influence. Plus le champ magnétique varie rapidement, plus le mécanisme de perte se produit fréquemment. De même, la magnétisation maximale joue un rôle.

La température, les contraintes mécaniques et la qualité du matériau influencent également les pertes. Ces facteurs sont souvent étudiés dans le cadre d’analyses et de mesures techniques en électrotechnique afin de déterminer précisément le comportement des matériaux.

Signification dans la pratique

Les pertes par hystérésis sont importantes dans de nombreuses applications techniques, notamment dans les transformateurs, les moteurs électriques et les générateurs. Dans tous ces appareils, le flux de courant est utilisé pour générer des champs magnétiques, ce qui entraîne inévitablement des pertes.

Il en résulte un échauffement et une réduction de l’efficacité des systèmes. Dans les applications industrielles, même de petites pertes peuvent avoir un impact important, car elles s’accumulent sur de longues périodes de fonctionnement. Dans ce cas, on utilise souvent des tôles spécialement fabriquées pour réduire l’ensemble des pertes.

C’est pourquoi la compréhension de cet effet physique est cruciale pour le développement de machines électriques efficaces.

Réduction des pertes par hystérésis

Pour minimiser les pertes, des matériaux spéciaux sont utilisés, notamment des alliages magnétiques doux comme l’acier au silicium. Ces matériaux se caractérisent par une boucle d’hystérésis étroite et réduisent ainsi les pertes d’énergie.

Le traitement du matériau joue également un rôle. Les traitements thermiques permettent de réduire les tensions internes. En outre, la conception des composants est optimisée afin de minimiser les pertes globales.

Dans la pratique, ces mesures sont souvent combinées afin de réduire au maximum à la fois les pertes ferreuses, les pertes par courants de Foucault et les pertes supplémentaires.

Résumé

Les pertes par hystérésis sont un élément central des pertes dans le fer des matériaux ferromagnétiques. Elles résultent de processus physiques lors de la réaimantation et entraînent la conversion d’énergie en chaleur. Cet effet se produit partout où des champs magnétiques sont générés. Cependant, le choix ciblé des matériaux, le fonctionnement optimisé des composants et la précision des mesures permettent de réduire considérablement ces pertes, notamment dans le domaine de l’électrotechnique.