Perméabilité magnétique

La perméabilité magnétique, en électrodynamique des milieux continus en régime linéaire, caractérise la faculté d'un matériau à modifier un champ magnétique ${\vec {B}}$, c’est-à-dire à modifier les lignes de flux magnétique. Cette valeur dépend ainsi du milieu dans lequel il est produit, où le champ magnétique varie linéairement avec l'excitation magnétique ${\vec {H}}$.

Perméabilité magnétique

Comparaison simplifiée des perméabilités : ferromagnétique (μ_f), paramagnétique (μ_p), espace libre (μ₀) et diamagnétique (μ_d).

Inversement, en réponse à un champ magnétique ${\vec {B}}$ de valeur imposée, le matériau répond par une excitation magnétique ${\vec {H}}$ d'autant plus intense que la perméabilité magnétique est faible. Le principe de moindre action veut alors que les lignes de champ suivent préférentiellement les trajectoires passant par des zones de perméabilité magnétique forte.

La canalisation du champ magnétique dans un matériau qui est également conducteur est d'autant plus réduite que la fréquence de variation des champs, la perméabilité et la conductivité sont élevées, du fait des courants induits.

Relation de constitution

Si un champ magnétique ${\vec {B}}$ traverse un matériau « linéaire », il est relié au champ d'excitation magnétique ${\vec {H}}$ par la relation dite « constitutive » :

${\vec {B}}=\mu \,{\vec {H}}$

où µ est la perméabilité magnétique du matériau. La perméabilité magnétique se mesure en henrys par mètre (H·m⁻¹ ou H/m).

Cette relation de constitution pratique n'est pas universelle. Y échappent notamment les cycles d'hystérèse, les phénomènes de saturation, les milieux biréfringents, les milieux chiraux et les milieux optiques non linéaires.

La perméabilité magnétique du matériau $\mu$ s'exprime par le produit de la perméabilité du vide $\mu _{0}$ (qui s'exprime également en H/m) et de la perméabilité relative du matériau $\mu _{\mathrm {r} }$ (sans dimension) :

$\mu =\mu _{0}\,\mu _{\mathrm {r} }$

où

• $\mu _{0}$ est une constante universelle, la constante magnétique (ou perméabilité magnétique du vide), qui vaut 4π × 10⁻⁷ H/m ;
• $\mu _{\mathrm {r} }$ dépend du matériau.

Dans l'air, le vide, les gaz, le cuivre, l'aluminium, la terre et d'autres matériaux, $\mu _{\mathrm {r} }$ est approximativement égal à 1, ces matériaux ne pouvant alors canaliser le champ magnétique.

Perméabilité et type de magnétisme

On distingue les matériaux diamagnétiques (argent, cuivre, eau, or, plomb, zinc...), paramagnétiques (air, aluminium, magnésium, platine...) et ferromagnétiques (cobalt, fer, mu-métal, nickel...).

En général, les matériaux diamagnétiques et paramagnétiques présentent des valeurs de perméabilité relative proche de 1. La perméabilité absolue $\mu$ des matériaux diamagnétiques et paramagnétiques est donc pratiquement égale à celle du vide, c'est-à-dire 4 π e⁻⁷ H/m.

La perméabilité des matériaux ferromagnétiques n'est pas constante mais dépend de l'excitation magnétique ${\vec {H}}$. Pour de faibles valeurs de ${\vec {H}}$, la valeur de $\mu _{r}$ reste plutôt basse (on parle de seuil avant que le champ d'excitation H ne produise une induction B significative), mais elle croît avec la valeur de ${\vec {H}}$ en passant par un maximum et peut ensuite redevenir unitaire au-delà d'un autre seuil en raison d'une saturation (on parle alors de « saturation magnétique »). C'est pourquoi nous indiquons des valeurs maximales de perméabilité relative dans le tableau ci-dessous.

Perméabilité magnétique relative de matériaux ferromagnétiques à 20 °C

Matériaux ferromagnétiques	µr (valeur maximale)	Température de Curie en °C
Cobalt	250	1 130
Fer	5 000	770
Mu-métal	100 000	420
Nickel	600	358

Influence de la température

Les matériaux ferromagnétiques présentent une température caractéristique, la température de Curie T_c, au-dessus de laquelle ils perdent leur propriété ferromagnétique pour redevenir paramagnétiques. Le tableau précédent liste quelques valeurs.

Remarque

Si $c$ est la vitesse de la lumière (dans le vide) et $\varepsilon _{0}$ est la permittivité (du vide), on a la relation $c^{2}\varepsilon _{0}\mu _{0}=1$.

Perméabilité magnétique de matériaux

Perméabilité magnétique de quelques matériaux

Matériaux Perméabilité μr Perméabilité μ [H/m] Susceptibilité magnétique χm Supraconducteurs 0 0 -1 Bismuth 0,999 834 -1,66 × 10−4 Eau 0,999 992 1,256 627 0 × 10−6 -8,0 × 10−6 Cuivre 0,999 994 1,256 629 0 × 10−6 -6,4 × 10−6 -9,2 × 10−6 Saphir 0,999 999 76 1,256 636 8 × 10−6 -2,1 × 10−7 Hydrogène 1,000 000 0 1,256 637 1 × 10−6 -2,2 × 10−9 Vide 1 (par définition) 4 × 10−7 π ou 1,256 637 1 × 10−6 0 Téflon 1,000 0 1,256 7 × 10−6 Air 1,000 000 37 Bois 1,000 000 43 Aluminium 1,000 022 1,256 665 0 × 10−6 2,22 × 10−5 Platine 1,000 265 1,256 970 1 × 10−6 Aimant au néodyme 1,05 Ferrite (nickel-zinc) 16 – 640 2,0 × 10−5 – 8,0 × 10−4 Acier 100 – 600 1,26 × 10−4 – 7,54 × 10−4 Nickel 100 – 600 1,26 × 10−4 – 7,54 × 10−4 Ferrite (manganèse-zinc) ≥ 640 > 8,0 × 10−4 Fer doux 4 000 5,0 × 10−3 Permalloy 8 000 1,0 × 10−2 8 000 Mu-métal 20 000 – 50 000 2,5 × 10−2 Metglas (en) 1 000 000 1,25

 

Notes et références

Articles connexes

• Perméabilité du vide
• Magnétostatique
• Susceptibilité magnétique
• Permittivité
• Réluctance
• Ferromagnétisme