Courants de Foucault

On appelle courants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu (le flux du champ à travers le milieu), soit par un déplacement de cette masse dans un champ magnétique constant. Ils sont une conséquence de l'induction magnétique.

Ce phénomène a été découvert par le physicien français Léon Foucault en 1851.

Les courants de Foucault sont responsables d'une partie des pertes (pertes par courant de Foucault) dans les circuits magnétiques des machines électriques alternatives et des transformateurs. C'est la raison pour laquelle les circuits magnétiques sont feuilletés : on cherche à limiter ces courants pour éviter trop de pertes par effet Joule. On améliore ainsi le rendement des transformateurs.

Principe

Le champ magnétique variable au cours du temps est responsable de l'apparition d'une force électromotrice à l'intérieur du milieu conducteur. Cette force électromotrice induit des courants dans la masse. Ces courants ont deux effets :

• ils provoquent un échauffement par effet Joule de la masse conductrice ;
• ils créent un champ magnétique qui s'oppose à la cause de la variation du champ extérieur (loi de Lenz).

Lorsque la variation de flux est due à un déplacement du milieu devant un champ magnétique constant, les courants de Foucault sont responsables de l'apparition de forces de Laplace qui s'opposent au déplacement, d'où l'effet de freinage observé.

La puissance perdue par unité de volume du fait des courants de Foucault dans un matériaux de résistivité ρ, d'épaisseur e et soumis perpendiculairement à un champ magnétique d'amplitude B_max variant sinusoïdalement au cours du temps avec une fréquence f est donnée par la relation suivante :

Pour un circuit magnétique composés d'un empilage de tôles, il convient d'ajouter un coefficient de remplissage inférieur à 1 : une partie du volume du circuit magnétique correspond à la résine qui isole les plaques les unes des autres et qui ne doit pas être pris en compte pour le calcul des pertes.

Applications

Freinage

Frein à courants de Foucault sur un train rapide japonais Shinkansen.

Des systèmes de freinage à courants de Foucault sont utilisés notamment sur les véhicules poids lourds et sur les autocars sous le nom de « ralentisseur », ou sous le nom commercial Telma, marque d'un important fabricant de ce système de freinage. Le premier brevet de ralentisseur électromagnétique a été déposé par Steckel en 1903. Raoul Sarazin a réalisé en 1936 la première application pratique sur véhicule d'un ralentisseur utilisant le principe des courants de Foucault.

Des disques solidaires des roues sont encadrés par des électroaimants fixés au véhicule. Lorsque ceux-ci sont mis sous tension, les courants induits dans les disques vont générer un couple de freinage. Ces freins sont intéressants du fait des économies d'entretien : rareté des réglages et quasi absence d'usure (pas de contact, pas de frottement mécanique). Néanmoins ce type de freinage n'est efficace que si la vitesse est élevée et ils ne peuvent en aucun cas permettre le blocage d'un véhicule à l'arrêt. C'est pour cela qu'ils sont doublés de freins classiques, à frottement, et que les roues ne peuvent se bloquer (comme dans le cas de ABS). L'inconvénient est que l'énergie est dissipée par effet Joule sous forme de chaleur et donc non récupérée.

Dans les chemins de fer, la rame à grande vitesse ICE 3 de la Deutsche Bahn utilise un système de freins à courant de Foucault comme système de frein de service sur certaines lignes nouvelles, et comme système de freinage d'urgence ailleurs.

Chauffage

Le chauffage par induction est produit par les courants de Foucault induits dans la pièce à chauffer. Ce type de chauffage est donc réservé aux matériaux conducteurs. Il est par exemple utilisé dans les plaques de cuisson à induction, et également en métallurgie avec les fours à induction qui chauffent le minerai jusqu'à sa température de fusion.

Brasage

Dans le cas du brasage par induction, on place les éléments à braser dans un champ électro-magnétique puissant pour chauffer les pièces ainsi que le métal d'apport.

Autres applications

Ancien compteur électrique français (EDF).

• Les compteurs EDF ancien type (à roue dentée) utilisent le principe des courants de Foucault.
• On utilise les propriétés des courants de Foucault pour réaliser des capteurs de distance sans contact. Ils sont généralement constitués d'une bobine excitée à haute fréquence (200 kHz à 2 MHz), la proximité d'une pièce conductrice en modifie l'inductance, la mesure de cette inductance permet de déterminer la distance de la pièce mesurée.
• Les courants de Foucault sont également utilisés en contrôle non destructif, par exemple pour la détection des fissures dans les pièces métalliques comme les rails ferroviaires. En effet, en cas de défaut internes, les courants de Foucault sont différents, ce qui se traduit par une modification du champ magnétique induit. Ce principe de détection est utilisé pour le contrôle de la qualité de fabrication des lames des armes d'escrime sportive^[1].
• Certains compteurs de vitesse à aiguille utilisent également les courants de Foucault : un aimant est relié à une roue, cette roue est entourée par un tube métallique sur lequel est fixé une aiguille, le tube pivotant autour de son axe est retenu par un ressort en spirale, lequel est chargé de ramener l'aiguille à zéro. Plus la roue tourne vite, plus la force exercée sur le ressort est grande, et plus l'aiguille s'éloigne de sa position initiale.

Références

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