Les courants de Foucault sont les courants induits dans les masses de métaux conducteurs qui sont immergés dans un champ magnétique variable ou qui, en mouvement, traversent un champ magnétique constant ou variable. Dans tous les cas, c'est la variation du flux magnétique qui génère ces courants. Le phénomène a été découvert par le physicien français Jean Bernard Léon Foucault en 1851.
En haute fréquence : utilisation de noyaux avec des matériaux magnétiques à faible conductivité électrique (comme la ferrite).
Les courants de Foucault créent des pertes d'énergie par effet Joule. Plus précisément, ces courants transforment des formes d'énergie utiles, telles que la cinétique, en chaleur indésirable, il s'agit donc généralement d'un effet inutile, voire nocif. À leur tour, ils diminuent l'efficacité de nombreux appareils qui utilisent des champs magnétiques variables, tels que les transformateurs à noyau de fer et les moteurs électriques. Ces pertes peuvent être considérablement réduites.
Comment fonctionnent les courants de Foucault ?
Les courants de Foucault sont causés par le mouvement (ou la variation) du champ magnétique qui traverse un conducteur. Le mouvement relatif génère la circulation des électrons, c'est-à-dire le courant, dans le conducteur, selon la loi de Faraday. Ces électrons, se déplaçant en tourbillons, génèrent à leur tour un champ magnétique dans le sens opposé à la variation du champ magnétique appliqué (voir la loi de Lenz). Le phénomène s'accentue :
- avec l'augmentation du champ magnétique appliqué (s'il est sinusoïdal au carré de l'amplitude)
- Avec l'augmentation de la conductivité du conducteur traversé par le champ magnétique.
- Avec une vitesse relative croissante entre le champ magnétique et le conducteur.
- si le champ magnétique est périodiquement variable avec une fréquence croissante (s'il est sinusoïdal de loi proportionnelle au carré de la fréquence)
Dans ce cas, plus l'intensité des courants tourbillonnaires qui se développent et plus le champ magnétique qu'ils génèrent est fort (et s'oppose au champ magnétique d'origine).
Le courant qui se développe dans le conducteur a une forme rotative car les électrons sont soumis à la force de Lorentz, qui est perpendiculaire à la direction des électrons en mouvement. Par conséquent, ils pivotent vers la droite ou vers la gauche, selon la direction du champ appliqué et la variation du champ croissante ou décroissante. La résistivité du conducteur amortit ces courants.
Les courants de Foucault génèrent des pertes d'énergie en chauffant le conducteur (effet Joule). Ce phénomène dans de nombreuses applications est négatif car cette génération de chaleur n'a pas d'effet utile. Par exemple, dans les transformateurs et les moteurs électriques, une diminution du rendement est déterminée.
Ces pertes peuvent être atténuées en choisissant un noyau magnétique à faible conductivité (par exemple ferrite, acier au silicium) ou en subdivisant le noyau magnétique en couches minces isolées électriquement (stratification). De cette façon, les électrons ne peuvent pas traverser la couche isolante entre les tôles et la zone délimitée par leur chemin est réduite.
Ainsi, plus le nombre de tôles par unité de surface, parallèlement au champ magnétique appliqué, est important, plus la réduction des courants vagabonds est importante. Les pertes parasitaires actuelles ne sont pas toujours un phénomène indésirable.
Exemples d'utilisation de courants de Foucault
- Le frein magnétique utilisé dans les trains et les manèges. Dans le premier cas, lors du freinage, un champ magnétique est appliqué à la roue métallique par un électro-aimant qui génère des courants de fuite dans la roue. Ces courants rencontrent une résistance pour traverser le métal générant de la chaleur, ce qui augmente la friction, permettant un freinage plus intense avec moins de risque de patinage des roues sur les pistes. Dans le second cas, on utilise des aimants permanents, à travers lesquels passe une lame d'un métal bon conducteur (cuivre ou aluminium).
- Trains à lévitation électromagnétique utilisant des moteurs linéaires.
- Recyclage des déchets : utilisé pour séparer les canettes en aluminium, induisant un champ magnétique dans celles-ci.
- Supraconducteurs. Les supraconducteurs génèrent des courants sans pertes. Les courants vagabonds qui sont produits sont égaux et opposés au champ magnétique externe, ils sont donc nuls, ce qui permet la lévitation magnétique.
- Essais structurels non destructifs (CND). Les courants vagabonds sont couramment utilisés pour les essais non destructifs et pour examiner les défauts d'un grand nombre de structures métalliques, par exemple : les échangeurs de chaleur, les cellules et autres pièces structurelles des aéronefs.
- Générer de la chaleur dans les fours à induction.
- Cuisinières à induction.
- Systèmes électroniques de reconnaissance de pièces (distributeurs automatiques).
- Micros dynamiques.
- Capteurs de proximité.