Elément bimétallique pour obtenir des effets mécaniques par magnétostriction On sait que tous les produits magnétiques subissent une variation de dimensions, lors qu'on les soumet à l'action d'un champ magné tique (effet Joule). Cette modification, mesu rée parallèlement au champ appliqué, est, soit un allongement (magnétostriction positive), soit une contraction (magnétostriction négative). Certains matériaux, tels que le fer, voient leur magnétostriction changer de signe suivant la grandeur du champ.
Le coefficient de magnétostrictibn @, gran deur physique, qui mesure l'amplitude du phé nomène, est défini par la variation relative de longueur
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subie par le matériau lorsqu'on le sature ma- gnétiquement.
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<U>Matière</U> <SEP> <B>21</B>
<tb> fer <SEP> ...................... <SEP> - <SEP> 8 <SEP> X <SEP> 10-s
<tb> nickel <SEP> .................... <SEP> - <SEP> 30 <SEP> X <SEP> 10-s
<tb> cobalt <SEP> ....................
<SEP> - <SEP> <B>50</B> <SEP> X <SEP> 10-s
<tb> ferronickel <SEP> à <SEP> 36 <SEP> % <SEP> Ni <SEP> (Invar.) <SEP> -I- <SEP> 15 <SEP> X <SEP> 10-s
<tb> <SEP> à <SEP> 50 <SEP> % <SEP> Ni <SEP> -I- <SEP> 25 <SEP> à <SEP> -I- <SEP> 30 <SEP> X <SEP> 10-<B>6</B>
<tb> <SEP> à <SEP> <B>60</B> <SEP> % <SEP> Ni <SEP> -I- <SEP> 20 <SEP> à <SEP> + <SEP> 25 <SEP> X <SEP> 10-<B>6</B>
<tb> <SEP> à <SEP> 78 <SEP> 9/o <SEP> Ni <SEP> -I- <SEP> 1,5 <SEP> à <SEP> -I- <SEP> 5 <SEP> X <SEP> 10-s La magnétostriction est fréquemment utili- sée pour transformer des phénomènes électri ques ou magnétiques en phénomènes mécani ques.
Parmi les applications les plus répandues, on peut citer la génération des ultrasons pour sondages ma rins, la précipitation des poussières, la des truction des microbes, la production des phénomènes de cavitation, la réalisation de mélanges intimes ou d'émulsions par agi tation magnétostrictive, etc.
Pour ces applications, l'élément actif est un circuit magnétique ouvert ou fermé, feuilleté ou non, constitué d'un métal ou d'un alliage à coefficient de magnétostriction élevé. Mais, quelle que soit la matière choisie, l'amplitude des effets mécaniques est toujours faible. En effet, les coefficients de magnétostriction moyens des produits magnétiques les plus cou rants sont les suivants Si, par exemple, on soumet un barreau de nickel ayant 1 m de long à un champ magnéti que suffisamment intense pour produire la satu ration du métal, ce barreau se raccourcira de 0,003 centimètre.
On a maintenant trouvé qu'il était possible d'engendrer des effets. mécaniques par magné tostriction d'un ordre de grandeur incompara blement plus grand en constituant l'élément actif, non pas d'une matière unique, mais en associant deux métaux ou alliages présentant des coefficients de magnétostriction différents, de façon à constituer un ensemble bimétalli que analogue, dans son aspect et dans son mode de réalisation, aux bilames thermiques.
L'élément bimétallique. faisant l'objet de l'invention, pour obtenir des effets mécaniques par magnétostriction, est caractérisé en ce qu'il est constitué de deux lames en matières métal liques présentant des coefficients de dilatation au moins approximativement égaux et .des vi tesses de propagation des ondes longitudinales calculées par la formule
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dans laquelle E représente le module d'élasti cité et d la densité de la matière considérée, au moins approximativement égales.
Dans ces conditions, il en résulte, comme on le verra plus loin, que sa fréquence propre de vibration n'est pas affectée, en première approximation, par les variations de température auxquelles il peut être soumis et que son amplitude de vi bration est maximum.
L'intérêt d'avoir des vitesses v pratique ment égales consiste dans une meilleure utili sation de phénomènes de résonance. On agit ainsi sur l'amplitude de la vibration et non sur la stabilité de la fréquence. L'égalité des coeffi cients de dilatation; diminue l'effet dé la tem pérature sur la fréquence de vibration, en ce sens qu'elle empêche l'élément bimétallique de se comporter comme un bilame thermique, et de se déformer (section transversale courbe), ce qui modifierait le moment d'inertie interve nant dans le calcul de la fréquence.
Mais cette particularité n'influe évidemment pas sur les variations de dimensions et de module liées aux changements de température, dont les répercus sions sur la fréquence, bien que généralement faibles par rapport à l'effet de courbure, ne peuvent être considérées en toute rigueur comme nulles. C'est pour cela que c'est en première approximation seulement que la fré quence de vibration n'est pas affectée.
De préférence, les deux pièces constitutives de l'élément bimétallique sont soudées- à plat sur toute leur longueur et constituent une lame ou un ruban déformable élastiquement d'épais seur constante.
Dans l'exposé ci-après, on décrira, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'élé ment bimétallique selon l'invention. Les consi dérations préalables suivantes permettront de comprendre les motifs du choix des matières constituant leurs différents éléments.
Soit un élément bimétallique ayant la forme d'une lame de longueur L et d'épaisseur e, constitué de 2 lames soudées à plat<I>A</I> et<I>B,</I> ayant respectivement les coefficients de magné tostriction X.A et .B. Si l'on encastre cet élé ment à l'une de ses extrémités et qu'on le sou mette à l'action d'un champ magnétique, on constate qu'il s'incurve, et la flèche due au changement de courbure croit au fur et à me sure que la grandeur du champ augmente, jus qu'à ce que la saturation magnétique soit at teinte.
Si A est en nickel et B en Invar, que la longueur L est égale à 1 m et l'épaisseur e à 1 millimètre, le calcul et l'expérience montrent que la déflexion totale peut atteindre 3 centi mètres, lorsque les épaisseurs respectives du métal et de l'alliage constituant la lame sont bien choisies, ce qui représente un déplacement mille fois plus grand que celui cité plus haut.
Il est évident que l'élément sera d'autant plus sensible que l'expression<B>U</B><I>-</I> %B sera plus grande, ce qui peut être réalisé en choisis- sant pour A une matière à forte magnétostric tion négative, le nickel par exemple, et pour B une matière à magnétostriction positive élevée, par exemple un ferronickel à 35 - 65 % Ni.
Il est nécessaire de tenir compte du module d'élasticité et de la densité de chacun des mé taux ou alliages constituants. Les applications dynamiques de l'élément bimétallique font in tervenir la fréquence propre de l'élément vi brant, laquelle est, toutes choses égales d'ail leurs, fonction de la vitesse de propagation des ondes longitudinales dans cet élément. Or, on sait que cette vitesse v est donnée par l'expres sion
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dans laquelle E est le module d'élasticité et d la densité de la matière dans laquelle se propa gent les ondes. Cette formule ne s'applique qu'aux ondes -longitudinales, puisque la vitesse des ébranlements transversaux est, en outre, fonction de la lohgueur d'onde et du rayon de giration.
Cette formule ne convient qu'à un échantillon dont la longueur est grande par rap port aux dimensions de la section transversale. Il convient donc de préciser qu'il s'agit ici de la vitesse de propagation des ondes longitudinales.
Pour obtenir une courbe de résonance aiguë, il faut que les vitesses de propagation des ondes dans les deux parties de l'élément soient aussi voisines que possible, ce qui pourra limiter le choix entre plusieurs métaux ou al liages utilisables.
En résumé, le choix des deux métaux ou alliages à associer sera déterminé en tenant compte 1 o de leurs coefficients de magnétostriction respectifs, déterminant la sensibilité de l'élément bimétallique ; 2#, de leurs coefficients de dilatation ; 3o de leur module d'élasticité et de leur den sité. Il n'est pas nécessaire que les deux métaux ou alliages soient magnétiques pourvu que l'un d'eux présente des propriétés magnétostrictives suffisantes ; de même, les deux métaux ou al liages peuvent présenter des coefficients de- magnétostriction de mêmes signes ou de signes contraires.
Il en résulte que les éléments bimétalliques peuvent être classés dans l'une des trois caté gories suivantes présentant respectivement des déflexions croissantes I - Eléments formés par l'association d'un métal ou . alliage à magnétostriction positive ou négative élevée avec un métal ou alliage à magnétostriction de même signe, mais très faible (ou nulle).
II - Eléments formés par l'association d'un métal ou alliage à magnétostriction éle vée, positive ou négative, avec un métal ou alliage non magnétique.
III - Eléments formés par l'association de deux métaux ou alliages magnétiques, l'un à magnétostriction positive, l'au tre à magnétostriction négative.
Envisageons alors deux formes d'exécution formées chacune d'un élément bimétallique du type III.
Dans la première forme d'exécution, où f.on recherche seulement une sensibilité élevée, on associera, par exemple par laminage à chaud, le nickel (7,, = - 30 X 10-s) à un fer- ronickel à 50 % Ni (J. = -i- 25 à 30 X. 10-6)..
Dans la deuxième forme d'exécution, où l'on veut, en outre, que l'élément soit thermi- quement compensé, on substituera à l'alliage à 50 % un ferronickel à 60 % Ni, dont le-co- efficient de magnétostriction est un peu plus faible (k. = 20 à 25,10-0), mais dont le coeffi cient de dilatation est beaucoup plus proche de celui du nickel,
comme le montre le tableau ci-dessous. Ce dernier montre aussi que la vi tesse de propagation des ondes est également rendue plus voisine de celle du nickel.
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<I>A <SEP> B <SEP> <U>C</U></I>
<tb> Ferronickel <SEP> Ferronickel
<tb> Nickel <SEP> à <SEP> 60 <SEP> % <SEP> Ni <SEP> à <SEP> 50 <SEP> % <SEP> Ni
<tb> Coefficient <SEP> de <SEP> dilatation <SEP> à <SEP> 00 <SEP> C <SEP> <B>....</B> <SEP> 12,4 <SEP> X <SEP> 10-0 <SEP> -11,5 <SEP> X <SEP> 10-0 <SEP> 10,0 <SEP> X <SEP> 10-0
<tb> Module <SEP> d'élasticité <SEP> dynes/cm2 <SEP> .. <SEP> . <SEP> <B>...</B> <SEP> 20 <SEP> 700 <SEP> X <SEP> 10$ <SEP> 18 <SEP> 050 <SEP> X <SEP> 10s <SEP> 16 <SEP> 680 <SEP> X <SEP> 10s
<tb> Densité <SEP> g/em3 <SEP> .... <SEP> . <SEP> . <SEP> ... <SEP> . <SEP> .. <SEP> . <SEP> .
<SEP> <B>....</B> <SEP> 8,90 <SEP> 8,33 <SEP> 8,22
<tb> Vitesse <SEP> de <SEP> propagation <SEP> des <SEP> ondes <SEP> Ion gitudinaies <SEP> .m/seconde <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 4820 <SEP> 4660 <SEP> 4500 Les coefficients de dilatation, respective ment les vitesses de propagation des ondes longitudinales, sont approximativement égaux dans les exemples donnés ci-dessus.
On remarquera que la différence entre les coefficients de dilatation des matières consti tuant la deuxième forme d'exécution (colonnes <I>A</I> et B) n'excède pas 15 % de la valeur du plus grand d'entre eux et la différence entre les vi tesses de propagation des ondes n'excède pas 6 % de la valeur de la plus grande d'entre elles.