Permanent magnet configurations outperform classical arrangement to deliver strong and homogeneous fields
Les configurations d'aimants permanents surpassent les configurations classiques pour produire des champs magnétiques puissants et homogènes
Par l'Université Johannes Gutenberg de Mayence
Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Système magnétique « focalisé » composé de deux anneaux superposés, chacun doté de 16 cuboïdes magnétiques FeNdB (20 mm de côté). Le diamètre intérieur est de 160 mm et le champ magnétique de 20 mT présente une homogénéité d'environ 5 ‰ sur un volume sphérique de 50 mm de diamètre. Crédit : Peter Blümler
Les physiciens Ingo Rehberg de l'Université de Bayreuth et Peter Blümler de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence ont développé et validé expérimentalement une approche innovante pour générer des champs magnétiques homogènes à l'aide d'aimants permanents.
Leur méthode surpasse la disposition classique de Halbach, optimale uniquement pour les aimants infiniment longs et donc irréalisables, en produisant des intensités de champ plus élevées et une homogénéité améliorée dans des configurations compactes et de taille finie.
L'étude, publiée dans Physical Review Applied, met en lumière des avancées significatives dans les sciences appliquées à l'intersection de la physique, de l'ingénierie, de la science des matériaux, de la chimie, de la biologie et de la médecine.
Une nouvelle approche pour l'homogénéisation du champ magnétique
Des champs magnétiques homogènes peuvent être générés sur des zones spatiales relativement vastes grâce à la disposition ciblée d'aimants permanents.
Un exemple bien connu de conception efficace est le réseau dit de Halbach. Cependant, cette approche repose sur l'hypothèse idéalisée selon laquelle des aimants très longs, idéalement infiniment longs, (dipôles linéaires) peuvent être disposés en cercle de telle sorte que les contributions individuelles se superposent pour produire un champ magnétique homogène dans la région centrale.
Dans les applications pratiques, utilisant des aimants de longueur finie, le champ résultant s'écarte considérablement de cet idéal : l'intensité du champ à l'intérieur du cercle varie considérablement selon la position.
La géométrie classique de Halbach est donc clairement sous-optimale pour des agencements d'aimants compacts et réalisables en pratique, lorsque l'objectif est d'obtenir le champ magnétique le plus puissant et/ou le plus uniforme possible.
Dans leurs travaux, Peter Blümler et Ingo Rehberg présentent des agencements tridimensionnels optimaux d'aimants très compacts, idéalisés par des dipôles ponctuels. En vue d'applications possibles, ils ont notamment étudié l'orientation optimale des aimants pour deux géométries pertinentes pour une utilisation pratique : un anneau simple et un anneau double empilé.
Une conception dite « focalisée » permet en outre de générer des champs homogènes hors du plan magnétique, par exemple dans un objet placé au-dessus des aimants.
Pour ces nouveaux agencements, Rehberg et Blümler ont développé des formules analytiques, qu'ils ont ensuite validées expérimentalement. À cette fin, ils ont construit des réseaux d'aimants à partir de 16 cuboïdes FeNdB montés sur des supports imprimés en 3D. Les champs magnétiques obtenus ont été mesurés et comparés aux prédictions théoriques, révélant une excellente concordance.
En termes d'intensité du champ magnétique et d'homogénéité, les nouvelles configurations surpassent clairement la disposition classique de Halbach ainsi que ses modifications décrites dans la littérature.
Cependant, les aimants supraconducteurs sont techniquement complexes et extrêmement coûteux, ce qui rend cette technologie difficilement accessible dans de nombreuses régions du monde.
Pour de tels cas, des recherches intensives sont en cours afin de développer des méthodes alternatives de génération de champs magnétiques homogènes à l'aide d'aimants permanents – un domaine auquel la présente étude apporte une contribution prometteuse. D'autres domaines d'application potentiels incluent les accélérateurs de particules et les systèmes de lévitation magnétique.
Plus d'informations : Ingo Rehberg et al., Analytic
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COMMENTAIRES
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More information: Ingo Rehberg et al, Analytic approach to creating homogeneous fields with finite-size magnets, Physical Review Applied (2025). DOI: 10.1103/9nnk-jytn. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2502.18262
Journal information: Physical Review Applied , arXiv
Provided by Johannes Gutenberg University Mainz
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