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3 - Micros et circuits magnétiques.
Notions inconnues ou mal connues.
Influence des aimants et pièces polaires.

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Voir également les autres pages sur le magnétisme:

1 - Le magnétisme pour tous
2 - Les micros électromagnétiques pour guitare
3 - Notion de "circuits magnétique" (cette page)
4 - Couplage magnétique de bobines ou micros5 - Association série ou parallèle de circuits RLC
6 - Cas particulier du "humbucker" ou "humbucking"7 - Configurations relatives de deux micros adjacents
8 - Bibliographie



Théorie - Theory

  Milieux magnétiques et ferromagnétiques "doux"

Les fabricants de micros pour guitare électrique utilisent couramment deux types de matériaux aux propriétés magnétiques différentes:

  1. Les matériaux ferromagnétiques au sens propre, à base d'alliages ferreux dits "fers durs" ou à base de ferrites ou autres céramiques. Leur propriété principale est de conserver facilement l'aimantation qui leur est imposée, afin de constituer des aimants dits "aimants permanents". En contrepartie, le champ dit coercitif nécessaire à leur désaimantation est élevé.
  2. A l'inverse, les matériaux ferromagnétiques "doux", à base d'alliages ferreux dit "fers doux", possèdent la propriété de s'aimanter et de se désaimanter facilement, leur champ coercitif restant très faible. Associés à des aimants permanents, il permettent de constituer des "aimants non permanents", qui s'aimantent ou se désaimantent en fonction de leur proximité ou leur éloignement avec les véritables aimants: les aimants permanents.
    De telles pièces en fer doux immergées dans un champ magnétiques, acquérant (un ou plusieurs) pôles provisoires par aimantation induite, sont appelées pièces polaires.

Chronique de la connerie ambiante concernant les pôles magnétiques terrestres

Certaines vérités élémentaires restent cachées, même dans les traités scientifiques les plus prisés.

Il m'est arrivé d'essayer de nommer l'orientation (Nord ou Sud) du pôle d'un aimant de guitare à l'aide d'une boussole. Et bien, mes petits chéris, j'ai buté sur la définition scientifique du pôle nord d'un aimant.

D'après mes vénérés manuels, et par définition, le pôle nord d'une boussole (coloré en sombre) est celui qui se dirige vers le Nord géographique, ou plutôt, vers ce qui est nommé "pôle Nord magnétique terrestre".

Mais, comme un pôle attire son contraire, le pôle Nord magnétique serait donc un pôle Sud ????

Et bien, mes chouchounets chéris, j'en ai trouvé la confirmation sur la "grande la rousse en 6 clopédique(s) et en 12 volumes" qui avoue, au chapitre "aimant", que, par suite des conventions:

"L'aimant équivalent magnétiquement à la Terre doit être considéré comme ayant son pôle Sud orienté vers la région Nord du globe, bien que l'habitude soit définitivement prise de continuer à l'appeler pôle magnétique Nord".

Il est donc avéré, comme je le supputais, que:

LE "PÔLE NORD MAGNÉTIQUE TERRESTRE" EST, EN RÉALITÉ, UN "PÔLE SUD MAGNÉTIQUE".

Pouvaient pas l'écrire plus tôt, ces savants pas si savants que ça ???

  • Et dire que j'ai eu la mention "bien" au "certif d'électricité", à la fac, sans même soupçonner ce pataquès!!!

Quelle honte, j'ai découvert bien plus tard qu'on nous cache tout, on nous dit rien, ... simplement en bidouillant les grattes.

Heureusement, Wikipedia s'est enfin (et seulement au 21ième siècle) préoccupé de remettre le pôle Nord à l'heure.

Champs magnétique, électrique et électromagnétique

Il est d'usage courant, chez les journalistes incompétents (pléonasme ?) de confondre les trois types de champ, qui sont pourtant de nature complètement différentes.

  • Pour le guitariste le "champ magnétique" (variable ou continu), ou mieux dit "induction magnétique", est le medium (singulier du mot media), qui transmet la vitesse de vibration des cordes (corps ferromagnétiques) au micro. Il est associé au phénomène d'aimantation.
    Quand il est indésirable, il se manifeste sous forme de bourdonnement (hum). Exemple, bourdonnement obtenu en rapprochant une guitare électrique d'un téléviseur.
  • Au contraire, le "champ électrique" (variable ou continu) est insensible à l'aimantation, il est associé aux phénomènes dits d'électricité "statique". Quand il est indésirable, il se manifeste sous forme de grésillement aigu. Exemple, grésillement obtenu en rapprochant une guitare électrique d'un tube au néon... allumé, évidemment.
  • Le "champ électromagnétique", quant à lui, est une combinaison des deux autres, toujours associée à un phénomène de propagation. Exemple... la lumière, les ondes radios, etc. Par essence, il est toujours variable et se propage à la vitesse de la lumière. Oublions-le pour ce qui nous concerne.
    NB: à ne pas confondre avec un "artefact électromagnétique", concerné par une interaction entre champ magnétique et courant. Sauf en hautes fréquences, un tel artefact ne donne pas lieux à propagation appréciable.

Une des applications de ces distinguos se retrouve dans le rôle attribué aux capots des micros.
D'après la théorie, si un blindage est efficace contre les champs électriques, il n'a qu'un faible pouvoir sur les champs magnétiques. Les capots de vos micros sont donc incapables de neutraliser les ronflements, mais, par contre il sont très efficaces contre les divers "buzz" qui vous tracassent.
Evitez donc de les déposer, même s'ils créent une (très faible) capacité dite "de fuite" qui affaiblit (très peu, voire insensibmeùent) les aigus.

Dans la suite il ne sera question, quasi uniquement, que de champ magnétique et, très rarement, de champ électrique.
Mais presque jamais de champ électromagnétique, malgré l'adjectif trompeur des micros abusivement dits "électromagnétiques".

La seule exception est le cas surprenant, mais relativement banal, d'un ampli ou d'un micro dont une soudure mal faite "détecte", par redressement, les ondes électromagnétiques et fait entendre la radio dans les haut-parleurs, comme le faisaient les antiques postes à galène dans des écouteurs.

Introduction du rôle du champ

Le "son" d'un micro dépend évidemment de ses caractères purement électriques (impédance), mais également de la nature de ses aimants et pièces polaires.

C'est un fait que la littérature ignore souvent, faisant exhaustivement appel à la qualité des vernis entourant le fil, au nombre de tours d'un bobinage etc., pour justifier la qualité d'un micro.

Certains font cependant allusion au type des aimants, au type de leur aimantation, à leur vieillissement etc., dans leurs commentaires.

Mais personne ne songe à faire appel à une caractéristique drastique: la topologie du champ magnétique.
Tout se passe comme si cet élément, directement invisible, n'existait pas.
Or, le moteur réel d'un micro est le champ magnétique, dont l'intensité et, surtout,  la forme sont déterminants.

Aimants permanents et pièces polaires: le circuit magnétique.

I- Cas d'un aimant permanent:

Lignes de champ d'un aimant permanent, formées de boucles qui se refermeraient toutes sur elles-mêmes ... si le dessin était assez grand.

"Spectre magnétique" réel, dessiné par de la limaille de fer.

NB: A l'intérieur de la matière, mais vues de l'extérieur, les lignes de champ semblent aller du Sud vers le Nord . Mais l'expérience de pensée (toujours confirmée expérimentalement) dans laquelle on suppose la boussole plongée dans une petite "cavité idéale", montre que cette "cavité idéale" serait analogue à un aimant de sens opposé à l'aimant principal. La figure suivante montre bien le sens réel des lignes de champ orientées comme les boussoles, vues de l'extérieur et vues de l'intérieur. On constate bien l'opposition des deux boussoles qui permettent aux lignes de champ de se boucler sur elles-mêmes, avec continuité du sens d'orientation.

Les deux boussoles respectivement placées:

  • à l'extérieur d'un aimant,
  • à l'intérieur, dans une "cavité idéale".

II - Cas d'un aimant permanent accolé à une pièce polaire:

Dans le cas général, le champ magnétique produit par les aimants permanents est guidé par des pièces polaires (qui peuvent souvent être de simples vis) ferromagnétiques, initialement non aimantées, mais qui le deviennent par immersion dans le champ produit par les aimants permanents.

Ces pièces polaire, qui perdent pratiquement toute aimantation hors des aimants proprement dits, se comportent donc comme des aimants non permanents, mais uniquement quand elles sont accolées à de véritables aimants.

Lignes de champ d'un assemblage (dit circuit magnétique) composé d'un aimant permanent (hachuré en noir) en matériau magnétique (généralement fer dit "dur", voire ferrite),
accolé à une pièce polaire (non hachurée) en matériau ferromagnétique "doux".

L'ensemble accolé se comporte alors comme un seul aimant rallongé, parfois dénommé "circuit magnétique", qui prolonge son action dans l'espace, voire jusqu'à l'infini.

Mais désassemblés, seuls les aimants permanents restent magnétisés, contrairement aux pièces polaires.

L'expérience de "l'aimant brisé", qui fait apparaître un nouvel aimant portant deux nouveaux pôles après chaque nouvelle brisure, ne s'applique donc pas aux pièces polaires en fer doux. En conséquence, si une pièce polaire semble momentanément déplacer le pôle d'un aimant qui lui est éventuellement associé, à proprement parler, elle ne possède pas de pôle qui lui serait intrinsèquement attribué.

  • Image de "l'aimant brisé", analogue celle du "circuit magnétique", avec un seul pôle Nord et un seul pôle Sud.

  • Dédoublé, apparaissent deux pôles supplémentaires.
  • L’opération de dédoublement reste réversible.

  • Image du "circuit magnétique brisé", analogue à celle de "l'aimant brisé", avec un seul pôle Nord et un seul pôle Sud.

  • Dédoublé, le pôle Nord semble seulement avoir été déplacé.
  • L’opération de dédoublement reste réversible.
, .

Le pôle Nord, apparu en haut de la pièce polaire de droite est, en réalité, comme "une image virtuelle" du pôle Nord de l'aimant, qui lui, ... semble avoir disparu.

Cette "image virtuelle" disparaît après dédoublement, alors que le véritable pôle Nord (celui de l'aimant) réapparaît comme dans un tour de passe-passe.

Cette image virtuelle d'un pôle Nord n'a donc pas d'existence matérielle, mais traduit les mêmes lignes de champ qu'un véritable pôle Nord.

Corde ferromagnétique plongée dans le circuit magnétique d'un micro, et origine de sa sonorité

Contrairement à une idée stupide, mais tenace, l'aimantation de la corde n'est pas longitudinale, comme le démontre l'absence de réaction à la présence d'un aimant permanent éventuellement ajouté à une de ses extrémités.

Même un prof de faculté s'y est fourvoyé.

En réalité, la corde se comporte comme une pièce polaire mobile, qui s'aimante dans la direction transversale, perpendiculaire à sa longueur.

On peut dire qu'elle réfracte les lignes de champ, suivant le schéma suivant:

Image d'une lignes de champ au voisinage d'une corde vue de côté.
La corde semble réfracter les lignes, comme le ferait une lame de verre en optique.

Image des lignes de champ au voisinage d'une corde vue en tranche.
La corde semble attirer et aspirer les lignes de champ les plus proches.

Plus parlantes sont les images trouvées sur le site http://laboiteaphysique.fr/site/la-boite-idees/physique-au-quotidien/musique/le-microphone-magnetique , qui figurent symboliquement un aimant droit perturbé ou non par une corde:

Aimant droit seul
Aimant droit et corde immobile
Aimant droit et corde en mouvement

Bravo pour la qualité didactique des images, mais on aurait aimé que l'auteur ne rappelle pas l'animation fallacieuse tirée de Wikipedia.

Image honteusement erronée.

En effet, l'auteur y suppose à tort que la tension aux bornes d'un micro varie en fonction du déplacement de la corde, au lieu de sa vitesse. Il s'ensuit qu'il donne une image périodique déphasée de la réalité (de π/2). La tension mesurée devrait en effet être nulle pour les élongations maximales.

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Résumé

1 - Dans tous les cas, et par définition, les lignes de champ sont:

  • des lignes orientées où la boussole est partout tangente, lignes possédant la même orientation que ladite boussole,
  • mathématiquement, ce sont donc les enveloppes géométriques (orientées) des directions indiquées par la boussole.

2 - Dans tous les cas, toujours par définition, et par analogie entre les lignes de champ qui se se referment et un courant électrique fermé, l'assemblage matériel d'aimants et pièces polaires complété de l'ensemble des lignes de champ qu'il produit est dénommé "circuit magnétique".

3 - Dans tous les cas, on peut démontrer que ces lignes de champ sont:

  • formés de boucles fermées (éventuellement tronquées sur un dessin aux dimensions obligatoirement finies),
  • ne se coupant jamais,
  • se refermant sur elles-mêmes (éventuellement à l'infini ou à l'intérieur les milieux aimantés),
  • en allant du Nord vers le Sud, dans l'air,
  • mais en allant du Sud vers le Nord, à l'intérieur des milieux magnétiques et ferromagnétiques,
  • telles que le flux est constant le long d'un "tube de champ" (tube formé par l'ensemble des lignes de champ s'appuyant sur une courbe fermée), car le champ magnétique est "conservatif" (div B=0 dans tout l'espace),
  • donc, se resserrant si le champ augmente, et se dé-serrant si le champ diminue,

4 - Dans le cas d'un micro, tout se passe comme si chaque tranche de corde ferromagnétique, plongée dans le champ des aimants, se transformait en un aimant local mobile élémentaire perturbant, perpendiculaire à la corde, et dont les variations du champ (en fonction de la vitesse locale de la corde) était la cause du son produit par le micro.

Voir plus de détails sur l'aimant élémentaire perturbant ici

Enfin, le lecteur restera conscient du fait que mes représentations des lignes de champ magnétique ne sont que de grossières approximations:

  • réduites à quelques lignes de champ particulières,
  • souvent artificiellement tronqués par les dimensions du dessin,
  • et situées dans un seul plan.

De fait, la réalité est bien plus complexe que sur mes dessins.

Reste que, d'après les points 1 et 3:

d'un point quelconque de l'espace passe toujours une (et une seule) ligne de champ se refermant sur elle-même, éventuellement à l'infini.

Le circuit magnétique complet est donc composé:

  1. de l'ensemble des pièces magnétiques (aimants, pièces polaires et cordes),
  2. des trajets aériens des lignes de champ (ou entrefers), passant éventuellement par l'infini, allant du Nord vers le Sud.
  3. des trajets internes aux aimants permanents et aux pièces polaires, allant du Sud vers le Nord, refermant chaque boucle sur elle-même.
  4. des trajets complémentaires, interne aux cordes ferromagnétiques, qui se comportent comme des pièces polaires mobiles.

La considération de ce circuit magnétique complet est très importante dans l'interprétation correcte du principe de réluctance variable qui règne sur le fonctionnement des micros électromagnétiques.

Conservativité de B ?

Un correspondant avisé m'a alors questionné sur la conservativité du flux le long d'un tube de champ.

Provisoirement ébranlé dans mes convictions intuitives, j'ai cherché et trouvé une image "charcutière" du tube de champ.

Imaginez un saucisson (le tube de champ) de longueur infinie, dans lequel le physicien charcutier découpe des rondelles.

Chaque rondelle possède deux faces (les deux surfaces de découpes S1 et S2) ET une enveloppe (la peau du saucisson) délimitée par S1 et S2.

Au total, chaque rondelle est constituée d'une surface fermée comprenant:

  1. les deux surfaces de découpes S1 et S2
  2. ET la portion de peau de saucisson délimitée par les découpes S1 et S2.

Le flux total au travers de cette surface fermée est nul, d'après la loi universelle de la conservativité du champ d'induction B, qui est dit "conservatif".

Du côté "peau de saucisson", le champ étant parallèle à la peau, le champ traversant la peau est fatalement nul (peau de saucisson imperméable au flux).

Il s'ensuit que le flux du champ entrant dans S1 est obligatoirement égal et opposé au flux du champ entrant dans S2.

Autrement dit, le flux entrant dans toute section S d'un tube de champ reste constant le long du même tube.

D'ici vient la notion même de "conservativité" du champ magnétique B.

CQFD.

Micros isolés

Voici la forme générale simplifiée des lignes de champ aérien de quelques micros classiques:

Dans le cas du P90:

  • les deux aimants (figurés en noir), orientés en opposition magnétique, on une fâcheuse tendance à se démagnétiser à la longue,
  • les vis en fer doux (qui traversent bobine et l'assemblage des deux aimants), tiennent le rôle de pièces polaires, prolongent le pôle Sud commun vers leurs deux extrémités.

"Single coil" du type P90 Gibson

Cas du circuit magnétique du "humbucking":

Pour plus de détails, on peut décrire ici le spectre réel de l'aimant "en U" qui motorise le "humbucking":

Circuit magrétique "en U"

L'aimant (en noir) voit ses pôles nord et sud repoussés vers l’extrémité des deux pièces polaires en fer doux, ce qui confirme la virtualité des "masses magnétiques".

Expérimentalement, cinq régions sont alors à distinguer dans le spectre des lignes de champ:

  1. l’entrefer nord-sud, où le champ est quasiment uniforme,
  2. la région supérieure, formée de boucles allant théoriquement jusqu'à l'infini,
  3. la région intermédiaire, formée de quasi lignes droites se refermant théoriquement à l'infini,
  4. la région inférieure, formée de boucles plus ou moins similaires à la région supérieure,
  5. enfin, pour être complet, on peut mentionner la région interne aux pièces polaires et à l'aimant, où se referment toutes les lignes de champ inaccessibles à l'expérimentation directe, mais qui se manifestent par leur action sur les bobines du "humbucking".

Il va de soit que seule la région supérieure possède une relation avec les cordes, qu'elle traversent réellement.
Quand à la région interne, elle est responsable de l'apparition du signal des micros aux bornes des bobines traversées.

Plus généralement, au regard des schémas des lignes de champ, il est clair que les "single coil" captent la corde sur un espace plus important que le humbucking au champ magnétique plus refermé, rendant un son plus équilibré, contrairement au son plus nasillard du double bobinage.
Par contre coup, on peut pressentir également que les single coils seront plus sensibles aux parasites externes.

Le diagramme d'un "Charlie Christian" est encore plus étendu, captant la corde sur presque toute sa partie vibrante et expliquant vraisemblablement sa douceur particulière et sa dynamique exceptionnelle, et malheureusement... sa sensibilité au passage du métro parisien.

NB: il est important de se rappeler que le champ magnétique se développe dans trois dimensions. En conséquence, et encore une fois: les images ici fournies ne donnent qu'une représentation partielle des lignes de champ.


Micros associés

A titre d'exemple, j'ai dessiné (approximativement) les lignes de champ magnétique d'induction de deux "humbuckings" (ou "humbuckers") orientés de deux façons différentes, en fonction des positions dans l'espace de leurs pôles magnétiques (les boucles inférieures, inopérantes ont été omises).

NB: par définition commune du champ d'induction et de la boussole, les lignes aériennes, tout comme la boussole, sont toujours orientées de façon à partir d'un pôle Nord, pour aller vers un pôle Sud.

Dans l'un des cas, les micros sont couplés magnétiquement, c'est-à-dire qu'ils se renforcent mutuellement tout en influençant (et captant) une grande partie de la corde.
Dans ce cas, même hors service électrique, chaque micro influe sur le son.

En tournant (pivotant) un des micros de 180° sur la table d'harmonie, en revanche, ils sont découplés magnétiquement et rendent un son plus sec.

Suivant les périodes, Gibson utilisait l'une ou l'autre des méthode de montage, avec des résultats plus ou moins heureux.

Ces résultats sont extensibles aux "single coils" où l'on peut retourner les aimants et les bobinages.

C'est très facile avec deux P 90, par exemple, sur une guitare de Matthew Bellamy, on peut observer deux P90 accolés en "position chevalet":

On est en droit de supposer que les P90, montés en série, ont:
- des polarités magnétiques inverses (des aimants retournés)
- des polarités électriques, également inverses

Si cette hypothèse est la bonne, les deux P90 agissent comme un seul "humbucker" étendu, possédant un énorme niveau de sortie, mais conservant une partie de l'agrément sonore particulier au P90. Cela expliquerait la sonorité très "spéciale" de la guitare.

En revanche avec une "Strato", il faut procéder différemment' en raison de la quasi impossibilité d'inverser les aimants (vous pouvez essayer, mais vous avez une chance sur deux de fusiller le bobinage)

Il faut alors chercher un micro dont les aimants sont inversés (c'est assez facile à trouver) et le brancher à l'envers (opposition de phase) en position milieu.

L'ensemble fonctionne en quasi "humbuckers" couplés quand les micros fonctionnent deux par deux.                  


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En pratique - Facts

 
  1. Evitez de déposer les capots métalliques de vos micros.
  2. Si votre guitare possède au moins deux micros, vérifiez avec une boussole, qu'un pôle fait bien face à un pôle opposé de l'autre micro.
  3. Si ce n'est pas le cas, lisez la partie théorique sur les micros associés, puis faites convenablement pivoter l'un des deux micros à 180° sur la table d'harmonie.
 
Pour nommer le type d'un pôle d'un aimant, rappelez-vous que:
  • un pôle Sud attire la partie sombre de la boussole,
  • un pôle Nord la repousse donc évidemment,

Enfin, le bien mal nommé "pôle Nord magnétique" (sic), est en réalité un pôle Sud magnétique de l'aimant que simule la terre!
                  


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Poil à gratter - Itching powder

  Certains marchands, du côté de Pigalle, se demandent toujours ce que je faisais chez eux, armé d'une boussole.

Par la suite, j'ai eu une discussion assez animée avec Michel Scamps, luthier renommé, qui expliquait à un public choisi les raisons de la différence de son entre deux micros.
J'ai dû me fâcher en déclarant en substance: "tu te fous du monde, sous prétexte que tu ne le voies pas, tu fais semblant d'ignorer le rôle de la forme du champ"
Malgré mon agressivité du moment, nous sommes restés copains, car j'avais évidemment raison.

Enfin, un "crétin des Alpes" m'ayant récemment cherché des poux dans la tête, je cite un extrait d'un récent bouquin scolaire de terminale S, qui confirme bien que le "pôle Nord magnétique", situé à proximité du "pôle Nord géographique", est en réalité un pôle Sud.

Mais c'est pas grave.
Après tout, le "crétin des Alpes" croit bien que, "scientifiquement", les chambres à gaz n'ont pas existé, et que la terre s'est faite en sept jours.
Certain (je ne cite personne) assure même que le réchauffement climatique ne serait qu'un lamentable complot, ourdi par les écologistes.
Il n'en démord pas, et c'est même ainsi qu'on reconnaît le véritable "crétin des Alpes".

                  


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Mise à jour, par Jean-Pierre "lbop" Bourgeois, Ingénieur-conseil ©
 

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