Fonctionnement du conditionneur d’eau magnéto-hydrodynamique
On trouve, dans les eaux naturelles, outre certains ions et gaz dissous, une quantité non négligeable, selon les cas, de colloïdes (ou micelles), qui sont chargés électriquement et qui sont de grande taille par rapport aux molécules d’eau. C’est ainsi que les colloïdes de CaCO₃ se repoussent mutuellement, étant chargés positivement (forces de Coulomb) et n’ont aucune chance de former des germes de cristallisation. Si ces colloïdes sont mis en présence d’une forte concentration d’ions, ceux-ci vont s’entourer d’ions de signe opposé à eux, et s’ils sont assez nombreux, le champ électromagnétique des colloïdes sera réduit, par effet d’écran, et décroîtra de manière exponentielle avec la distance. Du même coup, ces colloïdes pourront s’agglomérer et former des germes de cristallisation au sein du liquide. Le flux de l’eau entraînera les microcristaux en croissance, et l’incrustation du carbonate de calcium sur les parois métalliques des conduites n’aura pas lieu.
D’autre part, dans les canalisations déjà entartrées, l’adsorption d’ions sur les colloïdes déplacera la réaction d’équilibre :
(CaCO₃) (crist.) ⇌ Ca⁺⁺ + CO₃⁻⁻ (dissous)
vers la droite, dissolvant progressivement le carbonate de calcium (détartrage physico-chimique).
Dans les bons conditionneurs, les champs magnétiques sont produits par une série particulière d’aimants disposés de manière à ce que les champs radiaux, grâce au montage des aimants en polarité inversée, influencent à plusieurs reprises les ions contenus dans l’eau, à leur passage. De plus, l’écoulement de l’eau doit avoir une composante de vitesse à la fois orthogonale à l’axe de l’appareil et au champ magnétique, de manière à permettre aux forces de Lorentz de concentrer alternativement les cations et les anions, selon leur position par rapport aux aimants.
Ces concentrations locales d’ions permettent donc aux colloïdes de s’agglomérer et de former des germes de cristallisation.
Ainsi, en présence d’une concentration n₀ d’ions et à une température T, les colloïdes vont être entourés d’ions de signe opposé au leur ; la couche d’ions ainsi formée réduit par effet d’écran le champ électrostatique situé autour du colloïde. Ce champ décroît rapidement de manière exponentielle :
E = E₀ exp (–r/D)
La constante de décroissance D est donnée par :
D = √(ε k T / 2 n₀ q²)
où ε est la permittivité du liquide, k la constante de Boltzmann, et q la charge des ions.
Le champ décroît d’un facteur 1/e = 1/2,71828 à une distance D. Cette distance, appelée aussi « longueur de Debye », mesure l’épaisseur de la couche d’ions de signe opposé à celui du colloïde.
On constate que la longueur de Debye est inversement proportionnelle à la concentration n₀ d’ions, et proportionnelle à la température T.
Nous avons vu que les colloïdes se repoussent du fait de leur charge de même signe. Si maintenant la pellicule d’ions réduit suffisamment le champ électrostatique de ces colloïdes, ceux-ci peuvent entrer en contact et s’agglomérer, formant ainsi des germes de cristallisation au sein même du liquide. Cette agglomération est favorisée par une diminution de la longueur de Debye, c’est-à-dire par une diminution de la température et une augmentation de la concentration d’ions.
L’agglomération des colloïdes forme des germes de cristallisation de CaCO₃ au sein même du liquide, rendant de ce fait l’incrustation beaucoup moins probable. Dans le cas où les colloïdes s’accrocheraient aux parois de la conduite, les cristaux formés seraient plus gros, donc moins incrustants. L’agglomération des colloïdes et la germination dans le liquide s’accompagnent d’une augmentation de la turbidité de l’eau, mais cette augmentation est faible.
Nous avons vu que les colloïdes de CaCO₃ étaient chargés positivement ; la pellicule d’ions formée autour d’eux sera donc de signe négatif. Participeront à la formation de cette pellicule les ions CO₃⁻⁻ et OH⁻. Cette attraction des ions CO₃⁻⁻ et OH⁻ va briser les équilibres calcocarboniques.
En particulier, la réaction :
CaCO₃ ⇌ Ca⁺⁺ + CO₃⁻⁻
va être déplacée vers la droite et le tartre sera dissous. Deux conditions sont nécessaires au fonctionnement de notre appareil :
- — il faut s’arranger pour que le champ magnétique B sorte de manière radiale plusieurs fois sur le passage du fluide ; c’est pour cette raison que les aimants sont montés en polarité inversée ;
- — l’écoulement de l’eau doit, en plus, avoir une composante de vitesse à la fois orthogonale à l’axe de l’appareil et au champ magnétique (Fig. 1).
Dans ces conditions, le champ B agit sur les ions en mouvement dans le fluide qui parcourt la spirale selon la vitesse V par une force de Lorentz :
F = q V ∧ B
et crée les « zones » de concentration en cations et anions, alternativement. Les cations sont repoussés vers le haut si B pointe vers l’extérieur, et les anions vers le bas, et inversement, si B pointe vers l’intérieur.
[Schéma : Conditionneur d'eau]Cinq aimants permanents (14) en alliage spécial, sont montés en opposition de polarité et séparés par des entretoises ajustées (15).
Cet ensemble est enfermé dans une gaine diélectrique en polypropylène ou autre matériau (16), si les circonstances l’exigent (industrie), et forme ainsi le tube intérieur (10), isolant du point de vue électrique.
Un espace est aménagé entre ce tube intérieur et le tube extérieur (11), pour permettre la circulation de l’eau selon un flux hélicoïdal précis (18).
Le tube extérieur, en acier inoxydable, constitue un blindage contre les influences magnétiques extérieures, de manière à protéger les aimants.
Les raccords en laiton, d’entrée (12) et de sortie (13), sont usinés de manière à conduire le flux de l’eau de façon hélicoïdale dans l’espace prévu, selon un angle précis par rapport à l’horizontale, soit par rapport aux champs magnétiques dispensés par les aimants.
Un revêtement spécial en une matière diélectrique a été appliqué sur la face intérieure du tube extérieur (11b). Ce traitement particulier permet aux champs magnétiques d’agir sur les colloïdes et ions de l’eau, sans avoir d’effets de surface avec des surfaces métalliques.
Influence de ces « zones » de concentrations
L’eau circulant en spirale traversera donc, en emportant ces colloïdes chargés positivement, ces « zones », en particulier concentrées en CO₃²⁻ (ou HCO₃⁻) et OH⁻ et se chargera de ces anions qui s’aggloméreront et formeront des germes de cristallisation, et ainsi rompront l’équilibre calco-carbonique : sur une conduite neuve, le tartre ne se déposera pas, et sur une conduite déjà entartrée, le tartre se désagrégera peu à peu (loi d’action des masses).
Rôle des aimants dans les conditionneurs magnétodynamiques
Fiche technique résumée (pour certains appareils) :
— type d’alliage : Ticonal TC — rémanence : Bᵣ = 13 × 10³ Gauss — force coercitive : H꜀ = 660 Gauss
Dans l’état actuel des recherches, pratiques et théoriques, il semble que les aimants en Ticonal sont les meilleurs pour ce type d’appareils, vu leur robustesse (importante caractéristique au moment de l’assemblage) et la durée de vie de la magnétisation (garantie jusqu’à 30 ans par certains fabricants). En effet, un aimant brisé donnera un champ magnétique hors d’équerre, et il est vital que les champs magnétiques B soient radiaux par rapport à l’axe du conditionneur, de manière à ce que les forces de Lorentz F = q V ∧ B soient elles-mêmes normales par rapport au plan déterminé par les vecteurs V (vitesses des ions en solution) et B.
Par voie de conséquence, si cette normalité est respectée, les cations et anions seront « retenus » par F avec un maximum d’efficacité, et les nuages d’ions de forme torique seront un passage obligé pour les colloïdes de CaCO₃. Dans un conditionneur contenant le nombre optimal de 5 aimants cylindriques, il y aura donc 2 zones toriques de cations, correspondant aux régions NN, entre les 2 aimants concernés, où le champ B pointe vers l’extérieur du cylindre, et 2 zones toriques d’anions, correspondant aux régions SS, où le champ B pointe vers l’intérieur du cylindre.
Dans le cas présent, où l’on s’applique à concentrer les anions de manière à « neutraliser » électrostatiquement les colloïdes de CaCO₃, qui sont positifs de par leur nature physique, ce sont donc ces zones SS qui nous intéressent, car ce sont elles qui seront actives au niveau des anions (probablement OH⁻, HCO₃⁻) et des colloïdes positifs de CaCO₃.
De manière à mieux cerner le rôle actif des champs magnétiques dans ce processus, il est maintenant utile de donner une explication, ou plutôt une description du ferromagnétisme, qui n’est qu’un cas très particulier du magnétisme. Il faut préciser que les explications des phénomènes magnétiques sont encore actuellement du domaine de la recherche fondamentale en physique, et que les explications très brèves qui vont suivre n’apporteront bien évidemment pas autre chose qu’un aperçu de ce qu’est le ferromagnétisme.
Le ferromagnétisme
Le fer, comme le cobalt et le nickel notamment, présente un comportement magnétique remarquable par son intensité face aux effets du paramagnétisme normal de toute matière.
Les substances ferromagnétiques présentent également la caractéristique suivante : au-dessus d’une température particulière à chaque substance ferromagnétique, appelée température de Curie (T꜀), le magnétisme tombe complètement et réapparaît de manière aussi brutale dès que la substance est refroidie sous T꜀.
Alors, en première analyse, que nous apprend la physique quant à l’origine du ferromagnétisme ? C’est le spin de l’électron (un ou plusieurs) des atomes de ces substances qui en est le responsable.
Tout d’abord, qu’est-ce que le spin d’un électron ? C’est une valeur arithmétique caractérisant l’état de rotation sur lui-même de l’électron. Celui-ci étant chargé électriquement, sa rotation entraîne l’apparition d’un moment magnétique.
Ce moment magnétique (magnéton de Bohr) a la valeur : µB = qₑ h / 2 m qₑ = charge de l’électron ; h = constante de Planck ; m = masse de l’électron.
L’électron peut avoir son spin « vers le haut » et le spin vaut –1/2 (convention), et à ce moment-là µB est < 0, ou « vers le bas » et le spin vaut alors +1/2, et alors µB est > 0.
Normalement, dans les substances « courantes », non ferromagnétiques, 2 électrons (c’est un doublet) doivent avoir leurs spins opposés (+1/2 et –1/2), mais dans le fer, le cobalt et le nickel, ce n’est pas le cas : les spins sont parallèles (+1/2 et +1/2) pour certaines des paires d’électrons de ces atomes, et c’est là l’origine du ferromagnétisme.
Il faut maintenant encore trouver le pourquoi de cette situation contraire au « principe d’exclusion de Pauli » qui exige que les spins soient opposés dans un doublet. À noter que dans le cas du fer, le responsable du magnétisme serait un électron des couches internes, qui aurait donc son spin « vers le haut », alors qu’il devrait être « vers le bas » d’après Pauli ; cet état magnétique serait « transmis » par les électrons de conduction, qui proviennent des mêmes couches internes du fer. Cet ensemble permet aussi d’expliquer l’existence de la température de Curie (Tc).
À noter ici que la physique classique et la mécanique quantique, deux courants de pensée scientifique apparemment divergents sur certains points, permettent néanmoins d’apporter chacun une partie de l’explication globale de la théorie du magnétisme.
La magnétisation des substances ferromagnétiques
Il est évident qu’un morceau de fer n’est pas « naturellement » magnétisé de lui-même, bien qu’il puisse être attiré par un aimant : il est nécessaire de le soumettre à l’influence d’un champ magnétique H extérieur pendant un temps défini et sous une intensité donnée.
Un morceau de fer (ou de cristal) non encore soumis à H, présente des microcristaux correspondant à des « domaines » magnétiques d’environ 1 centième de millimètre, soit 10 µ. Ces domaines magnétiques s’équilibrent et l’ensemble est extérieurement inactif sur le plan magnétique.
Si l’on place le cristal de fer, composé de ses microcristaux correspondant à ses domaines, les parois de ces domaines se déplacent virtuellement, et à mesure que le champ appliqué augmente, le cristal se transforme en un domaine unique où tous les vecteurs de magnétisation M s’orientent dans la même direction finale, celle de H, sans que l’intensité en soit modifiée (Fig. 2).
Ce qui précède n’est bien évidemment qu’une approche de la réalité, plus complexe de par ses structures cristallines notamment.
Les substances polycristallines
La description précédente des microcristaux et des domaines magnétiques est réalisée ; dans la réalité, le fer ordinaire étant composé de très petits cristaux dont les axes cristallins sont orientés dans toutes les directions, au hasard de la cristallisation, qui ne sont pas eux-mêmes des domaines mais en contiennent plusieurs, chacun d’entre eux ayant son propre M au sein du cristal.
Lorsqu’on soumet une pareille substance polycristalline à un champ magnétique extérieur, on oblige en quelque sorte les cristaux et les domaines à se placer dans le bon axe, et on dérange ainsi « mécaniquement » les orientations originelles des cristaux et des domaines. Ces phénomènes, à l’origine de l’effet d’hystérésis, qui consomment de l’énergie lors de l’aimantation d’une masse de fer, provoquent un échauffement du métal et l’émission d’ondes sonores, suite aux frottements internes. Il arrive un moment où le champ magnétique H imposé, arrive à une valeur de saturation, c’est-à-dire que tous les vecteurs M des domaines sont orientés (Fig. 3).
Les substances ferromagnétiques usuelles
Les conditionneurs magnétiques seront d’autant plus fiables que les propriétés magnétiques des aimants permanents utilisés seront stables dans le temps, et aussi bien isolés des influences extérieures (par blindage).
La courbe d’hystérèse
Les matériaux ferromagnétiques sont caractérisés par une courbe d’hystérèse qui donne le champ magnétique B dans le matériau (en fait, dans la matière, la différence entre champ magnétique B et aimantation M n’est pas appréciable) en fonction du champ magnétique externe H′ appliqué lors de l’aimantation. La relation qui lie ces diverses grandeurs est : B = µ0 (H′ + M).
Les unités employées sont, dans le système international, le Tesla pour B et l’A m⁻¹ pour H et M.
On trouve aussi d’autres unités : 1 Tesla = 10 000 Gauss et 1 A m⁻¹ = 4 π 10⁻³ Oersted.
L’expression de H′ en ampère par mètre n’est pas très parlante : c’est par contre une unité commode pour les ingénieurs constructeurs d’électro-aimants.
En définissant H = H′/µ0 c² avec 1/µ0 = ε0 c² on obtient : H = B – M / ε0 c²
Avec cette définition, H et B sont dans les mêmes unités. Il suffit de se rappeler que : H (Gauss) = 0,0126 H′ (A m⁻¹).
Si l’on reporte l’aimantation d’un matériau ferromagnétique en fonction du champ magnétique externe H, on obtient une boucle d’hystérèse : l’aimantation n’est pas une fonction biunivoque du champ externe, mais dépend de la direction et de l’amplitude du champ appliqué précédemment. La figure 4 donne les courbes d’aimantation et d’hystérèse du fer doux et de l’Alnico 5. Nous reviendrons plus loin sur cet alliage. Partant du fer non aimanté, B = 0 et H = 0, quand on augmente H, on obtient une augmentation de B visiblement non linéaire, lente au début, puis plus rapide, puis très lente. La partie inférieure de la courbe correspond au mouvement des domaines : croissance des domaines qui pointent bien au détriment de ceux qui pointent mal. Dans la partie du plateau, le champ extérieur attire violemment les moments magnétiques dans sa direction. Si maintenant on réduit le champ extérieur, la courbe ne se parcourt pas dans le sens inverse : on obtient le phénomène d’hystérèse, ce qui est dû au fait que le mouvement des domaines est en partie irréversible. Le champ Br est appelé champ rémanent. Si le matériau est soumis à un champ extérieur inverse, l’aimantation est graduellement réduite jusqu’à zéro, valeur atteinte pour H = Hc = champ coercitif. On remarquera la différence des échelles horizontales sur les deux courbes d’hystérèse :
Le Ticonal et l’Alnico s’avèrent comme étant les meilleurs alliages ; ils sont approximativement composés de 50 % Fe, 25 % Co, 14 % Ni, 8 % Al et 3 % Cu.
Profitons de l’occasion pour apporter une précision importante : il n’est pas exact de parler des propriétés magnétic…
que du fer en tant qu’assemblage d’atomes de fer, mais bien de différents alliages de ce métal. En effet, les propriétés magnétiques d’un alliage dépendront de son comportement sous l’influence du champ H extérieur, c’est-à-dire de la façon dont les parois des domaines magnétiques et donc des cristaux se déplaceront ; cela n’a donc rien à voir, directement, avec la nature même de l’atome de fer constituant les cristaux. Ainsi, il est connu que certains aciers inoxydables (74 % Fe, 18 % Cr, 8 % Ni) ne sont pas ferromagnétiques. Alors pourquoi le Ticonal (et ses analogues, à quelques petites variantes près) est-il un aimant permanent d’aussi bonne qualité ? Lorsque cet alliage se solidifie, il y a formation à l’intérieur même de la masse, de grains microscopiques, qui rendent très difficiles, voire impossibles, les déplacements de domaines de séparation. Le travail mécanique de cet alliage provoque l’étirement des cristaux dans une direction qui privilégiera la direction d’un champ magnétique.
Critères de choix d’un aimant permanent pour le conditionneur
Nous nous baserons sur deux critères de choix :
- — l’aimant doit présenter un fort champ rémanent, tout en ayant une bonne résistance à la dépolarisation par un champ extérieur ;
- — l’aimant doit avoir de bonnes résistances mécaniques.
Le produit du champ B et du champ H en opposition est une bonne mesure des performances d’un aimant, puisqu’il est proportionnel à l’énergie potentielle du champ dans l’espace interpolaire.
Pour déterminer ce produit, il est évidemment nécessaire de connaître la courbe d’hystérésis de l’aimant. Un aimant qui n’est soumis qu’à l’effet de son propre champ sera dans un état représenté par un point de la courbe d’hystérésis situé dans le deuxième quadrant ; en effet, on peut montrer par les équations de Maxwell que les champs B et H à l’intérieur de l’aimant sont en opposition (Fig. 5).
Pour un barreau aimanté dont les dimensions sont adéquates, le produit (BH) atteint une valeur (BH)max qui caractérise le matériau utilisé. Une valeur élevée du champ rémanent B, et une haute valeur du champ coercitif Hc ne suffisent donc pas à donner un bon critère de choix pour un aimant ; il faut également tenir compte de la valeur de (BH)max qui donne en fait la convexité de la courbe de démagnétisation : un aimant idéal garderait sa polarisation constante à la valeur Br pour n’importe quel champ inverse, jusqu’à la valeur Hc du champ coercitif.
Conclusion
Nous n’avons pas la prétention, dans cet article, de couvrir tout le domaine des aimants permanents ; il nous a plutôt semblé utile de donner des critères de choix pour un aimant adapté aux besoins de la fabrication des conditionneurs d’eau ; ces critères, nous les rappelons ci-après :
- — forte valeur du champ rémanent Br ;
- — bonne valeur du champ coercitif Hc ;
- — courbe de désaimantation à convexité élevée, c’est-à-dire haute valeur du produit (BH)max.
Il nous semble que les aimants Alnico sont bien adaptés à notre application, puisqu’ils allient un bon champ rémanent et un produit (BH)max élevé à une résistance mécanique acceptable. Il est du reste heureux que l’alliage employé jusqu’à présent dans les conditionneurs, le Ticonal TC, soit en fait un Alnico 5. Il peut, bien entendu, exister d’autres aimants, résultats de la technologie moderne, qui présentent des propriétés supérieures aux Alnico ; il convient, le cas échéant, d’examiner les gammes de produits.
Le ferromagnétisme pose encore, et depuis longtemps déjà, des problèmes aux physiciens qui éprouvent souvent des difficultés à unifier la physique classique et la mécanique quantique, sur certains sujets.
À l’autre bout de la chaîne, nous trouvons les utilisateurs, qui sont empiriquement parvenus à fabriquer des aimants pour de nombreux usages, et les fabricants de conditionneurs sont les premiers à bénéficier de cette double approche qui permet, de jour en jour, de mieux comprendre les phénomènes en jeu au sein d’un conditionneur, et il s’agit très certainement d’un des problèmes de physico-chimie les plus passionnants de cette dernière décennie, en passe de bouleverser totalement les réactions de l’utilisateur d’eau, que ce soit à un niveau domestique ou industriel.
BIBLIOGRAPHIE
- 1) R. P. Feynman, R. B. Leighton et M. Sands, Lectures on Physics.
- 2) U. Enz, Magnetism & Magnetic Materials : Historical Developments and Present Role in Industry and Technology, in Ferromagnetic Materials, E. P. Wohlfarth (éd.), North-Holland Publishing Company, 1982.
- 3) H. Zijlstra, Permanent Magnets ; Theory in Ferromagnetic Materials, North-Holland, 1982.
- 4) R. A. McCurrie, The Structure & Properties of Alnico Permanent Magnet Alloys, in Ferromagnetic Materials, North-Holland, 1982.
