Matériaux Magnétiques

Transcription

1 Le magnétisme est présent dans de nombreux équipements : au niveau industriel : alternateurs, transformateurs (indispensables à la production et au transport de l électricité), machines de toutes sortes, capteurs,... au niveau du transport : tous les moteurs électriques automobile, trains, avions,... au niveau informatique : enregistrement magnétique des ordinateurs au niveau ménager : réfrigérateurs, tables chauffantes à induction au niveau de l horlogerie : montres à aiguilles non mécaniques au niveau de la santé : imagerie par résonance magnétique, magnétoencéphalographie

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4 Origines du magnétisme... Aucun document précis ne rend compte des origines du mot magnétisme. -Thalès de Milet savait déjà, il y a plus de ans, qu'il existait une pierre attirant le fer. La magnétite (un oxyde de fer justement) doit son nom à la cité de Magnêsia. Celle-ci se trouve aujourd'hui en Anatolie Occidentale (Turquie). -Pline raconte que la pierre d'héraclée ou pierre de Lydie fut trouvée par le berger Magnès cherchant une brebis égarée sur le mont Ida : les semelles cloutées de ses chaussures s attachaient au sol. -Pour Photius, ce sont des porteurs de pierres qui s'aperçurent du maintien inexplicable de certaines parcelles contre les clous de leurs semelles.

5 Du magnétisme...: Qui réagit à un champ magnétique!!! Généré par un courant électrique Conducteur + solénoïde Généré par un aimant Propriété intrinsèque de certains matériaux (Magnétite, ferrite,...)

6 Champ magnétique Les physiciens ont introduit la notion de champ magnétique pour décrire l interaction entre 2 aimants. Le premier aimant crée un champ magnétique B dans son environnement lignes de champ magnétique S N B Ce champ magnétique agit sur un autre aimant. La force magnétique tend à aligner l aimant dans la direction du champ magnétique B. Ainsi l aiguille d une boussole s oriente dans la direction du champ magnétique terrestre. S SS S SS B N N N N NN

7 Une des expériences qui permet de caractériser ce champ est celui de la limaille de fer : on pose un aimant au milieu de limailles de fer éparpillées et il se dessine alors ce qu'on appelle les lignes de champ ou lignes de force. En fait, le champ magnétique créé par l'aimant transforme chaque grain de limaille de fer en de petits aimants qui s'alignent naturellement selon le champ magnétique.

8 Les origines sont physiques et chimiques (Oersted, 1821) Magnetite (quelque part en Grèce) La base commune et d avoir un matériau (conducteur et/ou magnétique)

9 LES METAUX (conducteurs électriques) aluminium (Al), argent (Ag, métal précieux), cuivre (Cu), étain (Sn), fer (Fe), mercure (Hg),nickel (Ni), or (Au, métal précieux), platine (Pt, métal précieux), plomb (Pb), titane (Ti), zinc (Zn) The winner is... argent, cuivre, Or Freinage magnétique (trains, camions,...) Moteurs (trains, camions,...)

10 Pourquoi certains matériaux sont conducteurs, isolants, ou semi-conducteurs? Approche quantique de la liaison de covalence Formation des orbitales moléculaires (O.M.) À partir d orbitales atomiques (O.A.)

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12 Energie O.M. antiliante (ϕ = c1 φ1 c2 φ2) O.A.1 O.A.2 O.M. liante (ϕ = c1 φ1 + c2 φ2)

13 O.A. de type s O.A.1 O.A.2

14 Exemple: chaîne d atomes d hydrogène (1s) H H H H H H H H

15 Bande de conduction εf gap k BT εf Bande de valence conducteur (métal) conducteur semi-conducteur ou isolant semi-conducteur Isolant Le cuivre est le matériau le plus utilisé pour ses propriétés de conducteur électrique métal

16 Générateurs de champ magnétique : B=μ H B : induction magnétique (Tesla, Gauss) H : champ magnétique (A/m) μ : perméabilité magnétique (Henry/m) Le champ magnétique terrestre (A Paris : B = 4, T) (son origine et la compréhension du processus font encore débat) : Aurores boréales

17 Resistive magnets Refroidis par eau (effet joule) Installations coûteuses en énergie et en eau Record à 35 T en mode continu (1 million de fois le champ terrestre) (Plusieurs dizaines de MW)

18 Champs magnétiques pulsés : de l ordre de 100 T!!! Sur quelques millisecondes avant que le système fonde générateur

19 Champs magnétiques de plusieurs centaines de Tesla (quelques micros secondes) Obtenus par explosion (confinement des lignes de champs) Magnétar est une étoile à neutrons disposant d'un champ magnétique hyper-puissant (1011 Tesla) Et les supraconducteurs dans tout ça??? Pas de résistance électrique donc pas d effet Joule

20 Le phénomène de supraconductivité a été découvert en 1911 par un étudiant en physique (Gilles Holst) Il s'aperçut que la résistance électrique du mercure s'annulait à 4,15 K. En 1962, les premiers fils supraconducteurs (un alliage de niobium-titane) sont commercialisés par Westinghouse. YBa2Cu3O7 (1987), la température critique est montée à 92 K, dépassant la température de l'azote liquide qui est de 77 K. Cela est très important car l'azote liquide est produit industriellement et à bas prix et peut même être produit localement. Malheureusement ces matériaux sont des céramiques et ne peuvent être travaillés aisément, de plus ils perdent facilement leur supraconductivité à fort champ et donc les applications se font attendre.

21 Application des supraconducteurs : Stockage de l énergie (les SMES : Superconducting Magnet Energy Storage) Génération de champs magnétiques intenses (alliages Nb-Sn, Nb-Zr or Nb-Ti)

22 Image SEM d un filament de Nb3Sn de 5 micromètres de diamètre MaNEP champ magnétique de 21,3 Tesla mais à 2,2 K!!! Refroidi à l hélium liquide (4,2 K)

23 Aimant supra pour le LHC (Large Hadron Collider) (15 m et 35 tonnes) Vue en coupe du projet ITER, en construction à Cadarache. Le plasma, constitué d électrons et de noyaux de deutérium et de tritium, sera créé et chauffé dans la couronne centrale. Des aimants supraconducteurs placés autour de cette couronne assureront le confinement magnétique du plasma et l empêcheront de s éloigner du centre du réacteur. ITER

24 Imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire (IRM) Moment magnétique du proton tourne autour du champ magnétique externe BB00

25 Les matériaux supraconducteurs ont une autre propriété extraordinaire Effet Meissner Lévitation magnétique

26 YBa2Cu3O7 On mélange les réactifs en solution avec de l acide citrique et l on chauffe jusqu à précipitation de l hydroxyde de barium On crée le gel en ajoutant quelques gouttes d ammoniaque On déshydrate le mélange à 200 C et l on obtient un produit calciné prêt à être mis au four. La poudre est alors mise au four haute température à 950 C pendant 24 H et est refroidite lentement à température ambiante La poudre est mise sous forme de pastille La pastille est recuite 12 H et refroidie lentement à température ambiante

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28 Effet Meissner Diamagnétique parfait Le matériau réagit à l application d un champ magnétique!!! Il est susceptible!!! A bas champ: M = χh H N S I M I M : Aimantation, moments magnétiques par unité de volume χ : Susceptibilité magnétique volumique (sans dimension)

29 Diamagnétisme : χ < 0 ( 10-6) très petit Supraconducteur : χ = -1 Paramagnétisme : χ > 0 ( 10-4, 10-2) Ferromagnétisme : χ > 0 ( 10000) très grand

30 Le diamagnétisme est une propriété intrinsèque de la matière Mouvement orbital des électrons NOYAU Dans un champ magnétique : chaque électron en mouvement crée un «courant» électrique sur son orbite qui crée un champ local qui tend à s opposer au champ magnétique externe. Le diamagnétisme est indépendant de la température

31 On peut faire léviter (en principe) tous les objets

32 On peut faire léviter (en principe) tous les objets

33 On peut faire léviter (en principe) tous les objets