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Marc-Antoine Vincent
il y a 7 ans
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1 IV- Phénoménologie, magnétisme macroscopique Les différents comportements magnétiques Matériau de référence : fer à température ambiante état ferromagnétique attraction : χ > en utilisant un aimant, on peut observer répulsion : χ < (très faible) Mesure de la susceptibilité χ(τ) classification phénoménologique Etat ferromagnétique : χ >> 1 et peu dépendant de T susceptibilité Mesures d'aimantation Curie 1/ M s saturation Aimantation spontanée M s Curie-Weiss 1/n T = T C - ε H T C T T T C Température critique ou de Curie Au niveau microscopique: H = < M > = M s Fe, Ni, Co, Gd... Ferrimagnétique 31

2 IV- Phénoménologie, magnétisme macroscopique Les différents comportements magnétiques Etat paramagnétique : χ > et diminuant avec T Curie 1/ Curie-Weiss Loi de Curie : (T) = C T Constante de Curie C Loi de Curie-Weiss : W (T) = T " T C Interprétation : Langevin, Brillouin Etat désordonné, moments soumis à l'agitation thermique H T m < M >= en champ nul E = µ H " m + Statistique fct de Langevin L(x) = coth(x)- 1 x C = N V m 3k B Métaux... paramagnétisme électronique, de faible dépendance en T : paramagnétisme de Pauli 32

3 IV- Phénoménologie, magnétisme macroscopique Les différents comportements magnétiques Etat antiferromagnétique : χ >, faible et peu changeant avec T susceptibilité Curie-Weiss 1/ H Diagramme de phases magnétiques Paramagnétique Curie AF antiferromagnétique T N T M = en champ nul T N T Cr, MnO, NiO... Température de Néel T > T N, loi de Curie-Weiss : W (T) = T C <? T N > ce n'est pas un ferromagnétique C T " T C antiphase longue période hélimagnétique multiaxe 33

4 IV- Phénoménologie, magnétisme macroscopique Les différents comportements magnétiques Le diamagnétisme : χ <, très faible et indépendant avec T ( χ -1-5 ) Propriété magnétique par "défaut": couches atomiques pleines, liaisons covalentes... état supraconducteur : diamagnétisme parfait χ = -1 34

5 Le ferromagnétisme plus en détail Intérêts pratiques - Diamagnétisme :? (sauf supraconducteur) - Paramagnétisme : thermométrie, réfrigération - Antiferromagnétisme :? quelques utilisations en association avec un ferromagnétique Ferromagnétisme Forces, couples commande par un courant Dispositifs statiques actionneurs, moteurs, transducteurs conversion : dynamo, alternateur Amplification B = µ µ r H autoinductances, têtes de lecture, antennes émission-réception transport du flux: transformateurs, actionneurs Hystérésis ferromagnétique: enregistrement 35

6 IV.2 L'état ferromagnétique Exemple (désuet) : Radiocassette 36

7 IV.2 L'état ferromagnétique Antenne modulation d'amplitude : ferrite doux ((Mn,Zn)O.Fe2O3)) Moteur courant continu : Aimants permanents en ferrite dur (BaO-6Fe2O3) rotor Fe-Si + cuivre Transformateur: tôles Fe-Si Haut-parleur : Aimant permanent ferrite dur 37

ou électroaimant à noyau en fer doux support

8 IV.2 L'état ferromagnétique Tête de lecture: circuit ouvert ferrite doux tête d'effacement: ferrite dur ou électroaimant à noyau en fer doux support d'enregistrement particules γ-fe2o3 à anisotropie de forme 38

9 Domaines et parois Pierre Weiss 191 zone d'aimantation uniforme: domaine Ferromagnétisme (échange) Domaines de fermeture Objet ferromagnétique H = < M >= (minimisation de l'énergie magnétostatique) zone de transition: paroi Compromis entre: échange à courte portée et magnétostatique à longue portée Trace des parois Direction d'aimantation Monocristal de fer (ccc) en champ nul. anisotropie magnétocristalline axes quaternaires 39

10 IV.2 L'état ferromagnétique Images par microscopie d'effet Faraday* de domaines dans des systèmes à anisotropie uniaxiale PbFe12O19 (hexagonal) D'après Craik et Tebble, Rep. of Prog. in Physics (1961) YFeO3 (orthorhombique) * effet Faraday : effet magnéto-optique par rotation de la polarisation dans un milieu aimanté Typologie des parois: selon l'angle paroi à 18 selon le mode de rotation paroi à 9 4

11 Energie magnétostatique réduite coût de l'opération paroi Modèle: Modèle de la paroi de Bloch paroi à 18 sur N plans successifs Δθ = π/n Anisotropie uniaxiale : E A = K (3cos 2 " 1) Echange premiers voisins : E éch = 2J m 1 m 2 coût en anisotropie : surface de la paroi N E A = " S $ K(3cos 2 # a 2 i "1) + 2N S a K = "3 S 2 a K $ 2 cos2 # i + 3N S a K 2 i =1 réseau carré dans le plan N>>1, somme continue N E A = "3 S a 2 K $ cos2 # i + 3N S a 2 K = "3 S K a 2 # & cos2 # d# + 3N S a 2 K i=1 énergie sans paroi # E A = "3 S a NK 1 % cos 2 $ d$ + 3N S 2 # a K = N S a K 2 N i =1 % 41

12 Coût en énergie d'échange : E éch = N S a 2 ("2J m2 cos# + 2J m 2 ) = N S a 2 2J m2 ("1 + # 2 Coût total : E éch = S a J " 2 2 m2 N E = E A + E éch = S # 3 a 2 2 KN + J " 2 & % $ m2 N ( ' ) Minimisation : N = 2 3 J m 2 K Ordres de grandeur : K =,1 K/atome, J m 2 = 1 K/atome N 26 épaisseur de paroi: a = 2,5 Å e 65 Å =,65 µm énergie par unité de surface: = 3 2 " J m2 K a 2 γ = 8,5 1-3 J/m 2 42

13 Taille limite d'un cristal monodomaine Toujours pour le même exemple uniaxial, échantillon sphérique R Energie magnétostatique: E d = 1 2 µ n M 2 V E d Energie de paroi: E d = 2 9 µ M 2 R 3 E p = S E p = " R 2 Rayon limite R lim = 9 " 2 µ M 2 épaisseur de paroi Grains fins monodomaines 43

Processus d'aimantation Polycristal en champ externe H <M> Droite de champ démagnétisant Monocristal de NiCo (cubique) µ H = Hystérésis µ H = 5,1 Oe µ H = 6 Oe En champ interne, sur des monocristaux

14 Processus d'aimantation Polycristal en champ externe H <M> Droite de champ démagnétisant Monocristal de NiCo (cubique) µ H = Hystérésis µ H = 5,1 Oe µ H = 6 Oe En champ interne, sur des monocristaux (Anisotropie) H Rotation d'aimantation Déplacement irréversible des parois Déplacement réversible (élastique) des parois µ H = 1,8 Oe µ H = 1,4 Oe µ H = 1,4 Oe µ H = ex.: L'axe de facile aimantation du fer est [1 ]. D'après R.W. de Blois, GE lab. Rep. (1965) 44

15 Processus d'aimantation Déplacement des parois Système à deux domaines : Equilibre d'une paroi M 1,V 1 M 2,V 2 de = µ H M 1 dv 1 µ H M 2 dv 2 = µ ( H M 1 H M 2 )dv Equilibre µ H M 1 = µ H M 2 Pression magnétique P = µ H M (analogie avec un gaz) 45

16 P = µ H M = cst Aimantation de l'ellipsoïde: H = H + H d = H n M = M = 1 n Solution d'équilibre entre domaines H le système s'ajuste pour avoir <M>? 1/n H = saturation H = H Nucléation: comment réapparaissent les domaines disparus? - Persistent autour de défauts qui les favorisent. - Réapparaissent "ex nihilo", par activation thermique favorisée par les défauts. 46

17 Mise en évidence de l'irréversibilité des processus d'aimantation fer "martyrisé": forgé, impuretés <M> fer pur <M> hystérésis 1/n rémanence H H Effet Barkhausen (1919) M Processus d'aimantation discontinu I H.P. t bobine de détection Amplificateur barreau ferromagnétique I bobine de champ le déplacement des parois est gêné rôle des défauts 47

18 Exemple : accrochage d'une paroi par un défaut non magnétique dans Fe M H H H H Domaines en épine autour d'une inclusion non magnétique <M> 4 M H 48

19 Matériaux doux (fer ductile) Processus d'aimantation réversibles grande perméabilité 1 < µ r < 3 <M> Ms Optimisation: - pureté et absence de défauts de structure - faible anisotropie : énergie de paroi faible, nucléation facile 1/n zz Hs H zone où H = H rotation de l aimantation Problème des pertes en fréquence: - augmenter la résistivité : Fe-Si - "feuilletage" - passage à des isolants: ferrites 49

20 Matériaux durs (fer dur, cassant) Processus d'aimantation irréversible aimants permanents Optimisation: -défauts (fer dur) -fractionnement (grains fins, frittés, liés) -anisotropie : terres rares, effet de forme Nom d'usage Composition µ H c (T) µ M r (T) origine de la coercitivité Ferrites de barium BaO(Fe 2 O 3 ) 6,2,4 anisotropie magnétocristalline, grains fins Alnico Fe (5%) Al (1%) (Ni+Co) 4%,1 1,2 anisotropie de forme des grains précipités Samarium-cobalt SmCo 5 2,5 1 anisotropie magnétocristalline,, grains fins Néodyme-fer-Bore Nd 2 Fe 14 B 1 1,4 anisotropie magnétocristalline,, grains fins 5

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