Ferromagnétisme

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Le ferromagnétisme désigne la capacité de certains corps de s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur et de garder cette aimantation. Ils se distinguent des paramagnétiques qui ne conservent pas leur aimantation à champ nul. Il existe deux sous-catégories, à savoir les ferromagnétiques durs (que l'on appelle aimants permanents) et les ferromagnétiques doux. Ces matériaux se rencontrent dans l'industrie, comme dans la vie quotidienne. L'usage le plus commun est le "magnet", un aimant permanent (un ferromagnétique dur) que l'on pose sur son réfrigérateur.

Collection de magnets

Généralités sur le ferromagnétisme[modifier | modifier le code]

Origine du ferromagnétisme[modifier | modifier le code]

L'une des propriétés fondamentales d'un électron (outre le port d'une charge électrique) est de disposer d'un moment magnétique, c'est-à-dire qu'il se comporte comme un petit aimant. Ce moment magnétique provient d'une propriété fondamentale de l'électron : le spin. La mécanique quantique nous enseigne que le spin peut être "up" ou "down".
Il existe à l'échelle microscopique un ordre expliquant le ferromagnétisme. Lorsque les moments magnétiques dans un échantillon sont alignés, (orientés dans la même direction) leurs champs magnétiques, bien que faibles individuellement, s'ajoutent pour créer un champ macroscopique beaucoup plus grand. Cette première description "avec les mains" n'est pas tout à fait exacte mais elle donne une bonne première approche de ce phénomène. Pour comprendre avec précision l'ordre microscopique, se reporter à la partie sur l'interaction d'échange d'Heisenberg.

Susceptibilité magnétique[modifier | modifier le code]

Un matériau ferromagnétique s’aimante sous l’effet d’un champ extérieur. Il convient donc d’étudier la susceptibilité d’un tel matériau.

Rappel définition de la susceptibilité[modifier | modifier le code]

Cette grandeur traduit la capacité d’un matériau à s’aimanter sous l’effet d’une excitation magnétique extérieur.

Dans le cas général, la susceptibilité vaut :

\left.\chi_m=\frac{\partial M_{m,H}}{ \partial H}\right | _{H=0}

La susceptibilité des ferromagnétiques[modifier | modifier le code]

La susceptibilité \chi des ferromagnétiques est positive et très grande. Sa valeur se situe entre 50 et 10 000. Dans le cas des ferromagnétiques doux, cette propriété est très utilisée car elle va permettre d'obtenir une forte induction à partir d'une faible excitation extérieure. C’est pour ça qu’on utilise ces derniers pour canaliser les lignes de champ. Les ferromagnétiques en général, possèdent une aimantation spontanée et leurs propriétés dépendent de l’histoire magnétique du matériau, ce qui mène à l’étude des cycles d’hystérésis.

Influence de la température[modifier | modifier le code]

L’aimantation diminue lorsque la température augmente jusqu'à atteindre une valeur nulle pour la température de Curie

La température influence fortement l’ordre magnétique établi. On définit la température de Curie T_c comme étant la température critique à partir de laquelle le matériau n'est plus ferromagnétique mais paramagnétique.

Pour T < T_c, il existe un ordre magnétique décrit en partie par l’interaction d’échange Heisenberg. Le matériau est ferromagnétique.

Pour T > T_c, l’agitation thermique est telle qu’il n’existe plus d’ordre. Le matériau se comporte alors comme un paramagnétique.

Les cycles d’hystérésis[modifier | modifier le code]

Définition[modifier | modifier le code]

Lorsque l'on applique un champ magnétique externe sur un matériau ferromagnétique, les moments magnétiques s'orientent dans la même direction que le champ. Par la suite, même lorsque le champ est supprimé, une partie de l'alignement est conservé : le matériau s'est aimanté. En appliquant un champ magnétique opposé suffisamment intense, les moments magnétiques se renversent mais l'aimantation ne suit pas le chemin initial. Il y a un cycle d'hystérésis.

En partant d'un matériau démagnétisé ( H = M = 0 ), le tracé de la variation de M en fonction de H avec l'augmentation de l'intensité du champ, M suit la courbe dite de première aimantation.

Cette courbe augmente rapidement au début, puis se rapproche d'une asymptote appelée "saturation magnétique" . Si le champ magnétique est maintenant réduit de façon monotone, M suit une courbe différente. À champ nul, l'aimantation est décalée par rapport à l'origine d'une quantité appelée la rémanence. La diminution supplémentaire du champ conduit à la diminution progressive de l'aimantation, et passe par zéro au moment du champ coercitif. À partir de là, l’aimantation s'inverse puis arrive à un minimum obtenu pour des valeurs de champ négatives. Le tracé de toutes les valeurs de l'aimantation en fonction du champ magnétique montre une courbe d'hystérésis.

Cycle d'hystérésis d'un matériau ferromagnétique :
(1) Courbe de 1re aimantation.
Les intersection Hc et Hr sont respectivement le champ coercitif et le champ rémanent.

Grandeurs notables[modifier | modifier le code]

  • L’aimantation à saturation Ms correspond à la réponse maximale du matériau.
  • L’aimantation rémanente Mr est l’aimantation sans excitation extérieure.
  • Le champ coercitif est le champ pour lequel l’aimantation est nulle.

Les ferromagnétiques durs[modifier | modifier le code]

Ces matériaux ont une aimantation rémanente et un champ coercitif élevé. Ils sont utilisés pour fabriquer les aimants permanents.

Les ferromagnétique doux[modifier | modifier le code]

Ils ont un champ coercitif très faible et une très forte susceptibilité. Le cycle est donc très étroit.

L’aire représentée à l'intérieur du cycle correspond aux pertes magnétiques lorsque le matériau effectue un cycle complet. Cette perte magnétique se traduit en émission de chaleur. Ces émissions de chaleur sont problématiques pour un grand nombre d'applications. On comprend donc que ces matériaux sont utilisés pour des applications travaillant en fréquence car leur cycle est étroit et donc les pertes sont minimisées.

Liste de matériaux ferromagnétiques[modifier | modifier le code]

Éléments ferromagnétique et température de Curie
Matériaux T° de Curie (K)
Co
1388
Fe
1043
MnBi
630
Ni
627
MnSb
587
CrO2
386
MnAs
318
Gd
292
Dy
88
EuO
69

Le ferromagnétisme à l’échelle microscopique[modifier | modifier le code]

Les matériaux ferromagnétiques sont aimantés même en l’absence de champ extérieur. Cela signifie que les moments magnétiques ont une résultante non-nulle. Il existe donc un ordre à l’échelle atomique qui est dû à des forces comme l’interaction d’échange d'Heisenberg.

Interaction d’échange d'Heisenberg[modifier | modifier le code]

L'interaction d’échange d'Heisenberg est une interaction couplant deux spins consécutifs formant l’angle θ ij:
W_{i,j} = -A_{i,j} \vec{S_{i}} .\vec{S_{j}}

A_{i,j} est appelée l’intégrale d’échange (A = 2.10^{-11} J/m pour le Fe)

Cette interaction décroit très rapidement avec la distance. Elle met donc en jeu très majoritairement les premiers voisins.

- Pour A_{i,j} > 0, l’interaction d’échange tend à aligner les moments parallèlement entre eux. Il existe donc un moment magnétique macroscopique. L’ordre est dit ferromagnétique.

- Pour A_{i,j} < 0, les premiers voisins s’alignent antiparallèlement. Il n’y a donc pas de moment macroscopique résultant, sauf si les deux spins n'ont pas la même amplitude. L’ordre est dit antiferromagnétique.

Remarque : l’interaction d’échange Heisenberg est une interaction électrostatique. Elle existe donc pour des atomes dont les couches électroniques ne sont pas remplies. On retiendra les métaux de transition (correspondant au remplissage de la couche 3d) et les terres rares (couche 4f).

Anisotropies magnétiques[modifier | modifier le code]

L’anisotropie magnéto-cristalline[modifier | modifier le code]

Lorsque l’atome se trouve au sein d’un cristal, la présence des ions du réseau cristallin modifie les orbitales électroniques et influe sur les directions prises par le moment magnétique orbital de façon à respecter le plus possible les symétries du cristal. Par des considérations énergétiques, cela revient à minimiser l’énergie et donc à favoriser certaines directions par rapport à d’autres.

L’anisotropie de forme[modifier | modifier le code]

Lorsqu’un matériau subit un champ magnétique externe, il se créé en son sein un champ démagnétisant dans une direction opposée. La présence de ce champ démagnétisant rend anisotropes les propriétés magnétiques du matériau selon sa forme. On retient que l’anisotropie de forme est indépendante de l’anisotropie magnéto-cristalline et tend à favoriser l’aimantation du matériau selon ses grandes dimensions.

L’anisotropie de surface[modifier | modifier le code]

Les atomes se trouvant à la surface du matériau ont un environnement différent de ceux se situant à l’intérieur. En effet le nombre d’atomes voisins est diminué de manière conséquente. Cette situation tend à rendre l'aimantation perpendiculaire à la surface.

En conclusion, l’anisotropie magnétique tend à créer des axes de facile aimantation. Si un champ magnétique extérieur est appliqué au matériau dans une direction non privilégiée alors il sera plus difficile de l’aimanter.

Le ferromagnétisme à l’échelle mésoscopique[modifier | modifier le code]

Les domaines magnétiques[modifier | modifier le code]

Domaines magnétiques: dans la configuration (1), l'énergie est maximisée, alors qu'elle est diminuée dans les configurations (2), (3) et (4).

Comme le précise la partie précédente, il existe un ordre à l’échelle atomique qui tend à aligner tous les moments magnétiques. Cependant, en extrapolant à l’échelle d’un échantillon (en considérant que tous les moments magnétiques de l’échantillon sont alignés), la théorie donne une valeur bien plus élevée que la valeur expérimentale.

En réalité, le matériau comporte plusieurs domaines d'orientation du moment magnétique différentes, minimisant l'énergie magnétostatique totale du matériau. Ces domaines magnétiques sont appelés Domaine de Weiss.

À l’intérieur de chaque domaine, les moments magnétiques sont alignés et cet alignement varie de l’un à l’autre. La paroi séparant plusieurs domaines est appelée « paroi de Bloch ». L’existence de ces domaines permet d’expliquer la courbe de première aimantation et le cycle d’hystérésis.

Courbe de première aimantation[modifier | modifier le code]

À partir d’une aimantation nulle à champ nul, en augmentant faiblement le champ extérieur, des moments magnétiques dans certains domaines se retournent. Si un domaine est déjà aligné dans le sens du champ appliqué, les domaines voisins s’alignent progressivement. Cela revient à un déplacement de la paroi de Bloch. Ce mécanisme, réversible pour de faibles champs, devient irréversible pour des champs extérieurs moyens. Enfin, pour de fortes excitations magnétiques, il se produit une rotation des aimantations des domaines dans la direction du champ extérieur. Macroscopiquement, Ms est atteinte.

Ceci correspond à la courbe de première aimantation jusqu’à saturation.

Origine de l’hystérésis[modifier | modifier le code]

D’après la partie précédente, il résulte qu’en faisant décroitre l’excitation magnétique H, la courbe de désaimantation ne prend pas le chemin initial et passe au-dessus de la courbe d’aimantation (cf cycle d’hystérésis). Ce retard à la désaimantation est dû à l’irréversibilité du déplacement des parois de Bloch.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Max Brousseau, Physique du solide. Propriétés électroniques, Paris, Masson, 1992 (ISBN 2-225-83975-1)
  • José-Philippe Pérez, Robert Carles et Robert Fleckinger, Électromagnétisme fondements et applications, Liège, Dunod, 2001 (ISBN 2-10-005574-7)
  • José-Philippe Pérez, Robert Carles et Robert Fleckinger, Électromagnétisme Vide et milieux matériels, Paris, Masson, 1990 (ISBN 2-225-82294-8)
  • François Leprince-Ringuet, Matériaux ferromagnétiques usuels, Article techniques de l'ingénieur, 1994
  • Jean-Pierre Nozière, Ferromagnétisme, Article techniques de l'ingénieur, 1998
  • Jean-Louis Porteseil, Ferromagnétisme, Article techniques de l'ingénieur, 1989

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Matériau ferromagnétique dur Matériau ferromagnétique doux