Les matériaux ferromagnétiques sont des corps qui ont la capacité 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 aimant permanent) et les ferromagnétiques doux. Ces matériaux se retrouvent dans l'industrie, comme dans la vie quotidienne. L'usage le plus commun est le "magnet" qui est un aimant permanent (un ferromagnétique dur) que l'on pose sur son réfrigérateur.

Généralité sur le ferromagnétisme modifier

Origine du ferromagnétisme modifier

L'une des propriétés fondamentales d'un électron (outre qu'il porte la charge) est qu'il dispose d'un moment magnétique dipolaire, c'est à dire qu'il se comporte comme un petit aimant. Ce moment dipolaire provient d'une propriété fondamentale de l'électron : le spin. La mécanique quantique nous apprend que le spin peut être 'up' ou 'down'.
Il existe un ordre à l'échelle microscopique qui explique le ferromagnétisme. Lorsque les spins dans un échantillon sont alignés, (orientés dans la même direction) leurs champs magnétiques, bien que faibles individuellement, s'accumulent 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

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

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

La susceptibilité $\chi$ des ferromagnétiques est positive et très grande, sa valeur est 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, possède une aimantation spontanée et leurs propriétés dépendent de l’histoire magnétique du matériau ce qui nous amène à l’étude des cycles d’hystérésis.

Influence de la température modifier

La température influence fortement l’ordre magnétique établit. On définit $T_{c}$ la température de Curie 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.

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

Les cycles d’hystérésis modifier

Définition modifier

Lorsque l'on applique un champ magnétique externe sur un matériau ferromagnétique, les moments magnétiques des électrons vont s'aligner dans la même direction que le champ. Par la suite, même lorsque le champ est supprimé, une partie de l'alignement sera 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.

Si l'on part d'un matériau démagnétisé ( H = M = 0 ) et que l'on trace la variation de M en fonction de H. Lorsque l'on augmente 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. A champ nul, l'aimantation est décalée par rapport à l'origine d'une quantité appelée la rémanence. Si l'on continue à diminuer le champ, l'aimantation va diminuer au fur et à mesure et passera par zéro au moment du champ coercitif. A partir de là l’aimantation se retournera puis arrivera à un minimum obtenue pour des valeurs de champ négative. Si l'on trace toutes les valeurs de l'aimantation en fonction du champ magnétique, on obtient une courbe d'hystérésis.

Grandeurs notables modifier

- L’aimantation à saturation correspond à la réponse maximale du matériau.
- L’aimantation rémanente est l’aimantation sans excitation extérieure. Si cette valeur est importante, on est en présence d'un aimant.
- Le champ coercitif est le champ pour lequel l’aimantation est nulle.

Les ferromagnétiques durs modifier

Ces matériaux sont dit « aimants permanents » car ils ont une aimantation rémanente sous champ nul. Il présente aussi un champ coercitif élevé.

Les ferromagnétique doux modifier

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 va se traduire 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

Le ferromagnétisme ne concerne que les matériaux des couches 3d et 4f.

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

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 organisé par des forces comme l’interaction d’échange Heisenberg.

Interaction d’échange Heisenberg modifier

C’est une interaction qui couple deux spins consécutifs formant l’angle θ ij:
$W_{i,j}=-A_{i,j}{\vec {S_{i}}}.{\vec {S_{j}}}$

Où $A_{i,j}$ 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 : aimantation spontanée. 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. 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

L’anisotropie magnéto-cristalline modifier

Lorsque l’atome se trouve au sein d’un cristal, la présence des ions du réseau cristallin va modifier les orbitales électroniques et influer 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

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

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

Les domaines magnétiques modifier

Comme nous l’avons précisé dans la partie précédente, il existe un ordre à l’échelle atomique qui tend à aligner tous les moments magnétiques. Cependant, en extrapolant cela 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 différente qui vont minimiser l'énergie magnétostatique totale du matériau. Ces domaines magnétiques sont appelés domaines de Weiss.

A 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 nous permet d’expliquer la courbe de première aimantation et le cycle d’hystérésis.

Courbe de première aimantation modifier

Partons d’une aimantation nulle à champ nul. En augmentant faiblement le champ extérieur, des moments magnétiques dans certains domaines vont se retourner. Si un domaine est déjà aligné dans le sens du champ appliqué, les domaines voisins vont petit-à-petit s’aligner. Cela revient à dire que l’on a déplacé la paroi de Bloch. Ce mécanisme est réversible pour de faible champ. Il devient irréversible pour des champs extérieurs moyens. Enfin, pour de fortes excitations magnétiques, se produit une rotation des aimantations des domaines dans la direction du champ extérieur. Macroscopiquement, Ms est atteinte.

Origine de l’hystérésis modifier

Nous venons d’étudier la courbe de première aimantation jusqu’à saturation. D’après la partie précédente, nous savons pertinemment qu’en faisant décroitre l’excitation magnétique H, la courbe de désaimantation ne prend pas le chemin initiale 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 référence modifier

Bibliographie modifier

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

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