I. 7 . LE DIAGRAMME B-H
I.7.2. Processus de polarisation et diagramme B-H
Soit un monocristal de fer, pratiquement sans défauts, dans lequel les domaines magnétiques se présentent tels qu'à la figure I.21 (a).
Dès qu'on applique un champ H comme indiqué, l'énergie des moments magnétiques est augmentée dans les domaines 2 et 3, et dans une plus faible mesure dans le domaine 5.
Le respect de la condition de l'énergie minimum dans l'échantillon entraîne alors une diminution du volume de ces domaines. Dans un champ H croissant, la structure des domaines prendra donc successivement les allures représentées à la figure I.21(b) puis I.21(c). Finalement, un seul domaine orienté selon H subsistera. Dans cet exemple idéal, le déplacement des parois de bloch est parfaitement libre. En coupant H, on se retrouve donc à l’état initial (fig. I.21(a)), le processus de polarisation est réversible.
Les défauts cristallins ont un effet important sur la forme du programme B-H.
Le tableau I.3 illustre l’action des défauts ponctuels sur le déplacement des parois de Bloch, à l’interieur d’un monocristal,
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Tableau I.3 : défauts ponctuels à l’interieur d’un monocristal d’après [49],
Dans un milieu polycristallin, un processus analogue à celui décrit au tableau I.3 se produit dans chaque grain. Toutefois, la situation est compliquée par les interactions d'ordre magnétostatique et magnétostrictif existant entre grains voisins. A nouveau, la structure des grains joue un rôle très important.
La forme du diagramme B-H peut varier fortement d'un matériau magnétique à l'autre (fig. I.21). Pour un matériau donné, elle varie en fonction des conditions d'utilisation et plus particulièrement en fonction de l'amplitude du champ magnétique (fig.I.22).
Alnico
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Figure I.22: Variation de la forme du diagramme B-H.
Figure I.23: Effets de l'amplitude du champ sur le diagramme B-H d'un alliage fer-nickel
La fonction B (H) observée à champ croissant sur un échantillon n'ayant jamais été polarisé (à l'échelle macroscopique) porte le nom de courbe de première aimantation.
A champ décroissant, la fonction B (H) s'écarte de la courbe de première airnan-tation, en raison du caractère irréversible de la polarisation. En régime périodique, la fonction B(H) prend la forme d'un cycle d'hystérésis.
Seule une élévation de la température de l'échantillon au-dessus du point de Curie permet de décrire une nouvelle fois la courbe de première aimantation. La matière magnétique garde en quelque sorte la mémoire des polarisations qu'elle a subie [49].
I.7.2.1. Mouvement des dislocations
Les défauts linéaires, appelés dislocations, sont à l'origine des processus liés à la déformation plastique [50]. Les défauts se déplacent dans le matériau sous les contraintes de cisaillement. Le déplacement est freiné par les joints des grains, les frontières entre phases différentes de la structure du matériau et par la surface. Les limites des domaines magnétiques constituent également un obstacle pour le déplacement des dislocations. Ainsi, la suppression de ces limites par application du champ magnétique, dans le cas des matériaux ferromagnétiques, facilite le déplacement des dislocations.
La surface de contact est un obstacle final aux mouvements des dislocations. Cela conduit à un durcissement de la surface sur une certaine épaisseur par concentration des défauts montés du volume. En conséquence, le comportement en frottement et usure de la surface peut être modifié par cette augmentation de la micro-dureté.
Le durcissement des pistes de contact par la concentration des défauts et les contraintes cycliques qui y siègent pendant le frottement en présence du champ magnétique conduisent à la fragilisation d'une couche superficielle. Cette couche, dont la limite élastique augmente et la contrainte de clivage diminue par rapport au matériau volumique, change de température critique, de transition concernant la
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limite élastique et plastique de la surface de contact et présente un caractère fragile à la rupture. La disparition du caractère ductile des surfaces de contact glissant peut diminuer l'adhérence des surfaces et le coefficient de frottement.
I.7.2.2. Concentration de défauts ponctuels dans les oxydes
Les oxydes non stoechiométriques possèdent un léger excès de cation Mn+ (métal) ou d'anion O2- (oxygène). Leur formule générale correspond respectivement à Ml+xOv et Ml-xOv où x représente un nombre positif (x <<1). La charge associée à
l'excès d'ions est compensée par la présence de charges électroniques.
Ainsi, dans les oxydes M1+xOv, des électrons compensent la charge positive due à l'excès de cations. Ces oxydes sont des semi-conducteurs de type n: Fe2O3 dans le cas d'oxyde de fer.
Dans les oxydes Ml-xOv, ce sont des trous, autrement dit, des absences d'électrons, qui compensent la charge négative due à un excès d'anion. Ces oxydes correspondent donc à des semi-conducteur de type p: FeO dans le cas d'oxyde de fer. La concentration des défauts ponctuels à l'équilibre dans les oxydes non stoechio-métriques varie avec la pression partielle d'oxygène. Pour un oxyde de type n (conduction par électrons), bivalent, qui contient des cations interstitiels bivalents Mi" (”signifie deux charges positives), l' équilibre avec l'oxygène s' écrit avec la notion de charge électronique négative e-:
MO = 1/2 O2 + Mi" + 2e-
Les semi-conducteurs de type n ou de type réduction perdent facilement de l'oxygène par chauffage sous vide ou en atmosphère réductrice [55]. .
La figure I.24 représente schématiquement cet équilibre entre un oxyde bivalent de type n et l'oxygène.
Figure I.24: Equilibre entre un oxyde bivalent de type n et l'oxygène,
De façon analogue, pour les oxydes de type p, il existe un équilibre entre l'oxygène et les lacunes cationiques. Pour un oxyde bivalent contenant des lacunes cationiques bivalentes VM"(Signifie deux charges négatives), l'équilibre avec
l'oxygène s'écrit avec la notion de charge électronique positive h (Fig. I.25): 1/2 O2 =MO +VM"+2h
Les semi-conducteurs de type p (conduction par trous) ou de type oxydation adsorbent facilement de l'oxygène par chauffage ou en atmosphère oxydante.
Les oxydes Ml+xO de type n croissent par la diffusion de cations interstitiels
d'électrons dans l'oxyde, dépendant de leur concentration à l'interface oxyde-métal alors que la croissance des oxydes Ml-xO de type p est proportionnelle au coefficient
de diffusion des lacunes cationiques et de trous dans l'oxyde et à leur concentration à l'interface oxyde gaz.
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La concentration de lacunes cationiques augmente avec la pression partielle d'oxygène dans les oxydes de type p tandis qu'elle diminue dans les oxydes de type n [37].
Figure I.25: Equilibre entre un oxyde bivalent de type p et l'oxygène.