Physique du magnétisme
1.1.4 Types des matériaux magnétiques
= (1.16) Avec l'expression (1.16) également nous avons le moment magnétique de spin exprimé en tant que nombre quantique. Enfin, le moment magnétique total mt est donné par: ) 2 ( l S mrt Br B r
µ
µ
+ − = (1.17)1.1.4 Types des matériaux magnétiques
Les substances et les matériaux pouvant être magnétisés par la présence d’un champ magnétique sont appelés matériaux magnétiques (Chikazumi, 1964). Il existe plusieurs types de matériaux magnétiques chacun est caractérisé par sa structure propre (Alfredo de blas del hoyo, 2005). Pour la classification des matériaux magnétiques, nous utilisons l’approche de la susceptibilité magnétique notée par χ reliant l’aimantation M du matériau au champ magnétique appliqué H :
H
Mr r
χ
= (1.18) La susceptibilité magnétique se mesure en Henry/mètre. En effet, la susceptibilité relative par rapport à la perméabilité du vide µ0 est donnée par :
0
µ
χ
χ
= (1.19)Substituons l’équation (1.18) dans (1.1), on aura :
H H Br r r
µ
µ
χ
+ = =( 0) (1.20) La valeur de la susceptibilité relative est de l’ordre de 10-5 pour les matériaux à faible aimantation jusqu’à 106 pour les matériaux à forte aimantation. Dans d’autres matériaux, la valeur de la susceptibilité peut être négative, constante où dépendante du champ appliqué H. Cependant, la susceptibilité magnétique relative dépend de la strructure du matériau ce qui justifié son adoption comme critère de classification des matériaux magnétiques.Chapitre 1 Physique du magnétisme
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1.1.4.1 Diamagnétisme
L'effet d'un champ magnétique donne à l'ensemble du mouvement électronique une vitesse angulaire de rotation autour de la direction du champ magnétique appliqué : phénomène classique d'induction. Ce moment magnétique induit est proportionnel au champ appliqué et s'oppose à ce dernier. C'est l'origine du diamagnétisme qui est donc un phénomène tout à fait général mais qui peut être masqué par les autres phénomènes dont l'effet est plus important. Parfois, on emploi le terme de diamagnétisme parfait pour désigner le comportement des supraconducteurs qui créent en leur sein des courants induits qui s'opposent à toute variation de champ magnétique. Cette propriété est utilisée pour produire la lévitation magnétique des supraconducteurs.
Figure 1.2 Diamagnétisme
Cependant, Les matériaux diamagnétiques ont une faible aimantation qui s’oppose à la direction du champ appliqué. Par conséquent, leurs susceptibilités sont négatives et faibles de l’ordre de -10-5. On trouve les diamagnétiques dans les différents types de la matière. L’application d’un champ magnétique induit une rotation orbitale des électrons autour du noyau ce qui engendre la création d’un moment magnétique, mais par application de la loi de Lenz le courant résultant de ce moment induit s’oppose au champ appliqué.
1.1.4.2 Paramagnétisme
Lorsque les atomes possèdent leur propre moment magnétique permanent, le diamagnétisme (toujours présent) est masqué par le paramagnétisme. Sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, ces atomes ‘petits aimants permanents’ s'orientent selon le champ appliqué et l'amplifient. Ce phénomène est limité par l'agitation thermique et dépend fortement de la température (loi de Curie) :
B
T
C
Mr r
=
(1.21) Où C représente la constante de Curie.M
H
Chapitre 1 Physique du magnétisme
Ce phénomène est lié à l'existence du spin de l'électron.
• Pour les atomes : Un atome dont les couches électroniques sont totalement remplies ne possède pas de moment magnétique. Lorsque les couches sont incomplètes, il y a toujours un déséquilibre qui produit un moment magnétique de spin.
• Pour les solides cela peut être très différent : les électrons externes participent aux liaisons chimiques. Dans les liaisons covalentes, les électrons appariés sont de spin opposé. Les ions des cristaux ioniques ont des couches complètes. On peut donc avoir une disparition du magnétisme propre. L'existence du paramagnétisme subsiste pour les solides composés d'atomes ayant des couches électroniques internes incomplètes : métaux de transitions et Lanthanides (terres rares) par exemple.
Figure 1.3 Paramagnétisme
Les matériaux paramagnétiques ont aussi une faible susceptibilité magnétique positive est constante. L’ordre de grandeur de la susceptibilité de ces matériaux est de 10-3 à 10-5.
1.1.4.3 Antiferromagnétiques
Les matériaux antiferromagnétiques ont une faible magnétisation et une succeptibilité positive. Dans ce cas de substances, les moments magnétiques des ions du réseau cristallin sont orientés deux à deux en sens contraire. Dans un champ magnétique, et au dela de la température de Néel, il se produit une légère aimantation comme celle des paramagnétiques.
M
H
Chapitre 1 Physique du magnétisme
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Figure 1.4 Antiferromagnétisme
1.1.4.4 Ferrimagnétisme
Le mot ferrimagnétisme est le terme proposé par Néel pour décrire le comportement magnétique des ferrites. Dans ces matériaux les ions occupent deux types de réseaux cristallins. Dans le premier type les spins sont orientés dans une même direction alors que dans le deuxième réseau cristallin leurs orientations sont telles qu’ils s’opposent aux spins du premier réseau. Comme le nombre d’ions dans les deux réseaux ne doivent pas être les mêmes, le résultat serait donc favorable pour une aimantation du matériau dans une direction déterminée. En effet, cette aimantation est appelée aimantation spontanée car elle est produite sans intervention du champ extérieur.
La configuration des spins se déforme par agitation thermique avec l’augmentation de la température ce qui diminue l’aimantation résultante. A la température de curie (Tc), la configuration des spins devient aléatoire et l’aimantation spontanée disparaît, au dessus de cette température, la matière se comporte comme un paramagnétique.
Figure 1.5 ferrimagnétisme
1.1.4.5 Ferromagnétisme
C'est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très fortement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, et pour certains : les aimants (matériaux magnétiques durs) de garder une aimantation importante même après la disparition du champ extérieur. M H 1/χ χ T (°c) H M H H 1/χ χ T (°c) TN
Chapitre 1 Physique du magnétisme
Figure 1.6 Ferromagnétisme
Le ferromagnétisme est semblable à celui du ferrimagnétisme, avec la différence que tout les spins s’orientent en parallèle et dans la même direction. Comme dans le ferrimagnétisme, sans appliquer un champ externe il apparaît une aimantation spontanée qui disparaît au dela de la température de Curie où le matériau se comportera comme un matériau paramagnétique(Figure 1.6).
Malgré la présence de l’aimantation spontanée, les corps ferromagnétiques ne sont pas magnétisés généralement cela est dû à la présence de domaines magnétiques ayant chacun une aimantation spontanée dirigée vers une direction arbitraire dont laquelle la contribution de tous les domaines rend le matériau dans un état démagnétisé.
Si on applique un champ magnétique externe variable, l’aimantation du matériau change en décrivant une courbe dite courbe de première aimantation (figure 1.7), la zone de saturation correspond à l’aimantation spontanée. A partir de la saturation, une fois le champ appliqué diminue, l’aimantation diminue encore mais elle ne revient pas à la valeur initiale. Ce processus irréversible est appelé hystérésis magnétique. M H H 1/χ χ T (°c)
Chapitre 1 Physique du magnétisme