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Le champ coercitif

Louis Weil

To cite this version:

(2)

LE CHAMP COERCITIF

Par LOUIS WEIL.

Sommaire. - L’auteur

rappelle la théorie du champ coercitif des ferromagnétiques connexes telle

qu’elle résulte des travaux de Becker et Kersten, puis les progrès faits par l’introduction, due à Néel, des champs démagnétisants internes et signale quelques vérifications. Il étudie ensuite en détail le champ coercitif des grains fins. Après avoir donné les formules théoriques attribuant aux tensions

internes, à l’anisotropie magnétique de la substance et à l’anisotropie de forme des grains les origines

du champ coercitif observé dans ces conditions, il montre que les expériences faites jusqu’ici sont

venues confirmer le rôle de ces deux dernières. Les limites supérieure et inférieure des dimensions des grains et le rôle du tassement dans les agglomérés sont discutés à la lumière de la théorie et des

expériences.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET RADIUM.

42,

1951,

I. Introduction. - C’est dans les

vingt

dernières années que la théorie du

champ

coercitif a été édifiée. On admet

aujourd’hui

que les

origines

du

champ

coercitif sont

multiples :

Becker

[1]

a montré l’influence des tensions internes et donné une for-mule faisant intervenir

~,7,

Akulov

[2]

a introduit

l’anisotropie magnétique

et établi que

H,

dépendait

de

~,

Kersten

[3,

4]

a aperçu le rôle des cavités

dont Néel a rendu

compte

en même

temps

qu’il

a

donné une théorie

générale

de l’influence des

champs

démagnétisants

internes d’abord pour les subs-tances massives

[5, 28],

puis

pour les

grains

isolés

[6].

Les vérifications des formules pour les corps massifs sont difficiles : nous n’en citerons que

quelques-unes. Pour les

poudres,

ou d’une manière

générale

les

ferromagnétiques dispersés,

on

peut

serrer de bien

plus près

la théorie. Becker et

Dôring

[7]

avaient

déjà

reconnu que la valeur

maximum 3

"Acr

2 J

qu’ils

avaient

prévue

pour le

champ

coercitif dû

aux tensions ne

pouvait

être atteinte que dans la

mesure où des

déplacements

de

paroi

ne se

pro-duisent pas. Akulov avait donné sa formule

en K

J pour le cas où les « divers domaines de l’aimantation

spontanée

sont isolés au

point

de vue

énergétique

».

Mais ni l’un ni l’autre n’avaient tiré la

conséquence

logique

de leurs considérations : le

déplacement

de

paroi

est

évité,

l’indépendance énergétique

des domaines est

réalisée,

quand

on a affaire à des

grains séparés

constituant chacun un domaine élé-mentaire. Pourtant on connaissait

déjà

les

expé-riences relatives au

grand champ

coercitif des

impu-retés

ferromagnétiques

du laiton

[14]

ou à l’accrois-sement de

champ

coercitif de la

magnétite

au fur

et à mesure de sa division

[15, 16]

et l’on savait

déjà, après

les

expériences

d’Elmore

[17]

que de

petits grains

de

ferromagnétique

constituaient des domaines élémentaires.

C’est tout de suite avant ou

pendant

la guerre

que les

conséquences

de cet ensemble de résultats ont été

tirées;

les circonstances ont conduit à des retards dans les

publications qui

ont

peut-être

altéré l’ordre

chronologique

des découvertes. Guillaud

[8]

a

fabriqué

pour la

première

fois des

poudres

d’alliages

fortement

anisotropes,

étudié leur

champ

coercitif et montré

[9] qu’une

formule du

type

d’Akulov

s’appliquait

[10].

Néel

[6]

a établi que

l’anisotropie

de forme donnait un

champ

coercitif notable à

n’importe quelle poudre ferromagnétique.

Néel,

Weil et

Aubry

[11]

ont

indiqué

une méthode

de

préparation générale

de ces

poudres.

Guillaud

[10]

a

signalé

une formule tenant

compte

des tensions internes.

Enfin,

on trouve chez Stoner

[12,

13]

une étude tout à fait

remarquable

de l’ensemble de la

question

des

poudres

ferromagnétiques

et

alliages

finement

dispersés.

Nous reviendrons sur

le détail des vérifications

entreprises.

Les films minces ont été

également

étudiés,

tant au

point

de vue

théorique [Kittel, 18]

qu’expé-rimental. Nous laisserons de côté cet

aspect

de la

question.

2. Le

champ

coercitif des corps massifs. -Nous étudierons sous ce titre les corps dans

lesquels

la

phase

ferromagnétique

forme

une

région

connexe. Le

champ

coercitif est le

champ

nécessaire pour obtenir un

déplacement

irréversible des

parois

de Bloch

séparant

les divers domaines élémentaires. Il est conditionné par les obstacles à ces

déplacements.

Ces obstacles sont les tensions internes

[Becker,1, 7]

et les inclusions

[Kersten,

3,

4].

Pour en tenir

compte,

Becker et Kersten ont considéré leur

(3)

influence sur

l’énergie

y par centimètre carré de

la

paroi.

y

dépend

des tensions internes et est de la

forme

2 a yl’$

(K

-~-

bC)

avec C

2 3

I.cr,

b étant une

constante. Si l’on considère une

paroi plane

et des tensions fonction

uniquement

de l’abscisse de la

paroi,

celle-ci est en

équilibre

aux endroits où

dy

dx

est

nul;

il est aisé de voir que le

champ

coercitif,

c’est-à-dire le

champ qui

par la

poussée

2HJ

qu’il

produit (dans

le cas de domaines à 1800 par

exemple)

est

capable

de

déplacer

la

paroi

aux

points

où la

variation de y est la

plus abrupte

est donné par la relation

D’où

avec

1 étant la «

longueur

d’onde » des

perturbations.

Des

considérations du même genre

permettent

d’évaluer la

perméabilité initiale P-o

et donnent

entre Poo

et .~ des relations en bon accord avec

l’expérience

[20].

Fig. i.

Malheureusement cet accord est

purement

formel : Néel a montré

[5]

que la

conception

même d’un y

fonction seulement de l’abscisse et d’une

paroi

plane

conduisent à introduire pour,7 non une tension

maximum,

mais

une moyenne dans une tranche

de substance et

qu’une

telle moyenne ne

peut

être

que très faible et donner lieu par

conséquent

à un

champ

coercitif

négligeable.

Hoselitz a d’ailleurs

fait remarquer que pour les Alni une formule du

type

(2)

conduisait à des tensions de 6, o

kg :

mm2,

incompatibles

avec les

propriétés mécaniques

obser-vables. Nesbitt

[61]

a montré que certains avaient

un À nul.

Dans une

image

du même

type,

Kersten a intro-duit les inclusions sous forme de trous dans les

parois,

trous dont le seul effet

serait,

en réduisant

la

surface,

de réduire

l’énergie

moyenne y. En

supposant

les trous de diamètre

d,

répartis

aux

sommets d’un réseau

cubique

d’arête s et

posant

a = R(d)3

il aboutit

[3,

4,

22]

dans son

exposé

6 s

le

plus

récent à une formule de la forme

Des vérifications ont été

tentées;

mais le choix arbitraire de d et s, en l’absence de données

précises

dont la recherche au

microscope électronique

a

été

suggérée

par Kersten

lui-même,

réduit leur intérêt.

Fig.2.

En

définitive,

si les modes d’évaluation du

champ

coercitif de Kersten et Becker

peuvent

paraître

séduisants dans leur

simplicité,

ils ne

permettent

pas

de décrire les faits

[c f .

par

exemple

Kersten,

22].

Attaquant

simultanément le

problème

des tensions et des

inclusions,

Néel

[5]

ramène leurs effets aux

champs démagnétisants

internes

qu’ils

produisent.

Toute cavité

amagnétique

ou peu

magnétique

se

traduit en définitive par

l’apparition

de masses

magnétiques

libres;

sauf dans des cas très

particuliers,

toute tension interne modifie la direction de facile

aimantation,

donc la direction du vecteur

aimanta-tion,

et les «

champs

de

dispersion » qui

en résultent

peuvent

être

également

décrits par la

présence

de

masses

magnétiques

libres m = --~ div J. C’est

parmi

ces

îlots,

dont le

signe

est fonction de celui

de 3,

que se

déplace

la

paroi.

La

figure

2

ci-contre,

due à

Néel,

met en évidence comment le

déplacement

d’une

paroi

à 1 80°

peut

diminuer

l’énergie potentielle

du

système. Indépendamment

de

l’origine

des

îlots,

c’est cette fois en des

positions

telles que b que la

paroi

s’accroche;

le

champ

coercitif mesure en

quelque

sorte les variations

d’énergie

entre les diverses

configurations.

Pour évaluer ces varia-tions

d’énergie,

nous allons par

exemple

emprunter

(4)

est

coupée

par la

paroi

suivant un

plan

diamétral au lieu d’être dans un domaine aimanté

unifor-mément,

son

énergie

est réduite

de 4

R2(d)3 I2

9 2

environ

(Néel, [28]

a donné antérieurement le calcul détaillé

qui

donne un résultat d’environ 1 o pour 100

plus grand),

soit

4.106

ergs : cm3 dans le cas du

fer. Nous en déduisons que dans un morceau de fer contenant 1 o pour oo de trous de cette

nature,

la variation

d’énergie

dans le

déplacement

de

paroi

envisagé

est du même ordre que celle

qui correspond

à une rotation d’une direction de facile à une direc-tion de difficile

aimantation,

c’est-à-dire considérable. En raison de

l’importance

des

énergies

mises en

jeu,

les

champs

coercitifs que Néel a

calculés,

en

réduisant au minimum les

hypothèses

relatives

à la

répartition

des

défauts,

sont

supérieurs

à ce

que donnent la théorie de Becker - surtout

lorsque

celle-ci est

corrigée

de l’effet de moyenne

signalé

-et la théorie de Kersten. Nous

rappelons

ci-dessous les formules obtenues

[5,

23].

Pour le

champ

coercitif dû aux

tensions,

le volume relatif

perturbé

étant v’

et

Pour un volume relatif v"

d’inclusions

non

magné-tiques,

on a un

champ

coercitif

Pour un

mélange

de deux

phases,

étant l’aiman-tation

spontanée

moyenne carré moyen de - l’aimantation

spontanée,

on a

La formule donnant

He

en fonction des tensions

est difficile à vérifier. On

peut

remarquer, avec

Néel,

que pour 7

grand

et v’ voisin de i, elle tend vers une formule du

type

de celle de Becker

H,; -

~r~ :

l’effet de moyenne

qui

détruit la validité de celle-ci dans le cas de zones

perturbées

de

petit

volume intervient

beaucoup

moins dans ce cas. La formule

des inclusions non

magnétiques

a été vérifiée par

Néel à l’aide

d’expériences

antérieures

( fig. 3).

Elle cesserait d’être valable pour des inclusions

trop

grandes,

aux limites

desquelles

se formeraient

des domaines de fermeture

[Néel,

28,

58]

réduisant

l’énergie

due au

champ

de

dispersion.

Elle ne

serait pas

davantage

valable pour des cavités

trop

Fig. 3.

petites

dont

l’énergie magnétique

spécifique

est fonction du diamètre. En

définitive,

comme l’avait

déjà remarqué

Kersten par

exemple,

les inclusions interviennent non seulement en fonction de leur

volume

relatif,

mais aussi de leur dimension. Les courbes calculées par Néel

( fig.

3

bis)

dans un

Fig. 3 bis. -

Champ coercitif H~ (à un facteur fi près)

et diamètre d des cavités.

mémoire

[28]

où il a

plus spécialement

considéré

ce

problème

mettent bien en évidence l’existence

d’une dimension

optimum qui,

pour le

fer,

est de l’ordre de

l’épaisseur

de

paroi,

soit de l’ordre de 5oo à i o00 A.

Récemment Hoselitz

[21]

utilisant une remarque

(5)

satu-440

ration fait

également

intervenir les

champs

de

dispersion,

a

entrepris

une vérification pour des

alliages

à base de

Ni, Al,

Co. On

sait,

en effet

[voir

par

exemple

24, 25,

27]

que ces

alliages

sont formés de deux

phases

d’aimantation

spontanée

différente.

On

peut

déduire de

l’approche

à la saturation et une valeur

globale

K’ de

l’anisotropie

tenant

compte

à la fois de

l’anisotropie magnétocristalline

proprement

dite et de

l’anisotropie

des tensions et

perturbations.

Voici les résultats

qu’il

obtient :

Hoselitz attribue l’écart observé pour l’Alcomax IV à une orientation

marquée

des cristallites.

On

peut

remarquer que des

alliages

de ce

type

tiennent à la fois du

ferromagnétique

connexe

et des

dispersions.

Tant Néel

[261

que Stoner

[13]

ont traité par

exemple

de leur orientation à chaud dans un

champ

magnétique

en considérant la

phase

la

plus magnétique

comme étant

dispersée

à l’inté-rieur de la

phase

moins

magnétique,

Kittel,

Nesbitt et

Shockley

[56]

ont vérifié cette

hypothèse.

Les

expériences

de Hoselitz montrent que les -deux

points

de vue se

rejoignent.

Nous allons considérer maintenant

plus

en détail le

champ

coercitif des

grains

isolés formant un seul domaine.

3. Les conditions nécessaires pour

qu’un

grain ferromagnétique

constitue un domaine élémentaire. - On attribue

généralement

à Frenkel et Dorfman

[29]

l’idée que des

grains

ferromagné-tiques

suffisamment

petits

constituent un domaine

élémentaire. Si leur démonstration est

discutable,

Fig. 4.

leur évaluation de la dimension

critique

(1000

A)

concorde avec les

premiers

résultats

expérimentaux

obtenus huit ans

plus

tard par Elmore

[17].

En

faisant l’étude de la courbe d’aimantation d’une

suspension

de

particules

colloïdales

d’oxydes

de

fer,

celui-ci a vérifié que des

grains

dont il évalue le diamètre à I70 et 210 À se

comportent

comme

des aimants

rigides.

Kittel a

repris

la

question

au

point

de vue

théorique [18] :

considérant

l’énergie

libre d’une

particule

cubique

ou

sphérique (fig. 4)

formant un seul domaine et celle de la même

particule

formant deux ou

quatre

domaines,

séparés

par des

parois

de

Bloch,

il a fait remarquer

qu’au-dessous

d’une certaine

dimension,

la

première

configuration,

correspondant

à un minimum

d’énergie,

est la

plus

stable. Il trouve que le diamètre

critique

est voisin de 100 A pour le

fer,

soit de l’ordre de

l’épaisseur

de la

paroi

de

Bloch;

par

suite,

« la

configuration

à

quatre

domaines ne doit pas être

interprétée

d’une manière

trop

littérale ». Pour le fer le résultat

de Kittel est effectivement

trop

petit;

mais pour des substances de

grande anisotropie,

son raisonnement

donne un bon résultat : pour le MnBi de

Guillaud,

la dimension

critique

est de l’ordre de 8 000 Á alors

que a

n’est que de l’ordre de 200 A

[19].

Fig. 5.

Néel a

proposé

de substituer au

grain

à deux ou

quatre

domaines du raisonnement

précité

un modèle

à

lignes

de forces circulaires dans des

plans

perpen-diculaires à un

diamètre,

sans

pôles

libres mais aussi

sans

parois;

il trouve ainsi pour le fer un diamètre

critique

de 32o A.

Néel,

Weil et

Aubry

[33]

ont effectivement constitué des aimants avec des

poudres

de fer réduit

ayant

des diamètres de cet ordre : Bertaut a mesuré leurs dimensions

grâce

à une étude des

largeurs

de raies

Debye-Scherrer (fig.

5);

Weil

a trouvé par les chaleurs de

mouillage [31],

450

3i.>

Enfin,

pour des

poudres

de ferro-nickel

préparées

d’une manière

analogue,

Galt

[55]

a trouvé au

microscope électronique

des dimensions allant de 5oo à 3 ooo

À ;

les

poudres

de

Galt,

préparées

(6)

certainement

plus

grosses que celles de

Néel,

Weil et

Aubry (1).

4.

Champ

coercitif des

grains

fins. - Les

grains

fins constituant des domaines

élémentaires,

le mécanisme décrit au

paragraphe

2 ne

s’applique

plus;

l’aimantation ne

peut

plus changer

que par une

rotation simultanée des

spins.

Nous laisserons bien entendu de côté le cas

où,

comme dans les

expériences

d’Elmore,

c’est une rotation matérielle du

grain

qui

se

produit.

Les trois facteurs

qui

s’opposent

à la rotation de l’aimantation sont alors

l’anisotropie

magnéto-cristalline, l’anisotropie

de tension et

l’ani-sotropie

de

forme;

ce sont eux

qui

déterminent le

couple qu’il

faut exercer pour faire tourner

l’aiman-tation,

c’est-à-dire le

champ

coercitif. Le rôle des deux

premiers

a

été,

comme nous l’avons vu, reconnu

depuis longtemps,

pour les

ferromagnétiques

connexes. Le rôle du

troisième,

qui

fait en définitive

intervenir le

champ démagnétisant

du

grain

n’a été découvert que récemment et presque en même

temps

pour les aciers et les

poudres [5,

11,

6].

Les formules donnant le

champ

coercitif des

poudres

peuvent,

.

quelle

qu’en

soit

l’origine,

se mettre sous la forme

H. -

F1

F

représentant

soit une

grandeur

proportionnelle

à .K

[2,

9,

10],

soit une

grandeur

proportionnelle

à

[1,

10,

12,

13],

soit une

gran-deur

proportionnelle

à la différence des

énergies

dues aux

champs démagnétisants

(N32013Ni) ~

sui-vant deux axes extrêmes d’un

ellipsoïde

de rotation

équivalent

à la

poudre [ 11,

6, 12,

13].

On a donc

Ces formules ne sont valables que pour des

grains

ayant

tous même orientation. Si cette condition n’est pas

réalisée,

il faut

multiplier

par environ

o,5

la valeur de

He calculée,

comme le montrent la théorie

[13, 6]

et

l’expérience [34].

Pour fixer les ordres de

grandeur,

nous

rappelons

ci-dessous les

valeurs

qui

ont été calculées pour les trois métaux

ferromagnétiques

usuels.

Pour un

alliage

à très forte

anisotropie magnétique

comme MnBi on

peut

s’attendre à

trouver,

lorsqu’il

est orienté 33 ooo Oe.

On devrait observer une

superposition

des trois

effets que nous venons de

rappeler;

or, ces valeurs

n’ont

pratiquement jamais

été atteintes. En effet

nous avons

déjà

vu que pour obéir aux formules

ci-dessus,

les

grains

devaient être suffisamment

petits

’et ils

peuvent

ne pas tous l’être dans les

échantillons examinés

(ci.

§

5);

nous verrons de

plus

(§ 9)

qu’ils

ne doivent pas être

trop

petits :

ils auraient alors un

champ

coercitif nul. Enfin nous avons

supposé

que les

grains

étaient

indépendants;

or, on

n’opère

pas

pratiquement

avec des

poudres

de dilution infinie : nous examinerons au

para-graphe

8 le rôle de la densité de tassement des

grains.

5. Grains

plus

gros que la dimension

critique.

- Le

champ

coercitif varie en fonction du diamètre

des

grains.

On trouvera par

exemple

chez

K0153nigs-berger

[32J

un résumé des résultats obtenus dès

Ig3g

avec les

oxydes

magnétiques

du fer

[15,

16]

mon-trant que, aux dimensions

qu’on

atteint

commo-dément par

pulvérisation mécanique,

Hc

varie assez

exactement

comme . ’

°

Grâce à son étude de

MnBi,

dont le diamètre

critique

est

particulièrement grand,

Guillaud

[8]

a

pu montrer que la loi

en 11

n’est pas exacte mais que

He

tend vers une limite

qui

n’est d’ailleurs pas

encore atteinte à 3

microns,

diamètre le

plus petit

qu’il

ait pu

séparer

(fig.

6).

Fig. 6.

Les mesures de

Bertaut,

faites sur le

fer,

ont été effectuées sur les

poudres

bien

plus

fines que donne la méthode

chimique générale

de

Néel,

Weil et

Aubry

[33].

On

voit,

figure

5,

que la loi

en ’

n’est

également

valable

qu’aux

forts diamètres et que

He

tend vers un maximum au-dessous de 200 Â.

(7)

L’interprétation

des courbes de Guillaud et de Bertaut est rendue délicate par le fait que ni l’un ni l’autre n’ont cherché à tenir

compte

de l’influence

sur le

champ

coercitif des interactions entre les

grains.

Or,

la densité de tassement d’une

poudre

est fonction de son diamètre et est, toutes choses

égales

d’ailleurs,

plus

faible pour les

poudres

fines

qui

peuvent

de ce fait simuler un

champ

coercitif

trop

grand

relativement,

ce

qui

modifie l’allure

de la courbe. Dans le cas de la

poudre

de

fer,

une

variation simultanée de

l’anisotropie

de forme et du diamètre des

grains

en fonction des conditions de

préparation

peut

avoir

également modifié

l’allure

de la courbe

[30].

Kittel

[35,

19]

a donné une théorie de la variation du

champ

coercitif en fonction du diamètre 2 r des

grains

en examinant les conditions de

déplacement

d’une

paroi

dans un

grain

sphérique;

il calcule

ainsi

He

=

H0(1 - r),

c

(

formule

qui

rend

compte

0

d’une manière au moins

qualitative

des faits. Guillaud

[34], poursuivant

l’étude du mouvement des

parois

suivant les mêmes

principes

que

Kittel,

a

interprété

qualitàtivement

l’influence

qu’il

a

constatée du

champ

de saturation sur le

champ

coercitif mesuré.

6. Le

champ

coercitif dû à

l’anisotropie

magnétiques. -

La loi donnant

He

en fonction

de K I

est relativement facile à vérifier. La constante

d’anisotropie

varie souvent

beaucoup

avec la

tem-pérature,

et en tous cas

beaucoup

plus

vite que

l’aimantation ~l. Il est donc aisé de

séparer, par

une

simple

étude de la variation

thermique,

le rôle de

l’anisotropie

de forme de celui de

l’anisotropie

magnétique.

Malheureusement la connaissance très

incomplète

que nous avons à l’heure actuelle des

magnétostrictions

à saturation en fonction de la

température

ne

permet

pas d’en

distinguer

une

éventuélle influence d’un

champ

coercitif propor-tionnel à

Les études ont

porté

d’abord sur les

alliages

à très forte

anisotropie (MnBi, Mn2

Sb)

[Guillaud,

8,

36J,

où l’effet

d’anisotropie

est sensiblement pur,

puis

sur le nickel et le cobalt

[Weil

et

collaborateurs, 37,

38, 39,

40] d’interprétation plus

délicate.

Pour

MnBi,

Mn,Sb

et Co dont

l’anisotropie

s’annule à une

température

différente du

point

de

Curie en

crangeant

de

signe,

le

champ

coercitif

prend

une valeur faible à cette

température;

des

décalages

en

température

du minimum et le fait

qu’il

n’est pas nul

s’expliquent

par l’intervention des deux autres

origines

de H, . Pour le nickel au-dessous de 100° K on vérifie

[39] également

que le

champ

coercitif est

proportionnel

à K

Lorsqu’on

cherche à

préciser

le coefficient

numé-rique

de 1

dans la formule de He des difficultés

apparaissent.

Guillaud a vérifié que l’orientation

double

HL.

mais trouve par

exemple

un coefficient deux fois

trop

petit

pour

MnBi;

les courbes

de §

et

He

en fonction de la

température

n’ont pas des

Fig. 7.

ordonnées exactement

proportionnelles (2).

Pour le nickel et le

cobalt,

Weil trouve un coefficient

près

de 10 fois

trop

petit.

Les actions de

voisinage

(densité

de

tassement)

ne

justifient

pas de tels

écarts

(fig. 8).

On

peut

plutôt

penser que les

grains

de MnBi sont

trop

gros pour être formés d’un seul domaine comme l’a

suggéré

Guillaud. Dans le cas

des

préparations

par voie

chimique (Ni, Co)

on

peut

envisager

qu’une

certaine

proportion

d’entre eux

est

trop

petite

et abaisse le

champ

coercitif moyen

(et - §

9).

Enfin,

il est

possible

que, au lieu de

s’ajouter

comme nous l’avons

supposé

a

priori,

les diverses

causes de

champ

coercitif se contrarient

mutuelle-ment. Comme 13 montre une

photographie

au

m’croscope électronique [57]

reproduite

ci-dessous

(fin.

9, sauf le cliché

supérieur

gauche

qui représente

l’oxyde),

le cobalt

hexagonale

réduit

s’agglomère

en

plaquettes larges,

situées vraisemblablement dans le

plan perpendiculaire

à

l’axe

sénaire.

Celui-ci,

(8)

et

sphérique,

devient direction de difficile aiman-tation au

point

de vue de la forme.

Fig. 8. ,

Les

poudres

de métaux

ferromagnétiques

à

grande

anisotropie apparaissent

comme le matériau de choix pour les aimants

permanents

de très

grande

Fig. 9.

force coercitive tels

qu’on

les demande dans certaines

applications spéciales.

Les MnBi de

Guillaud,

orientés,

atteignent

~3 ooo Oe. Les ferrites de cobalt

de

Néel,

Weil et

Aubry atteignent 4

ooo Oe

(3),

les Pt -

Fe,

préparés

avec surstructure et en

grains

fins

[Weil,

41,

42]

atteignent

20 ooo Oe

(4).

Malheu-reusement les

champs

coercitifs sont

plus

faciles à déterminer que les constantes

d’anisotropie

et sauf si une théorie

permet

un

jour

de

prévoir

a

priori

les

alliages

ou

composés

donnant un

grand

K,

la

théorie que nous venons de

rappeler

ne sera pas un

instrument de découverte.

7. Le

champ

coercitif dû à

l’anisotropie

de formes La formule donnant H,. en fonction des coefficients de

champ démagnétisant

extrêmes d’un

ellipsoïde équivalent

aux

grains

et de J n’est

susceptible

d’une vérification

qu’au voisinage

du

point

de Curie où J varie

rapidement, quand

on

s’astreint à étudier une

poudre

déterminée. On

peut

au lieu de cela

préparer

plusieurs poudres

d’une famille

d’alliages

d’une manière suffisamment

iden-tique

pour

qu’on puisse

admettre que les

grains

ont même forme ou

plus

exactement,

même

répar-tition de formes. Cette

méthode,

appliquée

aux

ferro-nickel entre 10 et 5o pour 100 - soit

une zone

de concentration

où,

à

température

ordinaire,

ils ont faible K et faible À - a montré

[43]

une bonne

proportionnalité

de

H,,

et de J.

Pour évaluer le coefficient

numérique,

il faut faire une

hypothèse

au

sujet

de

NI - N2.

Néel a

proposé

de considérer la

poudre

comme formée

uniquement

d’ellipsoïdes allongés

dont le

rapport

des axes est i ~- e, ce

qui

donne

En choisissant une

répartition

un peu

arbitraire,

favorisant

beaucoup

les valeurs de 8

faibles,

il trouve

Pour des

aiguilles

très

allongées

on obtiendrait au contraire

N1-

N2

== 2 T:

(cl.

par

exemple

Sto-ner,

13),

soit H,. = 3 J.

Pour la famille Fe - Ni

signalée

ci-dessus,

on a

obtenu pour

H‘

des valeurs

comprises

entre

o,48

I

et

o,50;

pour du fer réduit

[44],

o,55

et pour un

ferro-cobalt à 3o pour Ioo obtenu par réduction

o,56.

Les valeurs ainsi calculées sont relatives à une

poudre

infiniment diluée : elles sont obtenues par

une

extrapolation

vers la densité de tassement -nulle. Elles

peuvent

être affectées par la

présence

de

grains trop

gros ou

trop petits.

Cette réserve

faite,

on

peut

remarquer

qu’elles témoignent

en

faveur d’une

répartition

favorisant

plus

encore

que la théorie de Néel les faibles valeurs de E.

(3) Vu leur très grande magnétostriction, on peut se

demander si un terme en ),~ ne contribue pas à cette valeur.

(4) Newkirk et Smolukowski [60] attribuent aux tensions internes le grand champ coercitif des surstructures des alliages

(9)

Kittel et ses collaborateurs ont effectivement trouvé pour le nickel ex-formiate

[59]

des

grains

«

quasi-sphériques

».

Il ne semble pas,

jusqu’à

présent,

que des résultats

aient été obtenus dans la

préparation

de

poudres

-ou de

précipitations ferromagnétiques

en milieu

peu

magnétique

-

ayant

la forme

d’aiguilles.

Fig. i o a, b.

Une étude directe de la forme des

grains,

à condi-tion

qu’ils

soient tous dans les bonnes limites de

dimension,

au

microscope électronique,

serait inté-ressante pour décider de l’exactitude

quantitative

de l’ensemble de la théorie de

l’anisotropie

de forme.

8. Influence de la

proportion

des vides. -En considérant une

poudre

tassée ou

comprimée

comme un

ferromagnétique

à cavités

réparties

Fig. 10 c, d.

d’une manière

isotrope,

Néel

[6]

remarque que

l’énergie

est

proportionnelle

à v =

d0 - d,

volume

do >’

relatif des vides et par

conséquent

Ne

est

également

proportionnel

à cette

quantité.

Il retrouve

ainsi,

pour les

grandes

valeurs de v, une formule du

type

général

décrit pour les inclusions

(§ 2).

Ces consi-dérations ne valent évidemment que pour le

champ

coercitif dû à

l’énergie

de

champ démagnétisant.

On trouvera aux

figures

o diverses vérifications

(10)

ordinaire où la contribution de

l’anisotropie

magné-tique

ou de I.cr est

négligeable.

Pour le

cobalt,

les

véritables cavités

jouant

un rôle sont celles

qui

sont

comprises

dans les

agglomérats

de la

figure

9, non

sensibles à la

compression,

et

qui

ne sont

qu’une

Fig. Ioe.

petite

fraction de celles

qu’on

atteint par la méthode de mesure de densité mise en oeuvre; la fraction du

champ

coercitif due à la forme des

grains

reste

indépendante

du tassement

mesuré ;

Ha est sensi-blement

indépendant

de la

compression.

Enfin,

pour le

nickel,

indépendamment

des

phénomènes

du même genre, il faut

peut-être envisager

les effets d’une

trop

grande

finesse du

grain (§ 9).

9. La limite inférieure de la dimension des

grains.

- Nous

avons

rappelé

ci-dessus que,

pour avoir un

grand champ

coercitif,

les

grains

ferromagnétiques

devaient être très

petits.

Mais,

par contre, pour un atome

isolé,

il ne saurait être

question

de

ferromagnétisme;

d’une manière

plus

générale,

pour un groupe d’atomes

trop

peu

impor-tant,

les forces

d’échange

deviennent insuffisantes pour

s’opposer

à

l’agitation

thermique :

on a un

paramagnétique.

C’est ce que

Kônig

[46,

47]

a

observé par des mesures d’effet

Faraday

sur des

couches de fer dont les éléments

constitutifs,

mesurés par diffraction

électronique,

ont un diamètre

infé-rieur à 12 Â.

Par

ailleurs,

Beischer et Winkel

[48]

ont vérifié que les aérosols de Fe et

Ni,

à condition

qu’ils

soient obtenus au-dessous du

point

de Curie par

décom-position

de

carbonyles,

formaient des chaînes de

particules,

que les éléments de cette chaîne

mesu-raient 70 3i et par

conséquent

que des

grains

de ce

diamètre étaient bien

ferromagnétiques.

Haul et

Schôn

[49]

ont de la même

façon

vérifié le

ferro-magnétisme

dès 3o à

4o A

pour des

oxydes

de fer.

Mais,

même si ils sont

ferromagnétiques

au sens

que nous venons de

voir,

il n’est pas évident a

priori

que les divers facteurs

qui s’opposent

en

général

à

la rotation en bloc de

l’aimantation,

anisotropie

de

forme,

de tension ou

magnétocristalline

sont suffisants pour

maintenir,

dans un

grain

assez

petit,

sa direction fixe

malgré l’agitation thermique.

Néel

[50]

a étudié les conditions de stabilité en direction de l’aimantation rémanente d’un

grain.

La constante de

temps

de ces rotations

spontanées

dépend

essentiellement de où H est

un

champ

de l’ordre de

grandeur

du

champ

coercitif

du

grain, quelle qu’en

soit

l’origine, v

le volume du

grain

et T la

température

absolue. Pour du fer par

exemple,

on obtient une constante de

temps

de l’ordre de

109sec.,

c’est-à-dire la stabilité

absolue,

pour v

supérieur

au volume d’une

sphère

de 160 À

de diamètre. Pour des

grains plus petits,

l’aimantation

peut

tourner

spontanément

dans un

champ

nul et leur aimantation rémanente moyenne devient alors nulle. Pour une

poudre

formée

uniquement

de

grains

si

petits,

on trouvera un

champ

coercitif nul. Pour

une

poudre

contenant une fraction seulement

de tels

grains,

la rémanente sera réduite à peu

près

dans la même

proportion

et le

champ

coercitif sera

évidemment

plus

faible que le

champ

coercitif calculé.

Les

expériences

de Bertaut

(fig.

5)

montrent effec-tivement pour des substances à

grain

moyen

trop

fin une diminution du

champ coercitif,

descendant

par

exemple

du maximum observé de

7500e

à 25o Oe pour des

poudres

mesurant aux rayons X

moins de 100 Á.

L’existence d’une dimension

critique

inférieure est

particulièrement

sensible

lorsqu’on opère

sur les

catalyseurs

de

Raney :

ces

poudres

sont obtenues par

attaque

à moins de 100° d’un

alliage

d’aluminium par une solution de soude : à des

températures

si

basses le

grossissement

des

grains

est très limité. On a mesuré par

exemple

[Weil,

51,

52]

pour du

fer

72 A-

et pour du nickel 5o A

(détermination

aux rayons X par

Bertaut).

Ces valeurs sont net-tement au-dessous des diamètres limites calculés

d’après

la théorie de Néel. Une forte

proportion

des

grains

a donc un

champ

coercitif nul et le

champ

coercitif de l’échantillon doit être bien

plus petit

que celui de

poudres

plus

grossières.

Effectivement

on trouve

g,6

Oe pour le fer et

10,8

Oe pour le nickel. Pour se ramener aux valeurs

normales,

ou tout

au moins s’en

rapprocher

on

dispose

de deux moyens : soit abaisser la dimension

critique

infé-rieure,

ce

qu’on

peut

obtenir par abaissement de la

température,

soit

comprimer

la

poudre

ou la chauffer pour amener les

petits grains

à se fritter.

(11)

H,~ remonte à 56 Oe - alors

qu’il

ne croît que de

36 pour 100 pour du fer réduit -

et pour le nickel dans

l’hydrogène liquide,

où son diamètre

critique

est de

14o

contre H, monte à 161,5, alors

qu’il

est

multiplié

par 3 seulement pour le nickel réduit. On observe

également

la variation très

importante

prévue

pour la rémanente.

Une

compression

et un

frittage

peuvent

également

faire croître notablement H,.

(le

multiplier

par 3 pour un certain nickel

Raney).

Ce

phénomène

a

d’ailleurs été observé même sur certains nickels obtenus par réduction du formiate : on

peut

trouver là une

explication

du

comportement

du nickel

reproduit

figure

10; ,au lieu de décroître

quand

on

comprime

la

poudre,

le

champ

coercitif tendrait à croître et ce

qu’on

observe n’est que la

super-position

de l’action du

frittage, qui

a

lieu,

même à l’ambiante pour des métaux très

divisés,

et de l’action des vides

prévue

par Néel :

H,.

varie peu.

10. Conclusion. - Les

lignes générales

de la théorie du

champ

coercitif sont

aujourd’hui

bien établies. Pour les substances massives

(à région

ferromagnétique

connexe),

des formules

permettent

de rendre

compte

de l’influence des divers

facteurs;

un

important

travail de vérification

expérimentale

reste à

faire,

tout

particulièrement

pour vérifier le rôle des tensions internes.

Pour les

poudres

et d’une manière

générale

les

ferromagnétiques dispersés

deux des trois causes

de

champ

coercitif,

l’anisotropie

de forme et

l’ani-sotropie magnétique

ont été

soigneusement

étudiées;

la vérification de l’influence des tensions reste à faire. Les études

expérimentales

se sont souvent heurtées

à la difficulté d’obtenir des

grains

de « bonne o

dimension;

oscillant entre la limite inférieure

qu’on

frôle dans les

préparations

par voie

chimique

et la limite

supérieure qu’il

est difficile de ne pas franchir

dans la

pulvérisation mécanique,

les divers auteurs ont pu vérifier que les théories donnaient un bon

ordre de

grandeur

des valeurs de

H c.

Peut-être l’étude des

précipitations

ferromagné-tiques

dans les milieux peu

magnétiques

ou non

magnétiques

(aciers

austénitiques

déformés

[53, 54],

cuivre ou zinc

impurs)

où les

grains

sont

plus

net-tement

séparés

et

peut-être

d’une croissance

plus

facile à

commander,

en même

temps

que

plus

facile à étudier au

microscope électronique,

fournira-t-elle des

renseignements complémentaires ?

D’ores et

déjà,

la théorie des

grains

fins a été un

guide

pour l’obtention d’un nouveau

type

d’aimants

permanents,

en

poudre agglomérée.

Elle

indique

également

la voie à suivre pour leur amélioration : il faut orienter les

grains.

Enfin,

pour des

alliages

tels que les Alnicos

qu’on

considère

quelquefois

comme connexes elle fournit non seulement une valenr

correcte du

champ

coercitif,

mais encore un moyen

d’interpréter

l’orientation à chaud

[26].

Remarque

de M. Forrer. - Est-il

possible

de

contrôler,

par les rayons X par

exemple,

si le fer

en

poudre

fine est encore

cubique; je

crois

pouvoir

déduire de la

variation

d’aimantation en fonction de la

température

près

du

point

de Curie que ce fer en

poudre

fine est

quadratique (peut-être

pseudo-cubique) ?

Réponse-

de .M~. Bertaut. -

Lorsque

les raies

Debye-Scherrer

sont très

larges,

le « dédoublement

quadratique

»

peut

échapper

à

l’investigation.

Cependant

la

largeur

des raies que

j’ai

étudiées varie normalement

(en

et non pas suivant une loi

imposée

par une structure

quadratique.

Remarque

de M. Stoner. - Je félicite M. Weil de ses

expériences

sur la variation avec la

tempé-rature du

champ

coercitif des

poudres, qui

per-mettent de

distinguer

d’une

part

entre

l’anisotropie

provenant

de la forme et d’autre

part

l’anisotropie

magnétocristalline

et

l’anisotropie

de tension.

Quant

à la théorie du

champ

coercitif dans les

ferromagnétiques

« connexes », il est bien facile

de

comprendre

les détails des traitements de Becker et

Dôring

et de

Kersten;

malheureusement les idées de base sont

trop

simplistes.

Au

contraire,

je

suis convaincu que les idées de base de la théorie de

Néel,

avec les «

champs

de

dispersion

» sont tout à fait

justes.

Malheureusement,

il est très difficile de

comprendre

les détails. J’ai

suggéré

à

un de mes étudiants à Leeds d’étudier

soigneuse-ment le

grand

mémoire de M. Néel sur les

champs

coercitifs,

ce

qu’il

fait maintenant non sans

peine

mais avec

beaucoup

d’enthousiasme.

J’espère qu’il

lui sera

possible

de confirmer les détails et de nous

donner des

éclaircissements,

et aussi

peut-être

de faire des

développements

lui-même.

Remarque

de M. Becker. - Je

regrette

vivement que

Dôring

et moi ayons été si

aveugles,

lors de la rédaction de notre

livre,

devant le rôle

important

que

joue

le

champ magnétique

interne lors de l’ai-mantation et

particulièrement

pour le

champ

coercitif. Ce rôle n’a été

apprécié

à sa

juste

valeur que par les beaux travaux du Professeur Néel. Les succès que nous avions dès l’abord obtenus par l’introduction des tensions internes ont fait que nous avons

négligé

à côté d’elles

l’importance

du

champ

interne. Certaines

partie

de notre livre ont ainsi

perdu beaucoup

de leur valeur.

Notations.

champ

coercitif

d’aimantation;

H2

champ

coercitif

d’induction;

Br aimantation

rémanente;

~ aimantation

spontanée

dans les

domaines;

(12)

(j tension

interne;

j

énergie d’échange

par centimètre

cube;

.K constante

d’anisotropie (coefficient

du

I er terme du

développement

de

l’énergie

magnétocristalline) ;

a

paramètre

du

réseau;

y

énergie

par centimètre carré de la

paroi

de

Bloch;

à

épaisseur

de la

paroi

de

Bloch;

v, U’,

v" volume relatif.

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