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Le champ coercitif
Louis Weil
To cite this version:
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 duchamp
coercitif a été édifiée. On admetaujourd’hui
que lesorigines
duchamp
coercitif sontmultiples :
Becker[1]
a montré l’influence des tensions internes et donné une for-mule faisant intervenir~,7,
Akulov[2]
a introduitl’anisotropie magnétique
et établi queH,
dépendait
de
~,
Kersten[3,
4]
a aperçu le rôle des cavitésdont Néel a rendu
compte
en mêmetemps
qu’il
adonné une théorie
générale
de l’influence deschamps
démagnétisants
internes d’abord pour les subs-tances massives[5, 28],
puis
pour lesgrains
isolés[6].
Les vérifications des formules pour les corps massifs sont difficiles : nous n’en citerons quequelques-unes. Pour les
poudres,
ou d’une manièregénérale
lesferromagnétiques dispersés,
onpeut
serrer de bienplus près
la théorie. Becker etDôring
[7]
avaientdéjà
reconnu que la valeurmaximum 3
"Acr
2 J
qu’ils
avaientprévue
pour lechamp
coercitif dûaux tensions ne
pouvait
être atteinte que dans lamesure où des
déplacements
deparoi
ne sepro-duisent pas. Akulov avait donné sa formule
en K
J pour le cas où les « divers domaines de l’aimantation
spontanée
sont isolés aupoint
de vueénergétique
».Mais ni l’un ni l’autre n’avaient tiré la
conséquence
logique
de leurs considérations : ledéplacement
deparoi
estévité,
l’indépendance énergétique
des domaines estréalisée,
quand
on a affaire à desgrains séparés
constituant chacun un domaine élé-mentaire. Pourtant on connaissaitdéjà
lesexpé-riences relatives au
grand champ
coercitif desimpu-retés
ferromagnétiques
du laiton[14]
ou à l’accrois-sement dechamp
coercitif de lamagnétite
au furet à mesure de sa division
[15, 16]
et l’on savaitdéjà, après
lesexpériences
d’Elmore[17]
que depetits grains
deferromagnétique
constituaient des domaines élémentaires.C’est tout de suite avant ou
pendant
la guerreque les
conséquences
de cet ensemble de résultats ont ététirées;
les circonstances ont conduit à des retards dans lespublications qui
ontpeut-être
altéré l’ordrechronologique
des découvertes. Guillaud[8]
a
fabriqué
pour lapremière
fois despoudres
d’alliages
fortementanisotropes,
étudié leurchamp
coercitif et montré[9] qu’une
formule dutype
d’Akulovs’appliquait
[10].
Néel[6]
a établi quel’anisotropie
de forme donnait unchamp
coercitif notable àn’importe quelle poudre ferromagnétique.
Néel,
Weil etAubry
[11]
ontindiqué
une méthodede
préparation générale
de cespoudres.
Guillaud[10]
a
signalé
une formule tenantcompte
des tensions internes.Enfin,
on trouve chez Stoner[12,
13]
une étude tout à fait
remarquable
de l’ensemble de laquestion
despoudres
ferromagnétiques
etalliages
finementdispersés.
Nous reviendrons surle détail des vérifications
entreprises.
Les films minces ont été
également
étudiés,
tant aupoint
de vuethéorique [Kittel, 18]
qu’expé-rimental. Nous laisserons de côté cet
aspect
de laquestion.
2. Le
champ
coercitif des corps massifs. -Nous étudierons sous ce titre les corps danslesquels
la
phase
ferromagnétique
forme
unerégion
connexe. Lechamp
coercitif est lechamp
nécessaire pour obtenir undéplacement
irréversible desparois
de Bloch
séparant
les divers domaines élémentaires. Il est conditionné par les obstacles à cesdéplacements.
Ces obstacles sont les tensions internes
[Becker,1, 7]
et les inclusions[Kersten,
3,
4].
Pour en tenircompte,
Becker et Kersten ont considéré leurinfluence sur
l’énergie
y par centimètre carré dela
paroi.
ydépend
des tensions internes et est de laforme
2 a yl’$
(K
-~-bC)
avec C2 3
I.cr,
b étant uneconstante. Si l’on considère une
paroi plane
et des tensions fonctionuniquement
de l’abscisse de laparoi,
celle-ci est enéquilibre
aux endroits oùdy
dx
est
nul;
il est aisé de voir que lechamp
coercitif,
c’est-à-dire le
champ qui
par lapoussée
2HJqu’il
produit (dans
le cas de domaines à 1800 parexemple)
estcapable
dedéplacer
laparoi
auxpoints
où lavariation de y est la
plus abrupte
est donné par la relationD’où
avec
1 étant la «
longueur
d’onde » desperturbations.
Desconsidérations du même genre
permettent
d’évaluer laperméabilité initiale P-o
et donnententre Poo
et .~ des relations en bon accord avecl’expérience
[20].
Fig. i.
Malheureusement cet accord est
purement
formel : Néel a montré[5]
que laconception
même d’un yfonction seulement de l’abscisse et d’une
paroi
plane
conduisent à introduire pour,7 non une tensionmaximum,
mais
une moyenne dans une tranchede substance et
qu’une
telle moyenne nepeut
êtreque très faible et donner lieu par
conséquent
à unchamp
coercitifnégligeable.
Hoselitz a d’ailleursfait remarquer que pour les Alni une formule du
type
(2)
conduisait à des tensions de 6, okg :
mm2,
incompatibles
avec lespropriétés mécaniques
obser-vables. Nesbitt[61]
a montré que certains avaientun À nul.
Dans une
image
du mêmetype,
Kersten a intro-duit les inclusions sous forme de trous dans lesparois,
trous dont le seul effetserait,
en réduisantla
surface,
de réduirel’énergie
moyenne y. Ensupposant
les trous de diamètred,
répartis
auxsommets d’un réseau
cubique
d’arête s etposant
a = R(d)3
il aboutit[3,
4,
22]
dans sonexposé
6 s
le
plus
récent à une formule de la formeoù
Des vérifications ont été
tentées;
mais le choix arbitraire de d et s, en l’absence de donnéesprécises
dont la recherche au
microscope électronique
aété
suggérée
par Kerstenlui-même,
réduit leur intérêt.Fig.2.
En
définitive,
si les modes d’évaluation duchamp
coercitif de Kersten et Beckerpeuvent
paraître
séduisants dans leursimplicité,
ils nepermettent
pasde décrire les faits
[c f .
parexemple
Kersten,
22].
Attaquant
simultanément leproblème
des tensions et desinclusions,
Néel[5]
ramène leurs effets auxchamps démagnétisants
internesqu’ils
produisent.
Toute cavitéamagnétique
ou peumagnétique
setraduit en définitive par
l’apparition
de massesmagnétiques
libres;
sauf dans des cas trèsparticuliers,
toute tension interne modifie la direction de facile
aimantation,
donc la direction du vecteuraimanta-tion,
et les «champs
dedispersion » qui
en résultentpeuvent
êtreégalement
décrits par laprésence
demasses
magnétiques
libres m = --~ div J. C’estparmi
cesîlots,
dont lesigne
est fonction de celuide 3,
que sedéplace
laparoi.
Lafigure
2ci-contre,
due à
Néel,
met en évidence comment ledéplacement
d’uneparoi
à 1 80°peut
diminuerl’énergie potentielle
dusystème. Indépendamment
del’origine
desîlots,
c’est cette fois en despositions
telles que b que laparoi
s’accroche;
lechamp
coercitif mesure enquelque
sorte les variationsd’énergie
entre les diversesconfigurations.
Pour évaluer ces varia-tionsd’énergie,
nous allons parexemple
emprunter
est
coupée
par laparoi
suivant unplan
diamétral au lieu d’être dans un domaine aimantéunifor-mément,
sonénergie
est réduitede 4
R2(d)3 I2
9 2
environ
(Néel, [28]
a donné antérieurement le calcul détailléqui
donne un résultat d’environ 1 o pour 100plus grand),
soit4.106
ergs : cm3 dans le cas dufer. Nous en déduisons que dans un morceau de fer contenant 1 o pour oo de trous de cette
nature,
la variation
d’énergie
dans ledéplacement
deparoi
envisagé
est du même ordre que cellequi correspond
à une rotation d’une direction de facile à une direc-tion de difficile
aimantation,
c’est-à-dire considérable. En raison del’importance
desénergies
mises enjeu,
leschamps
coercitifs que Néel acalculés,
enréduisant au minimum les
hypothèses
relativesà la
répartition
desdéfauts,
sontsupérieurs
à ceque donnent la théorie de Becker - surtout
lorsque
celle-ci est
corrigée
de l’effet de moyennesignalé
-et la théorie de Kersten. Nousrappelons
ci-dessous les formules obtenues[5,
23].
Pour le
champ
coercitif dû auxtensions,
le volume relatifperturbé
étant v’et
Pour un volume relatif v"
d’inclusions
nonmagné-tiques,
on a unchamp
coercitifPour un
mélange
de deuxphases,
étant l’aiman-tationspontanée
moyenne carré moyen de - l’aimantationspontanée,
on a
La formule donnant
He
en fonction des tensionsest difficile à vérifier. On
peut
remarquer, avecNéel,
que pour 7
grand
et v’ voisin de i, elle tend vers une formule dutype
de celle de BeckerH,; -
~r~ :
l’effet de moyenne
qui
détruit la validité de celle-ci dans le cas de zonesperturbées
depetit
volume intervientbeaucoup
moins dans ce cas. La formuledes inclusions non
magnétiques
a été vérifiée parNéel à l’aide
d’expériences
antérieures( fig. 3).
Elle cesserait d’être valable pour des inclusionstrop
grandes,
aux limitesdesquelles
se formeraientdes domaines de fermeture
[Néel,
28,
58]
réduisantl’énergie
due auchamp
dedispersion.
Elle neserait pas
davantage
valable pour des cavitéstrop
Fig. 3.
petites
dontl’énergie magnétique
spécifique
est fonction du diamètre. Endéfinitive,
comme l’avaitdéjà remarqué
Kersten parexemple,
les inclusions interviennent non seulement en fonction de leurvolume
relatif,
mais aussi de leur dimension. Les courbes calculées par Néel( fig.
3bis)
dans unFig. 3 bis. -
Champ coercitif H~ (à un facteur fi près)
et diamètre d des cavités.
mémoire
[28]
où il aplus spécialement
considéréce
problème
mettent bien en évidence l’existenced’une dimension
optimum qui,
pour lefer,
est de l’ordre del’épaisseur
deparoi,
soit de l’ordre de 5oo à i o00 A.Récemment Hoselitz
[21]
utilisant une remarquesatu-440
ration fait
également
intervenir leschamps
dedispersion,
aentrepris
une vérification pour desalliages
à base deNi, Al,
Co. Onsait,
en effet[voir
parexemple
24, 25,
27]
que cesalliages
sont formés de deuxphases
d’aimantationspontanée
différente.On
peut
déduire del’approche
à la saturation et une valeurglobale
K’ del’anisotropie
tenantcompte
à la fois del’anisotropie magnétocristalline
proprement
dite et del’anisotropie
des tensions etperturbations.
Voici les résultatsqu’il
obtient :Hoselitz attribue l’écart observé pour l’Alcomax IV à une orientation
marquée
des cristallites.On
peut
remarquer que desalliages
de cetype
tiennent à la fois du
ferromagnétique
connexeet des
dispersions.
Tant Néel[261
que Stoner[13]
ont traité parexemple
de leur orientation à chaud dans unchamp
magnétique
en considérant laphase
la
plus magnétique
comme étantdispersée
à l’inté-rieur de laphase
moinsmagnétique,
Kittel,
Nesbitt etShockley
[56]
ont vérifié cettehypothèse.
Lesexpériences
de Hoselitz montrent que les -deuxpoints
de vue serejoignent.
Nous allons considérer maintenantplus
en détail lechamp
coercitif desgrains
isolés formant un seul domaine.3. Les conditions nécessaires pour
qu’un
grain ferromagnétique
constitue un domaine élémentaire. - On attribuegénéralement
à Frenkel et Dorfman[29]
l’idée que desgrains
ferromagné-tiques
suffisammentpetits
constituent un domaineélémentaire. Si leur démonstration est
discutable,
Fig. 4.
leur évaluation de la dimension
critique
(1000
A)
concorde avec lespremiers
résultatsexpérimentaux
obtenus huit ans
plus
tard par Elmore[17].
Enfaisant l’étude de la courbe d’aimantation d’une
suspension
departicules
colloïdalesd’oxydes
defer,
celui-ci a vérifié que desgrains
dont il évalue le diamètre à I70 et 210 À secomportent
commedes aimants
rigides.
Kittel arepris
laquestion
aupoint
de vuethéorique [18] :
considérantl’énergie
libre d’une
particule
cubique
ousphérique (fig. 4)
formant un seul domaine et celle de la même
particule
formant deux ouquatre
domaines,
séparés
par desparois
deBloch,
il a fait remarquerqu’au-dessous
d’une certaine
dimension,
lapremière
configuration,
correspondant
à un minimumd’énergie,
est laplus
stable. Il trouve que le diamètre
critique
est voisin de 100 A pour lefer,
soit de l’ordre del’épaisseur
de laparoi
deBloch;
parsuite,
« laconfiguration
à
quatre
domaines ne doit pas êtreinterprétée
d’une manière
trop
littérale ». Pour le fer le résultatde Kittel est effectivement
trop
petit;
mais pour des substances degrande anisotropie,
son raisonnementdonne un bon résultat : pour le MnBi de
Guillaud,
la dimension
critique
est de l’ordre de 8 000 Á alorsque a
n’est que de l’ordre de 200 A[19].
Fig. 5.
Néel a
proposé
de substituer augrain
à deux ouquatre
domaines du raisonnementprécité
un modèleà
lignes
de forces circulaires dans desplans
perpen-diculaires à undiamètre,
sanspôles
libres mais aussisans
parois;
il trouve ainsi pour le fer un diamètrecritique
de 32o A.Néel,
Weil etAubry
[33]
ont effectivement constitué des aimants avec despoudres
de fer réduitayant
des diamètres de cet ordre : Bertaut a mesuré leurs dimensionsgrâce
à une étude deslargeurs
de raiesDebye-Scherrer (fig.
5);
Weila trouvé par les chaleurs de
mouillage [31],
450
3i.>Enfin,
pour despoudres
de ferro-nickelpréparées
d’une manièreanalogue,
Galt[55]
a trouvé aumicroscope électronique
des dimensions allant de 5oo à 3 oooÀ ;
lespoudres
deGalt,
préparées
certainement
plus
grosses que celles deNéel,
Weil etAubry (1).
4.
Champ
coercitif desgrains
fins. - Lesgrains
fins constituant des domainesélémentaires,
le mécanisme décrit auparagraphe
2 nes’applique
plus;
l’aimantation nepeut
plus changer
que par unerotation simultanée des
spins.
Nous laisserons bien entendu de côté le casoù,
comme dans lesexpériences
d’Elmore,
c’est une rotation matérielle dugrain
qui
seproduit.
Les trois facteursqui
s’opposent
à la rotation de l’aimantation sont alors
l’anisotropie
magnéto-cristalline, l’anisotropie
de tension etl’ani-sotropie
deforme;
ce sont euxqui
déterminent lecouple qu’il
faut exercer pour faire tournerl’aiman-tation,
c’est-à-dire lechamp
coercitif. Le rôle des deuxpremiers
aété,
comme nous l’avons vu, reconnudepuis longtemps,
pour lesferromagnétiques
connexes. Le rôle du
troisième,
qui
fait en définitiveintervenir le
champ démagnétisant
dugrain
n’a été découvert que récemment et presque en mêmetemps
pour les aciers et les
poudres [5,
11,
6].
Les formules donnant lechamp
coercitif despoudres
peuvent,
.quelle
qu’en
soitl’origine,
se mettre sous la formeH. -
F1
Freprésentant
soit unegrandeur
proportionnelle
à .K[2,
9,
10],
soit unegrandeur
proportionnelle
à[1,
10,
12,
13],
soit unegran-deur
proportionnelle
à la différence desénergies
dues auxchamps démagnétisants
(N32013Ni) ~
sui-vant deux axes extrêmes d’unellipsoïde
de rotationéquivalent
à lapoudre [ 11,
6, 12,
13].
On a doncCes formules ne sont valables que pour des
grains
ayant
tous même orientation. Si cette condition n’est pasréalisée,
il fautmultiplier
par environo,5
la valeur de
He calculée,
comme le montrent la théorie[13, 6]
etl’expérience [34].
Pour fixer les ordres degrandeur,
nousrappelons
ci-dessous lesvaleurs
qui
ont été calculées pour les trois métauxferromagnétiques
usuels.Pour un
alliage
à très forteanisotropie magnétique
comme MnBi on
peut
s’attendre àtrouver,
lorsqu’il
est orienté 33 ooo Oe.
On devrait observer une
superposition
des troiseffets que nous venons de
rappeler;
or, ces valeursn’ont
pratiquement jamais
été atteintes. En effetnous avons
déjà
vu que pour obéir aux formulesci-dessus,
lesgrains
devaient être suffisammentpetits
’et ilspeuvent
ne pas tous l’être dans leséchantillons examinés
(ci.
§
5);
nous verrons deplus
(§ 9)
qu’ils
ne doivent pas êtretrop
petits :
ils auraient alors un
champ
coercitif nul. Enfin nous avonssupposé
que lesgrains
étaientindépendants;
or, on
n’opère
paspratiquement
avec despoudres
de dilution infinie : nous examinerons au
para-graphe
8 le rôle de la densité de tassement desgrains.
5. Grains
plus
gros que la dimensioncritique.
- Lechamp
coercitif varie en fonction du diamètredes
grains.
On trouvera parexemple
chezK0153nigs-berger
[32J
un résumé des résultats obtenus dèsIg3g
avec lesoxydes
magnétiques
du fer[15,
16]
mon-trant que, aux dimensions
qu’on
atteintcommo-dément par
pulvérisation mécanique,
Hc
varie assezexactement
comme . ’
°Grâce à son étude de
MnBi,
dont le diamètrecritique
estparticulièrement grand,
Guillaud[8]
apu montrer que la loi
en 11
n’est pas exacte mais queHe
tend vers une limitequi
n’est d’ailleurs pasencore atteinte à 3
microns,
diamètre leplus petit
qu’il
ait puséparer
(fig.
6).
Fig. 6.
Les mesures de
Bertaut,
faites sur lefer,
ont été effectuées sur lespoudres
bienplus
fines que donne la méthodechimique générale
deNéel,
Weil etAubry
[33].
Onvoit,
figure
5,
que la loien ’
n’estégalement
valablequ’aux
forts diamètres et queHe
tend vers un maximum au-dessous de 200 Â.
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 tenircompte
de l’influencesur le
champ
coercitif des interactions entre lesgrains.
Or,
la densité de tassement d’unepoudre
est fonction de son diamètre et est, toutes choseségales
d’ailleurs,
plus
faible pour lespoudres
finesqui
peuvent
de ce fait simuler unchamp
coercitiftrop
grand
relativement,
cequi
modifie l’allurede la courbe. Dans le cas de la
poudre
defer,
unevariation simultanée de
l’anisotropie
de forme et du diamètre desgrains
en fonction des conditions depréparation
peut
avoirégalement modifié
l’allure
de la courbe[30].
Kittel
[35,
19]
a donné une théorie de la variation duchamp
coercitif en fonction du diamètre 2 r desgrains
en examinant les conditions dedéplacement
d’une
paroi
dans ungrain
sphérique;
il calculeainsi
He
=H0(1 - r),
c(
formulequi
rendcompte
0
d’une manière au moins
qualitative
des faits. Guillaud[34], poursuivant
l’étude du mouvement desparois
suivant les mêmesprincipes
queKittel,
a
interprété
qualitàtivement
l’influencequ’il
aconstatée du
champ
de saturation sur lechamp
coercitif mesuré.6. Le
champ
coercitif dû àl’anisotropie
magnétiques. -
La loi donnantHe
en fonctionde K I
est relativement facile à vérifier. La constanted’anisotropie
varie souventbeaucoup
avec latem-pérature,
et en tous casbeaucoup
plus
vite quel’aimantation ~l. Il est donc aisé de
séparer, par
unesimple
étude de la variationthermique,
le rôle del’anisotropie
de forme de celui del’anisotropie
magnétique.
Malheureusement la connaissance trèsincomplète
que nous avons à l’heure actuelle desmagnétostrictions
à saturation en fonction de latempérature
nepermet
pas d’endistinguer
uneéventuélle influence d’un
champ
coercitif propor-tionnel àLes études ont
porté
d’abord sur lesalliages
à très forteanisotropie (MnBi, Mn2
Sb)
[Guillaud,
8,
36J,
où l’effet
d’anisotropie
est sensiblement pur,puis
sur le nickel et le cobalt
[Weil
etcollaborateurs, 37,
38, 39,
40] d’interprétation plus
délicate.Pour
MnBi,
Mn,Sb
et Co dontl’anisotropie
s’annule à unetempérature
différente dupoint
deCurie en
crangeant
designe,
lechamp
coercitifprend
une valeur faible à cettetempérature;
desdécalages
entempérature
du minimum et le faitqu’il
n’est pas nuls’expliquent
par l’intervention des deux autresorigines
de H, . Pour le nickel au-dessous de 100° K on vérifie[39] également
que le
champ
coercitif estproportionnel
à K
Lorsqu’on
cherche àpréciser
le coefficientnumé-rique
de 1
dans la formule de He des difficultésapparaissent.
Guillaud a vérifié que l’orientationdouble
HL.
mais trouve parexemple
un coefficient deux foistrop
petit
pourMnBi;
les courbesde §
etHe
en fonction de latempérature
n’ont pas desFig. 7.
ordonnées exactement
proportionnelles (2).
Pour le nickel et lecobalt,
Weil trouve un coefficientprès
de 10 foistrop
petit.
Les actions devoisinage
(densité
detassement)
nejustifient
pas de telsécarts
(fig. 8).
Onpeut
plutôt
penser que lesgrains
de MnBi sonttrop
gros pour être formés d’un seul domaine comme l’asuggéré
Guillaud. Dans le casdes
préparations
par voiechimique (Ni, Co)
onpeut
envisager
qu’une
certaineproportion
d’entre euxest
trop
petite
et abaisse lechamp
coercitif moyen(et - §
9).
Enfin,
il estpossible
que, au lieu des’ajouter
comme nous l’avons
supposé
apriori,
les diversescauses de
champ
coercitif se contrarientmutuelle-ment. Comme 13 montre une
photographie
aum’croscope électronique [57]
reproduite
ci-dessous(fin.
9, sauf le clichésupérieur
gauche
qui représente
l’oxyde),
le cobalthexagonale
réduits’agglomère
en
plaquettes larges,
situées vraisemblablement dans leplan perpendiculaire
àl’axe
sénaire.Celui-ci,
et
sphérique,
devient direction de difficile aiman-tation aupoint
de vue de la forme.Fig. 8. ,
Les
poudres
de métauxferromagnétiques
àgrande
anisotropie apparaissent
comme le matériau de choix pour les aimantspermanents
de trèsgrande
Fig. 9.
force coercitive tels
qu’on
les demande dans certainesapplications spéciales.
Les MnBi deGuillaud,
orientés,
atteignent
~3 ooo Oe. Les ferrites de cobaltde
Néel,
Weil etAubry atteignent 4
ooo Oe(3),
les Pt -
Fe,
préparés
avec surstructure et engrains
fins
[Weil,
41,
42]
atteignent
20 ooo Oe(4).
Malheu-reusement les
champs
coercitifs sontplus
faciles à déterminer que les constantesd’anisotropie
et sauf si une théoriepermet
unjour
deprévoir
apriori
les
alliages
oucomposés
donnant ungrand
K,
lathéorie que nous venons de
rappeler
ne sera pas uninstrument de découverte.
7. Le
champ
coercitif dû àl’anisotropie
de formes La formule donnant H,. en fonction des coefficients dechamp démagnétisant
extrêmes d’unellipsoïde équivalent
auxgrains
et de J n’estsusceptible
d’une vérificationqu’au voisinage
dupoint
de Curie où J varierapidement, quand
ons’astreint à étudier une
poudre
déterminée. Onpeut
au lieu de cela
préparer
plusieurs poudres
d’une familled’alliages
d’une manière suffisammentiden-tique
pourqu’on puisse
admettre que lesgrains
ont même forme ou
plus
exactement,
mêmerépar-tition de formes. Cette
méthode,
appliquée
auxferro-nickel entre 10 et 5o pour 100 - soit
une zone
de concentration
où,
àtempérature
ordinaire,
ils ont faible K et faible À - a montré[43]
une bonneproportionnalité
deH,,
et de J.Pour évaluer le coefficient
numérique,
il faut faire unehypothèse
ausujet
deNI - N2.
Néel aproposé
de considérer lapoudre
comme forméeuniquement
d’ellipsoïdes allongés
dont lerapport
des axes est i ~- e, cequi
donneEn choisissant une
répartition
un peuarbitraire,
favorisant
beaucoup
les valeurs de 8faibles,
il trouvePour des
aiguilles
trèsallongées
on obtiendrait au contraireN1-
N2
== 2 T:(cl.
parexemple
Sto-ner,
13),
soit H,. = 3 J.Pour la famille Fe - Ni
signalée
ci-dessus,
on aobtenu pour
H‘
des valeurscomprises
entreo,48
I
et
o,50;
pour du fer réduit[44],
o,55
et pour unferro-cobalt à 3o pour Ioo obtenu par réduction
o,56.
Les valeurs ainsi calculées sont relatives à une
poudre
infiniment diluée : elles sont obtenues parune
extrapolation
vers la densité de tassement -nulle. Ellespeuvent
être affectées par laprésence
degrains trop
gros outrop petits.
Cette réservefaite,
onpeut
remarquerqu’elles témoignent
enfaveur d’une
répartition
favorisantplus
encoreque 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
Kittel et ses collaborateurs ont effectivement trouvé pour le nickel ex-formiate
[59]
desgrains
«
quasi-sphériques
».Il ne semble pas,
jusqu’à
présent,
que des résultatsaient été obtenus dans la
préparation
depoudres
-ou de
précipitations ferromagnétiques
en milieupeu
magnétique
-ayant
la formed’aiguilles.
Fig. i o a, b.
Une étude directe de la forme des
grains,
à condi-tionqu’ils
soient tous dans les bonnes limites dedimension,
aumicroscope électronique,
serait inté-ressante pour décider de l’exactitudequantitative
de l’ensemble de la théorie del’anisotropie
de forme.8. Influence de la
proportion
des vides. -En considérant unepoudre
tassée oucomprimée
comme unferromagnétique
à cavitésréparties
Fig. 10 c, d.
d’une manière
isotrope,
Néel[6]
remarque quel’énergie
estproportionnelle
à v =d0 - d,
volumedo >’
relatif des vides et par
conséquent
Ne
estégalement
proportionnel
à cettequantité.
Il retrouveainsi,
pour les
grandes
valeurs de v, une formule dutype
général
décrit pour les inclusions(§ 2).
Ces consi-dérations ne valent évidemment que pour lechamp
coercitif dû àl’énergie
dechamp démagnétisant.
On trouvera auxfigures
o diverses vérificationsordinaire où la contribution de
l’anisotropie
magné-tique
ou de I.cr estnégligeable.
Pour lecobalt,
lesvéritables cavités
jouant
un rôle sont cellesqui
sontcomprises
dans lesagglomérats
de lafigure
9, nonsensibles à la
compression,
etqui
ne sontqu’une
Fig. Ioe.
petite
fraction de cellesqu’on
atteint par la méthode de mesure de densité mise en oeuvre; la fraction duchamp
coercitif due à la forme desgrains
resteindépendante
du tassementmesuré ;
Ha est sensi-blementindépendant
de lacompression.
Enfin,
pour le
nickel,
indépendamment
desphénomènes
du même genre, il fautpeut-être envisager
les effets d’unetrop
grande
finesse dugrain (§ 9).
9. La limite inférieure de la dimension des
grains.
- Nousavons
rappelé
ci-dessus que,pour avoir un
grand champ
coercitif,
lesgrains
ferromagnétiques
devaient être trèspetits.
Mais,
par contre, pour un atome
isolé,
il ne saurait êtrequestion
deferromagnétisme;
d’une manièreplus
générale,
pour un groupe d’atomestrop
peuimpor-tant,
les forcesd’échange
deviennent insuffisantes pours’opposer
àl’agitation
thermique :
on a unparamagnétique.
C’est ce queKônig
[46,
47]
aobservé par des mesures d’effet
Faraday
sur descouches de fer dont les éléments
constitutifs,
mesurés par diffractionélectronique,
ont un diamètreinfé-rieur à 12 Â.
Par
ailleurs,
Beischer et Winkel[48]
ont vérifié que les aérosols de Fe etNi,
à conditionqu’ils
soient obtenus au-dessous dupoint
de Curie pardécom-position
decarbonyles,
formaient des chaînes departicules,
que les éléments de cette chaînemesu-raient 70 3i et par
conséquent
que desgrains
de cediamètre étaient bien
ferromagnétiques.
Haul etSchôn
[49]
ont de la mêmefaçon
vérifié leferro-magnétisme
dès 3o à4o A
pour desoxydes
de fer.Mais,
même si ils sontferromagnétiques
au sensque nous venons de
voir,
il n’est pas évident apriori
que les divers facteurs
qui s’opposent
engénéral
àla rotation en bloc de
l’aimantation,
anisotropie
de
forme,
de tension oumagnétocristalline
sont suffisants pourmaintenir,
dans ungrain
assezpetit,
sa direction fixemalgré l’agitation thermique.
Néel
[50]
a étudié les conditions de stabilité en direction de l’aimantation rémanente d’ungrain.
La constante de
temps
de ces rotationsspontanées
dépend
essentiellement de où H estun
champ
de l’ordre degrandeur
duchamp
coercitifdu
grain, quelle qu’en
soitl’origine, v
le volume dugrain
et T latempérature
absolue. Pour du fer parexemple,
on obtient une constante detemps
de l’ordre de109sec.,
c’est-à-dire la stabilitéabsolue,
pour v
supérieur
au volume d’unesphère
de 160 Àde diamètre. Pour des
grains plus petits,
l’aimantationpeut
tournerspontanément
dans unchamp
nul et leur aimantation rémanente moyenne devient alors nulle. Pour unepoudre
forméeuniquement
degrains
si
petits,
on trouvera unchamp
coercitif nul. Pourune
poudre
contenant une fraction seulementde tels
grains,
la rémanente sera réduite à peuprès
dans la même
proportion
et lechamp
coercitif seraévidemment
plus
faible que lechamp
coercitif calculé.Les
expériences
de Bertaut(fig.
5)
montrent effec-tivement pour des substances àgrain
moyentrop
fin une diminution du
champ coercitif,
descendantpar
exemple
du maximum observé de7500e
à 25o Oe pour despoudres
mesurant aux rayons Xmoins de 100 Á.
L’existence d’une dimension
critique
inférieure estparticulièrement
sensiblelorsqu’on opère
sur lescatalyseurs
deRaney :
cespoudres
sont obtenues parattaque
à moins de 100° d’unalliage
d’aluminium par une solution de soude : à destempératures
sibasses le
grossissement
desgrains
est très limité. On a mesuré parexemple
[Weil,
51,
52]
pour dufer
72 A-
et pour du nickel 5o A(détermination
aux rayons X par
Bertaut).
Ces valeurs sont net-tement au-dessous des diamètres limites calculésd’après
la théorie de Néel. Une forteproportion
desgrains
a donc unchamp
coercitif nul et lechamp
coercitif de l’échantillon doit être bienplus petit
que celui depoudres
plus
grossières.
Effectivementon trouve
g,6
Oe pour le fer et10,8
Oe pour le nickel. Pour se ramener aux valeursnormales,
ou toutau moins s’en
rapprocher
ondispose
de deux moyens : soit abaisser la dimensioncritique
infé-rieure,
cequ’on
peut
obtenir par abaissement de latempérature,
soitcomprimer
lapoudre
ou la chauffer pour amener lespetits grains
à se fritter.H,~ remonte à 56 Oe - alors
qu’il
ne croît que de36 pour 100 pour du fer réduit -
et pour le nickel dans
l’hydrogène liquide,
où son diamètrecritique
est de14o
contre H, monte à 161,5, alorsqu’il
estmultiplié
par 3 seulement pour le nickel réduit. On observeégalement
la variation trèsimportante
prévue
pour la rémanente.Une
compression
et unfrittage
peuvent
également
faire croître notablement H,.
(le
multiplier
par 3 pour un certain nickelRaney).
Cephénomène
ad’ailleurs été observé même sur certains nickels obtenus par réduction du formiate : on
peut
trouver là uneexplication
ducomportement
du nickelreproduit
figure
10; ,au lieu de décroîtrequand
on
comprime
lapoudre,
lechamp
coercitif tendrait à croître et cequ’on
observe n’est que lasuper-position
de l’action dufrittage, qui
alieu,
même à l’ambiante pour des métaux trèsdivisés,
et de l’action des videsprévue
par Néel :H,.
varie peu.10. Conclusion. - Les
lignes générales
de la théorie duchamp
coercitif sontaujourd’hui
bien établies. Pour les substances massives(à région
ferromagnétique
connexe),
des formulespermettent
de rendrecompte
de l’influence des diversfacteurs;
un
important
travail de vérificationexpérimentale
reste àfaire,
toutparticulièrement
pour vérifier le rôle des tensions internes.Pour les
poudres
et d’une manièregénérale
lesferromagnétiques dispersés
deux des trois causesde
champ
coercitif,
l’anisotropie
de forme etl’ani-sotropie magnétique
ont étésoigneusement
étudiées;
la vérification de l’influence des tensions reste à faire. Les étudesexpérimentales
se sont souvent heurtéesà la difficulté d’obtenir des
grains
de « bonne odimension;
oscillant entre la limite inférieurequ’on
frôle dans lespréparations
par voiechimique
et la limitesupérieure qu’il
est difficile de ne pas franchirdans la
pulvérisation mécanique,
les divers auteurs ont pu vérifier que les théories donnaient un bonordre de
grandeur
des valeurs deH c.
Peut-être l’étude des
précipitations
ferromagné-tiques
dans les milieux peumagnétiques
ou nonmagnétiques
(aciers
austénitiques
déformés[53, 54],
cuivre ou zincimpurs)
où lesgrains
sontplus
net-tementséparés
etpeut-être
d’une croissanceplus
facile àcommander,
en mêmetemps
queplus
facile à étudier au
microscope électronique,
fournira-t-elle des
renseignements complémentaires ?
D’ores et
déjà,
la théorie desgrains
fins a été unguide
pour l’obtention d’un nouveautype
d’aimantspermanents,
enpoudre agglomérée.
Elleindique
également
la voie à suivre pour leur amélioration : il faut orienter lesgrains.
Enfin,
pour desalliages
tels que les Alnicos
qu’on
considèrequelquefois
comme connexes elle fournit non seulement une valenr
correcte du
champ
coercitif,
mais encore un moyend’interpréter
l’orientation à chaud[26].
Remarque
de M. Forrer. - Est-ilpossible
decontrôler,
par les rayons X parexemple,
si le feren
poudre
fine est encorecubique; je
croispouvoir
déduire de lavariation
d’aimantation en fonction de latempérature
près
dupoint
de Curie que ce fer enpoudre
fine estquadratique (peut-être
pseudo-cubique) ?
Réponse-
de .M~. Bertaut. -Lorsque
les raiesDebye-Scherrer
sont trèslarges,
le « dédoublementquadratique
»peut
échapper
àl’investigation.
Cependant
lalargeur
des raies quej’ai
étudiées varie normalement(en
et non pas suivant une loiimposée
par une structurequadratique.
Remarque
de M. Stoner. - Je félicite M. Weil de sesexpériences
sur la variation avec latempé-rature du
champ
coercitif despoudres, qui
per-mettent dedistinguer
d’unepart
entrel’anisotropie
provenant
de la forme et d’autrepart
l’anisotropie
magnétocristalline
etl’anisotropie
de tension.Quant
à la théorie duchamp
coercitif dans lesferromagnétiques
« connexes », il est bien facilede
comprendre
les détails des traitements de Becker etDôring
et deKersten;
malheureusement les idées de base sonttrop
simplistes.
Aucontraire,
je
suis convaincu que les idées de base de la théorie deNéel,
avec les «champs
dedispersion
» sont tout à faitjustes.
Malheureusement,
il est très difficile decomprendre
les détails. J’aisuggéré
àun de mes étudiants à Leeds d’étudier
soigneuse-ment le
grand
mémoire de M. Néel sur leschamps
coercitifs,
cequ’il
fait maintenant non sanspeine
mais avec
beaucoup
d’enthousiasme.J’espère qu’il
lui serapossible
de confirmer les détails et de nousdonner des
éclaircissements,
et aussipeut-être
de faire desdéveloppements
lui-même.Remarque
de M. Becker. - Jeregrette
vivement queDôring
et moi ayons été siaveugles,
lors de la rédaction de notrelivre,
devant le rôleimportant
quejoue
lechamp magnétique
interne lors de l’ai-mantation etparticulièrement
pour lechamp
coercitif. Ce rôle n’a été
apprécié
à sajuste
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 avonsnégligé
à côté d’ellesl’importance
duchamp
interne. Certainespartie
de notre livre ont ainsiperdu beaucoup
de leur valeur.’
Notations.
champ
coercitifd’aimantation;
H2
champ
coercitifd’induction;
Br aimantation
rémanente;
~ aimantation
spontanée
dans lesdomaines;
(j tension
interne;
j
énergie d’échange
par centimètrecube;
.K constanted’anisotropie (coefficient
duI er terme du
développement
del’énergie
magnétocristalline) ;
a
paramètre
duréseau;
y
énergie
par centimètre carré de laparoi
deBloch;
à
épaisseur
de laparoi
deBloch;
v, U’,
v" volume relatif.BIBLIOGRAPHIE. [1] BECKER. - Z. Physik, 1930, 62, 253. [2] AKULOV. 2014 Z. Physik, 1933, 81, 790. [3] KERSTEN. - Physik. Z., 1943, 44, 63.
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[29] FRENKEL et DORFMAN. 2014 Nature, 1936, 126, 274. [30] BERTAUT F. - C. R. Acad.
Sc., 1949, 229, 417. [31] WEIL L. 2014 C. R. Acad.
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[32] K0152NIGSBERGER, 18 septembre 1939; Phil. Mag., 1947, 38. [33] NÉEL, WEIL et AUBRY. 2014 Brev. Fr., 7 avril 1942. [34] GUILLAUD C. - J. recherches C. N. R.
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Phys. Rev., 1948, 73, 810. [36] GUILLAUD C. 2014 C. R. Acad. Sc., 1949, 229, 818.
[37] WEIL L., MARFOURE S. et BERTAUT F. - J. Physique
Rad., 1948, VIII, 9, 203. [38] WEIL L. et MARFOURE S. 2014 J. Physique Rad., 1947, VIII, 8, 358. [39] WEIL L. - C. R. Acad. Sc., 1949, 228, 1581. [40] WEIL L. -
Congrès de Métallurgie des Poudres, Graz, 1948.
[41] WEIL L. -
Congrès de Physique du Méta de Bristol, 1947, Physical Society London.
[42] WEIL L. - Brev. Fr. n° 943.100 du 7 février 1947.
[43] WEIL L. 2014 C. R. Acad. Sc., 1948, 227, 1347. [44] WEIL L. - C. R. Acad. Sc., 1947, 225, 229. [45] NÉEL L. - C. R. Acad. Sc., 1947, 224, 1488. [46] KÖNIG H. - Optik, 1948, 3, 101 et 201. [47] KÖNIG H. - Naturwissenschalten, 1946, p. 71.
[48] BEISCHER D. et WINKEL A 2014 Naturwissenschalten, 1937, 25, 420. [49] HAUL R. et SCHÖN Th. - Z. Elektrochemie, 1939, 45, 663. [50] NÉEL L. - C. R. Acad. Sc., 1949, 228, 664. [51] WEIL L. - C. R. Acad. Sc., 1949, 229, 584.
[52] WEIL L. 2014 Comm. Soc. franç. de Physique, J. Phys. Rad., 1950, VIII, 11, 6 S.
[53] HOBSON, CHATT et OSMOND W. J. - Iron and Steel, 1948, 21, 555.
[54] HOBSON P. T. et OSMOND W. J.2014 Nature, 1948, 161, 562.
[55] GALT J. K. -
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[56] KITTEL C., NESBITT E. A. et SHOCKLEY W. 2014 Phys. Rev., 1950, 77, 839.
[57] Mc CARTNEY et ANDERSON. 2014 J. of Appl. Physics, 1947, 18, 902.
[58] NÉEL L. -
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[59] KITTEL C., GALT J. K. et CAMPBELL, W. E. - Phys. Rev., 1950, 77, 725.
[60] NEWKIRK J. B. et SMOLUCHOWSKI R. 2014
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