HAL Id: jpa-00234395
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00234395
Submitted on 1 Jan 1951
HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of
sci-entific research documents, whether they are
pub-lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d’enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.
Délimitation du domaine de Rayleigh dans les champs
alternatifs à la lumière de récents travaux théoriques et
expérimentaux
I. Epelboin
To cite this version:
DÉLIMITATION
DU DOMAINE DE RAYLEIGH DANS LES CHAMPS ALTERNATIFSA LA
LUMIÈRE
DERÉCENTS
TRAVAUXTHÉORIQUES
ETEXPÉRIMENTAUX
Par I. EPELBOIN,
Laboratoire de
Physique (Enseignement)
de la Faculté des Sciences de Paris.Sommaire. 2014 Les théories actuelles de l’aimantation dans les champs faibles confirment les anciennes lois empiriques de Rayleigh, à condition d’éliminer les perturbations dues à l’influence du temps et à la forme de l’échantillon. Ces lois sont très importantes car les études des ferromagnétiques soumis à un champ sinusoïdal ou à une induction sinusoïdale sont généralement basées sur elles. Des désaccords
notables ont cependant été constatés pour les substances à haute perméabilité qui présentent des pertes magnétiques anormales dans les champs alternatifs et divers auteurs ont proposé des lois tradui-sant mieux les résultats expérimentaux.
Nous avons effectué des études par différentes méthodes accompagnées de polissage électrolytique et elles montrent que tous les rubans et fils de haute perméabilité sont hétérogènes dans le sens de l’épaisseur. Ceci est probablement dû à une diffusion irrégulière des atomes au cours des traitements thermiques et mécaniques et les champs alternatifs révèlent alors une texture magnétique qui est à l’origine de la majeure partie des pertes anormales et de certains désaccords avec les lois de Rayleigh.
Conformément à ces lois, les harmoniques ne sont appréciables que dans les champs pour lesquels la perméabilité d’amplitude atteint 10 à 20 pour 100 de la perméabilité initiale. Comme ce sont eux
qui perturbent la texture magnétique, ils limitent le domaine d’application des lois de Rayleigh, non
plus par rapport au champ coercitif, mais plutôt par rapport à l’accroissement de la perméabilité avec
le champ alternatif et à condition de faire les mesures avant que l’aimantation stabilisée par le champ
alternatif ait eu le temps de varier sous l’influence d’un traînage lent de diffusion. Tous les écarts et les limitations des lois de Rayleigh semblent s’expliquer par l’apparition dans le processus d’aimantation de facteurs perturbateurs bien définis, comme le temps, la structure ou la forme des ferromagnétiques, lesquels introduisent une variation non linéaire entre le champ magnétique appliqué et celui qui
obéirait à ces lois si ces facteurs étaient éliminés.
JOURNAL 19v1,
Les lois de Lord
Rayleigh
[ 1 ],
que celui-ci a établiesexpérimentalement
à la fin du siècledernier,
ont étélongtemps
admises pour lesferromagnétiques
dans le domaine deschamps
magnétiques
faibles nedépassant
pas1 /5e
duchamp
coercitif et ce n’est quedepuis
la dernière guerre, avec l’utilisation deplus
enplus fréquente
deschamps
alternatifs et des traitementsthermiques spéciaux
que des désaccordsimportants
se sont manifestés. C’est à cause d’euxque certains chercheurs ont alors
proposé
différentes loisthéoriques
etexpérimentales
destinées à lescompléter
ou même à lesremplacer.
Cependant,
ces lois ont étéappliquées
à desferromagnétiques polycristallins présentant
despertes
magnétiques
élevées dont uneétude,
faite à l’aide depolissages électrolytiques
successifs,
a montré unerépartition hétérogène
despropriétés
électromagné-tiques
dans leurépaisseur;
cettehétérogénéité
entraîne un
traînage magnétique
apparent
qui
peut
se superposer autraînage
réel causé par les diversphénomènes perturbant
l’aimantationlorsque
lefacteur
temps
n’est pasnégligeable.
Aussi,
sans aborder ici les théories dutraînage
magnétique
nous examinerons à la lumière desrécents travaux le domaine réel de validité des
lois de
Rayleigh.
Les lois d’aimantation
proposées
pour leschamps
faibles. -Rayleigh indique
que si lechamp
magnétique H
décroîtjusqu’à
une valeurI-I,
correspondant
à l’inductionBl
etqu’ensuite
on le faitcroître,
la valeurcorrespondante
de l’induction Bs’exprime
alors parPour les valeurs décroissantes de
H,
il suffit demettre un
signe
- devant le terme du 2edegré.
En d’autres termes, le
cycle
d’hystérésis
deRay-leigh
est formé de deux arcs deparaboles
dont lespoints
d’intersection sont sur la courbe depremière
aimantation :
En
reportant
l’origine
à l’un des sommets ducycle,
on
peut
tirer de cette relation :ce
qui
montre que laperméabilité
d’amplitude p.a
définie sur ce
cycle
est une fonction linéaire del’ampli-tude du
champ.
Le coefficient areprésente
la limitede jaa
pour unchamp
nul,
c’est-à-dire laperméabilité
initiale
qui correspond
à lapartie
réversible del’aimantation,
tandis que le coefficient b est dû àla
partie
irréversiblequi
détermine lespertes
parhystérésis
puisque
l’aire d’uncycle
deRayleigh
est
Les lois de
Rayleigh
étaient vérifiéesdepuis
plu-sieurs années et
généralement
considérées commedes « lois de la nature »
[2]
alors que leurinterpré-tation
théorique
se heurtait encore à la difficulté ducalcul de l’interaction
magnétique
dans unferro-magnétique
réel. Avant la dernière guerre, lesthéories
proposées
se bornaient à unereprésentation
formelle du processus d’aimantation à l’aide de modèles fictifs dont le meilleur est celui utilisé par
Preisach
[3]
et queKondorsky [4]
a d’ailleursdéveloppé
pour établir une théorieapproximative
d’aimantation
applicable
auxferromagnétiques
poly-cristallins
possédant
un axe de facileaimantation;
cette théorie a été vérifiée sur le cobalt et étendueexpérimentalement
auxferromagnétiques
usuels àtrois axes de facile aimantation
[5].
Si la courbe depremière
aimantation estreprésentée
par lafonc-tion B ~
f (H),
la courbed’hystérésis
est alorsreprésentée
parrelation conforme aux
équations (1)
et(2)
deRayleigh.
Cette formule estplus
générale, puisqu’elle
reste valablejusqu’à
uneamplitude
duchamp
bien définie par la théorie et
qui
se trouveprati-quement
dans le domaine duchamp
coercitif. C’est L. Néel[6] qui,
en donné uneinter-prétation
théorique générale
des lois deRayleigh
basée sur le fait que dans leschamps
faibles parrapport
auchamp
coercitif,
les processusd’aiman-tation sont
principalement
dus auxdéplacements,
réversibles ou non, des
parois séparant
les domaines élémentaires. Pour établir une théorie de cesdépla-cements, il a
exprimé l’énergie
librequi
leur est liée v par une fonctioncaractéristique
d’une forme maniableen
partant
d’un contourpolygonal
dont lesangles
vifs sontremplacés
par des arcs deparaboles tangents
aux côtés du
polygone;
cecipermet
de montrer que lesdéplacements
élémentaires d’uneparoi
desépa-ration dans un milieu
irrégulièrement perturbé
obéissent à un mécanisme d’aimantation conforme
aux lois de
Rayleigh.
Cesrésultats peuvent
être étendus au mécanisme d’aimantation desferro-magnétiques
comprenant
ungrand
nombre dedomaines et être soumis alors à des vérifications
expérimentales.
Eneffet,
on aboutit à une relationpotentielle
entre les coefficients a et b deRayleigh
de la formeoù
1,
est l’aimantation à saturation et oc unecons-tante du matériau
égale
à l’inverse du nombre de minima de la fonctioncaractéristique
contenus dansle parcours total moyen d’une
paroi.
Demême,
lechamp
coercitif est alors de la formeoù r est un coefficient
qui dépend
de os.Malgré
laforme très
simple
de la fonctioncaractéristique,
l’équation
(5)
vérifie assez bien les anciens résultatsde P. Weiss et de ses élèves
[7],
ainsi que lespremiers
résultats obtenus récemment dans
notre
laboratoire par C.Abgrall
entre - 160 et + 20° sur des rubansen
permalloy
ded’épaisseur présentant
despertes
parhystérésis
excessivement élevées. Desmesures effectuées au laboratoire de L. Néel
[8]
sur des aciers modernes à aimants ont vérifié
éga-lement la relation
(6), qui
a d’ailleurs été modifiéedepuis [9]
par unperfectionnement
dans le calculdu libre parcours d’une
paroi
de Bloch dans unchamp
fort et vérifiée pour d’autres substancesmagnétiquement
dures.Ces dernières
années,
un certain nombre de cher-cheurs ontproposé
des nouvelles loisempiriques
destinées àremplacer
celles deRayleigh
et souventils l’ont fait
après
avoir relevé des écarts dans leschamps
alternatifs ausujet desquels
aucunethéorie
rigoureuse
d’aimantation n’a été faite[10].
Il y acependant
desexceptions,
car S.Proco-piu
[11]
ne s’estpratiquement
basé que sur desconsidérations
théoriques
pour aboutir à la relationDe
même,
Akoulov[12]
aproposé
récemment la loi sous forme de sériequ’à
notre connaissance il n’a vérifiée que sur deséchantillons en fer-cobalt et
uniquement
enstatique
par la méthode
magnétométrique.
Elle a conduitalors à des
cycles
d’hystérésis
vérifiant la formule(4)
comme ceux de
Rayleigh,
mais valables dans undomaine de
champs beaucoup plus large.
Pourtant,
depuis T g24,
Jordan [13]
a montréexpérimentalement
que dans leschamps
alternatifsfaibles,
lecycle
d’hystérésis
est mieuxreprésenté
par les coefficients a et b deRayleigh
que par undéveloppement
en série. Il a, eneffet,
trouvé quepour des substances
présentant
en alternatif despertes
magnétiques
suffisamment faibles(notamment
un
déphasage
entre l’induction et lechamp
inférieurà
10-1),
laperméabilité
et lespertes
variaientlinéai-rement avec
l’amplitude
duchamp,
cequi
estconforme aux lois de
Rayleigh appliquées
à unchamp
sinusoïdal;
enextrapolant
pour unchamp
nul,
cecipermet
deséparer
lespertes
parhystérésis
des
pertes
par courants de Foucault. Mais lespertes
ainsi mesuréessont,
engénéral, supérieures
à cellesque l’on calcule en
supposant
la substancehomogène
et de conductivité a- en courant continu
(autrement
dit,
a-,, étant la conductivitéapparente
calculée àpartir
despertes
mesurées,
ona ?
>1 ).
Demême,
Û
/
indé-pendantes
de latempérature
que l’onappelle
laconstante de Jordan 8 et que L. Néel a
interprété
récemment par sa théorie du
traînage
des fluctua-tionsthermiques
[14, 15].
Ces deux anomalies sontrestées
inexpliquées pendant
desannées,
mais lavariation linéaire de la
perméabilité
et despertes
avec le
champ
ontpermis
avant la guerre degéné-raliser les lois de
Rayleigh
à l’ensemble desferro-magnétiques polycristallins
usuels,
à conditiontoute-fois de
prendre
certainesprécautions
queLegg [16]
aindiquées
en détail. Ilfaut,
parexemple,
quel’échan-tillon ne
présente
pas d’entrefer et pour éviter uneinstabilité ainsi que l’influence de son histoire
ma-gnétique,
il fauttoujours
effectuer unedésaiman-tation
préalable.
Ne pasprendre
cesprécautions
risque
d’entraîner des erreurs.Ainsi,
de nombreux désaccords avec les lois deRayleigh
étaientsignalés
pour des noyaux en
poudre [ 17,
18]
et c’esten 1943
que Kornetzki[19]
a démontré que si la substanceferromagnétique
suit les lois deRayleigh,
il estimpossible
que le noyau leur obéisse s’ilprésente
unentrefer. En
effet,
il se superpose à la relationparabolique
deRayleigh
une relationsupplémentaire
entre le
champ
H et lechamp
appliqué
enprésence
d’un entrefer. Comme cette relation est en
général
fonction de l’induction
B,
la loi d’aimantation accessible à nos mesures, c’est-à-dire la relationentre B et
Ha
s’écarte de la loiparabolique.
Sur lafigure
i, nous avonsreproduit, d’après
Kornetzki,
Fig. 1. 2013 Coefficient d’hystérésis h =
-3S Ú
en fonction du 3R (ichamp d’un noyau en FeNi 4o pour ioo sans entrefer (trait pointillé) et avec entrefer (trait continu) [4].
.
les valeurs mesurées des
quotients
-~8 b
en fonctionj x -~ a
du
champ
pour un noyau en ferro-nickel Fe-Ni4o
pour 100. La courbe en traitpointillé
correspond
au noyau sans entrefer et elle est donnée en
fonc-tion du
champ
H,
tandis que la courbe en trait continucorrespond
au même noyau avec un entreferet elle est valable pour le
champ
appliqué
Onvoit donc bien que le noyau avec entrefer n’obéit pas aux lois de
Rayleigh
dans l’ensemble du domaineoù la substance dont il est constitué les suit. Des écarts
analogues
ont étésignalés
à la mêmeépoque
pour desalliages
sans entrefer à hauteperméabilité.
Lafigure 2 indique
les courbes de laperméabilité d’amplitude
en fonction duchamp
Fig. 2. - Perméabilité
d’amplitude en fonction du champ de rubans en FeSi 3 pour oo recuits dans quatre atmo-sphères différentes [90].
obtenues par Pawlek
[20]
par des mesures à 5o Hz sur des rubans en Fe-Si 3 pour Ioo deo,35 mm
d’épaisseur
recuits dans différentesatmosphères.
On voit quelorsque
les échantillons sont recuits dans le vide ou dansl’hydrogène électrolytique,
les courbes ne sont linéairesqu’à partir
d’unchamp
relati-vement
élevé,
contrairement à cequi
se passelorsque
le recuit a été fait dans un
mélange azote-hydrogène
ou dansl’hydrogène
commercial.Cependant,
Pawlekn’a pas
interprété
les écarts aux lois deRayleigh
par
l’apparition
d’un facteurperturbateur
introdui-sant une variation non linéaire entre le
champ
magnétique appliqué
et celuiqui
existerait en sonabsence.
K. Sixtus
[21]
a trouvéégalement
que latangente
de
l’angle
depertes
(s
sur lafigure
3)
variaitlinéaire-ment en fonction du
champ
àpartir
d’une certainevaleur de celui-ci et il l’a confirmé avec d’autres
alliages,
notamment avec desferro-nickels;
cepen-dant,
ils’agit d’angles
depertes
biensupérieurs
à ceux utilisés dans la méthode de Jordan. Pourexpliquer
cesrésultats,
ilpartage
lesferromagné-tiques
en deuxcatégories
selonl’importance plus
ou moins
grande
desdéplacements
irréversibles desparois
deséparation
des domainespendant
lepro-cessus d’aimantation dans les
champs
faibles. Selonlui,
les lois deRayleigh
nes’appliquent
alorsqu’aux
ferromagnétiques
ayant
desdéplacements
irréver-sibles des
parois
relativement faibles(faibles
pertes
la seconde
catégorie
obéissent à une loi de la formeoù N est un coefficient
caractéristique
du matériau d’autantplus grand
quel’énergie
des tensionsinternes est
plus petite
parrapport
àl’énergie
cristalline. Il détermine alors la courbure de la
perméabilité d’amplitude,
car on aFig. 3. - Perméabilité et
angle de pertes en fonction du champ de rubans en ferro-siliciim (à gauche) et en
ferro-nickel (à droite) recuits dans l’hydrogène [21].
ainsi que la constante de
Jordan,
carl’angle
depertes
dans unchamp
sinusoïdal s’écritapproxi-mativement
/ 7B1 Q r 1 7B, H
Cette loi
n’explique cependant
pas les anomalies despertes
par courants de Foucault de tous les échantillonsqu’il
a étudiés en alternatifaprès
unrecuit dans
l’hydrogène.
Nos essais sur des ferro-nickelsprésentant
de fortespertes
parhystérésis
[22],,
Jen
particulier
sur dupermalloy
ayant
uneénergie
magnéto
cristalline très faible(état
désordonné),
nel’ont pas confirmé car elles ne font
apparaître
unecourbure de la
caractéristique
de laperméabilité
enfonction du
champ
quelorsque
celui-ci laisse appa-raître desphénomènes
nonnégligeables
detraînage
magnétique.
A titred’exemple,
nousindiquons
(fig. q)
lescaractéristiques
de laperméabilité
et del’angle
depertes
en fonction duchamp
obtenues à i o0o Hz avec deux ferro-nickelsayant
subi,
soit une
trempe
dans l’eau à7500,
soit un recuitprolongé
dans le vide. Onpeut
voir que tous obéissentaux lois de
Rayleigh,
même les deuxprésentant
defortes
pertes
parhystérésis; après
un certainaccrois-sement
(03BCa)
de laperméabilité
parrapport
à laa
perméabilité
initiale,
lescaractéristiques
du mumétal recuit et dupermalloy trempé
s’incurventrespec-tivement vers le haut et le bas et nous l’avons
expliqué
dans le cadre des lois deRayleigh
par l’influence desharmoniques qui
mettent en évidenceFig. 4. - Perméabilité et angle de pertes mesurés à 1000 Hz
en fonction du champ [22].
des variations différentes du
traînage magnétique
en fonction de la
fréquence. Depuis,
H. Wilde etG. Bosse
[23]
ont montré sur des tôles de fer ausilicium recuit à 135oo dans
l’hydrogène
etprésen-tant une courbure de la
perméabilité
pour deschamps
particulièrement
faibles que celle-ci était bien liéeau
traînage
qui apparaît
à desfréquences
déter-minées. Lafigure
5 montre troisaspects
différents des courbes de laperméabilité
en fonction duchamp
obtenues par ces chercheurs. En mesurant à
diffe .
rentes
fréquences
la variation despertes
par traî-nagemagnétique
en fonction de latempérature,
ils ont constaté que l’échantillon 1 dont la convexité
est tournée vers le haut
présente
despertes
partraînage dépendant
de latempérature,
que celles du deuxième dont la convexité est tournée vers lela convexité est tournée d’abord vers le
haut,
ensuite vers le
bas,
présente
en très bassefréquence
un
traînage qui dépend
de latempérature,
alorsqu’il
n’en
dépend
plus
auxfréquences plus
élevées.Fig. 5. - Perméabilité en fonction du champ des échantillons :
1, Tr. P. 35 M2 (FeSi 3,5 pour i oo);
2, Tr. P. 25 Nl (Fesi 2,5 pour 100);
3, Dyn. Bl. IV (FeSi 4 pour 100).
Pour ces
matériaux,
Feldtkeller[24]
aproposé
desformules
empiriques
destinées àremplacer
les rela-tions déduites des loisclassiques
deRayleigh.
Il donne pouréquation
ducycle,
la formuleoù la fonction
f L (Hl)
se détermined’après
les courbes de laperméabilité
en fonction del’amplitude
duchamp
et où lecoefficient x
se déduit ducompor-tement du matériau dans les
champs
alternatifs.Contrairement aux lois de
Sixtus,
les formules de Feldtkellers’appliquent
aux très faiblesaccrois-sements de
perméabilité
parrapport
à laperméa-bilité initiale et aboutissent à un
cycle
d’hystérésis
parabolique
dont les coefficients varient avecl’ampli-tude du
champ
alternatif.Les
principaux
désaccords avec les lois deRayleigh
sont donc liés au
comportement
desferromagné-tiques
dans leschamps
alternatifs et il est néces-saire depréciser
le domained’application
decha-cune des lois
proposées,
enparticulier
de celles deRayleigh.
Etude des lois d’aimantation dans les
champs
alternatifs. - L’étude de l’aimantation dans leschamps
alternatifs faibles s’effectue engénéral
àl’aide de
ponts
degrande
sensibilité en mesurantl’impédance
de bobines toroïdales dont le noyau annulaire est constitué par le noyauferromagné-tique
étudié. Laprécision
de la mesure n’est alorspratiquement
limitée que par lareproductibilité
des
caractéristiques
de l’enroulement et, dans le casdes modèles
démontables,
à celle de la résistancede
contact des
demi-spires
assemblées[251 (inférieure,
pour certainesbobines,
à I o-412 pour un enroulementde
4o
spires).
En utilisant unpont
deMaxwell,
Fig. 6. -
Diagramme scalaire
relatif aux perméabilités effectives :
ti’, perméabilité dynamique; ~L", perméabilité réactive; !-la’ perméabilité d’amplitude; p.,, perméabilité
conserva-tivc ; u.2, perméabilité consomptive.
on
peut
mesurer lechamp magnétique
à l’aide d’unthermocouple
branché dans le circuit dupont
et lire laperméabilité
et lespertes
sur lacapacité
et la résistance variables parcomparaison
des valeurs obtenues en réalisant deuxéquilibres
successifs,
l’un avec la bobine vide de son noyau, l’autre avec
le noyau.
Par
exemple,
unmontage
ainsi réalisé dans notrelaboratoire par J. Dieudonné
permet
la mesure desperméabilités
effectives d’un noyauferromagnétique
enprésence
de l’ensemble despertes
magnétiques
dans un domaine defréquences
de l’ordre de 8 MHz.Sur la
figure
6, nousrappelons
lediagramme
scalairequi
donne les relations entre les diversesperméabilités
en fonction du
déphasage
entre l’induction et lechamp (angle
depertes
magnétiques oc).
L’étude des lois d’aimantation dans les
champs
alternatifs nepeut
donc êtreprécise
que dans la mesure où l’onpeut
assimilerl~nduction
et lechamp
magnétique
à desgrandeurs
sinusoïdales. Il est doncindispensable
d’étudier lesharmoniques provoqués
par l’aimantation afin de déterminer le domaineoù ils sont
négligeables,
c’est-à-dire où l’onpeut
assimiler le
cycle
réel à uncycle elliptique.
déve-366
loppement
en série de Fourier donneEn
négligeant
lesharmoniques
del’induction,
l’angle
de
pertes
parhystérésis
est donné parFig. 7.
Courbe 1 :
3,r,
2013~
en fonction de -~ H, ; courbes 2 et 3 : angle de pertes tg aH et facteur de distorsion harmonique Kb
en fonction
de a
H1 dans le cas d’un champ sinusoïdal et dans celui d’une induction sinusoïdale; courbes 4 et 5 : mêmes grandeurs en fonction dea
courbe 6 :-~20132013~s-en fonction de courbe 7 :
03BC’ - 03BCa
en fonctiona u. a
et l’on
peut
alors connaître les diversesperméabilités
en se servant du
diagramme
de lafigure 7 [on
peut
alors vérifier que laperméabilité d’amplitude
satis-fait bien àl’équation
(3)].
Pour étudier l’influence du 3eharmonique,
on utilise le facteur de distorsionharmonique
K défini comme letriple
durapport
desamplitudes respectives
du 3eharmonique
et du terme fondamental del’induction;
leséquations (13)
et
(14) permettent
alors d’arriver àet le taux
d’harmoniques
de l’induction est 3Lorsque
c’est l’induction que l’on rendsinu-soïdale un
développement
en sériede Fourier
permet
étalement d’exprimer
H(t)
sousforme d’une série
rapidement convergente
dont les coefficientspeuvent
se calculer deproche
enproche
avec des formules de récurrence[22].
En
comparant
les fonctions H(t)
et B(t),
onconstate que dans les deux cas, le facteur de distorsion
harmonique
et le tauxd’harmoniques
se confondentpratiquement;
mais dans ledeuxième,
les termesen cosnoel et en sinnwt pour n
impair
ne sont pas nuls et les valeurs de crête desharmoniques
duchamp
serapprochent
deplus
enplus.
L’abaque
de la
figure 7
indique
les variations desperméabi-lités,
desangles
depertes
et du facteur de distorsionharmonique
dans le cas d’unchamp
sinusoïdal etdans celui d’une induction
sinusoïdale;
on voit quepour toutes les valeurs
de ¡.La,
les valeurs desangles
de
pertes
et du facteur Klorsque
lechamp
estsinusoïdal se confondent
pratiquement
avec cellesqu’elles
prennent
dans le cas de l’inductionsinu-soïdale. Les courbes 2 et 3
indiquent
les variations de cesangles
en fonction et leurcompa-raison avec la droite 1 montre que la formule
approximative
(14),
surlaquelle
est basée la méthodede
séparation
despertes
deJordan,
n’est valableque pour de très
petits angles :
> I,1 i par aexemple,
la valeur detg aH
est inférieure de8 pour 10o à celle donnée par la droite. Les courbes 6
et 7 montrent que la
perméabilité dynamique
définied’après
lafigure
6 comme lerapport
entrel’ampli-tude de l’induction et la
composante
duchamp
enphase
avec celle-ci se confondparfaitement
avec laperméabilité
d’amplitude
lorsque
lerapport aa
esta
inférieur à
1,3,
c’est-à-direlorsque
le facteur de distorsionharmonique
est inférieur à 6 pour 100;d’ailleurs,
celui-ci passedéjà
de 1 à 3 pour 100lorsque ~~
croît de1,05
à1,15
et c’est son influencequi
limite l’étude du domaine deRayleigh
dans leschamps
alternatifs.A notre
connaissance,
l’étude desharmoniques
n’a pas été faite pour uncycle
de Sixtus.Par
contre,
les résultats trouvés pour lecycle
deRayleigh
s’appliquent
aux formules deFeldtkeller,
puisqu’il s’agit
encore d’uncycle parabolique.
Pourles échantillons 2 et 3 de la
figure
5,
il a d’ailleursfait la vérification
expérimentale
de la relation(15)
jusqu’à
des valeurs de Katteignant 5
à 6 pour 100; elle est d’ailleurs mieux vérifiée que lecycle
deRay-leigh classique,
car dans la formule(12),
lecoeffi-cient ;(
est déterminé enprésence
detraînage
magné-tique. /
est en effet donné par la formuleempi-rique Z
03BC2 et [J.2 sont lesperméabilités
03BC1 - a ¥effectives conservative et
consomptive
calculées parextrapolation
en bassefréquence
afin d’éviter lescourants de
Foucault,
mais pascorrigées
despertes
partraînage
ainsi que nous le verronsplus
loin.Pour étudier les lois de
Rayleigh
dans leschamps
alternatifs simultanément en
présence
des courants de Foucault et despertes
partraînage magnétique,
onpeut
utiliser leséquations
de Maxwell etrempla-cer, suivant la méthode d’Arkadiev
[26],
laperméa-bilité réelle par une
quantité complexe (i
-où y
représente
latangente
del’angle
depertes
débarrassé de l’influence des courants de Foucault. Cecipermet,
dans le cas des fils ou desrubans,
de calculer sans difficulté le coefficient reliant cetteperméabilité complexe
auxperméabilités
effectives enadaptant
la méthode de V. Arkadiev à unesubstance
hétérogène
[22].
Ainsi,
ri-’
ettga
étant laperméabilité dynamique
etl’angle
depertes
effectives,
ontrouve,
dans le cas desrubans,
et
OÙ
et où le
paramètre
caractéristique
de l’effetpelli-culaire est x = avec
d,
épaisseur
duruban,
cr, conductivité etf, fréquence.
Pour les faibles valeurs de x, leséquations
(17)
deviennentOn retrouve ainsi la méthode de
séparation
despertes
de Jordan valable seulement pour les faibles valeurs de x et de y etpour
letype
detraînage
caractérisé par Y =
tg
s. Onpeut
alorsdéter-miner les coefficients de
Rayleigh
enextrapolant
lesdroites
en fonction def 2
pourf
- o. Onpeut
03BC
encore
voir,
d’après
l’équation
(18),
que lecoeffi-cient Z
de Feldtkeller est bien déterminé enprésence
de
traînage, puisque
même pour x = o, on amais il semblerait que pour ces
échantillons,
le traî-nage n’est pas celui deJordan,
puisque
l’on aLorsque
les substancesprésentent
despertes,
élevées par
traînage
et par courants deFoucault,
on
peut
tracer diversdiagrammes,
enparticulier
celui des variations
de
en fonction del’angle
de03BC
pertes
et les comparer avec les courbes obtenues àpartir
deséquations (17).
Cependant,
pourinterpréter
lesrésultats,
il estnécessaire de faire des
hypothèses
sur les variations avec lafréquence
dutraînage magnétique
réel;
malheureusement,
ceshypothèses
sont délicates à faire et nous en donnerons unexemple,
tiré descourbes 1
en fonction detg
oc[22]. Supposons
quele
traînage
reste constant avec lafréquence :
laperméabilité
réelle dupermalloy trempé
de lafigure
4
diminue alors en fonction decelle-ci,
doncelle croît vers l’intérieur du ruban
(texture
posi-tive)
et, par contre,celle
du mumétal recuit diminuevers l’intérieur
(texture négative). Supposons
main-tenant que le
traînage
augmente
avec lafréquence,
onpeut
conclure que le mumétal a une texture nulle ou mêmepositive.
On nepeut
donc se contenterd’hypothèses
et pour étudier les lois d’aimantationdans les
champs
alternatifs,
il est écessaire de connaîtreexpérimentalement
la formeprécise
de latexture
magnétique
macroscopique.
Étude
par lepolissage électrolytique
de latexture
magnétique
dans le domaine deRay-leigh.
- Pourprouver une
répartition
hétérogène
des
propriétés
magnétiques
dansl’épaisseur
dumétal,
il a étélongtemps
nécessaire deprocéder
paranalogies
et de comparer le
comportement
d’unferromagné-tique
à texturemagnétique
macroscopique
à celui d’un modèle fictif constitué par des couches deconductivité et de
perméabilité
différentes[28].
Oncraignait,
eneffet,
que l’enlèvement des couchessuperficielles
ne laisse des traces dans le corps dumétal restant et ce n’est que
depuis
certainsperfec-tionnements du
polissage électrolytique
que cescraintes ont été
dissipées,
tout au moins pour lesferromagnétiques
obéissant aux lois deRayleigh
etdont l’aimantation ne varie
pratiquement
pas avecle
temps [29].
Afin d’être bien certains que lepolis-sage ne modifiait pas le métal
restant,
nous avons faitun contrôle
magnétique
enpolissant
deux échantillonsidentiques,
l’un sur uneface,
l’autre sur deux faceset un contrôle aux rayons X à l’aide de
diagrammes
en retour en
polissant
successivement les deux faces : les résultats ont été concordants dans l’un etl’autre cas.
L’utilisation du
polissage
électrolytique
étant ainsiautorisée,
onpeut
écrire que laperméabilité
enun
point
situé à la distance z duplan
milieu du rubanest telle que
¡J-¡n étant la
perméabilité
moyenne de l’échantillon. En amincissantprogressivement
le ruban et enmesurant et z on
peut
ainsi déterminer ~.~.Cette
valeur uz
introduite dans leséquations
deMaxwell
permet
de connaître en fonction de lafréquence
les variations de laperméabilité
com-plexe 03BC(1 - jy)
provoquées uniquement
par latexture
magnétique.
Parexemple,
l’étude de certains rubans faite en collaboration avec A. Marais[30],
a montré que
l’expression
peut
se mettre sous laforme
simple
utilisée par Polivanov[31] :
d’où
368
La
figure
8indique
les valeursexpérimentales
dela
perméabilité
moyenne d’un mumétal au chrome laminé à froid(Fe
17 pour i oo,Ni ; 6
pour 100,Fig. 8.
Courbe 1 : comparaison des valeurs expérimentales de la
perméabilité moyenne
tJ.°K;
courbe 2 : P-- ~ [30].°
Cu 5 pour ioo, Cr
1,5
pour100)
et d’unpermalloy
(Fe
22 pour oo, Ni76
pour 100, Mn1,5
pour100)
recuit à95oo
dansl’hydrogène
ettrempé
à~50~
dans l’eau. Sur lafigure
9, nous donnons les courbesFig. 9. - Courbes
ùe p, et y en fonction de la fréquence d’après les résultats de la figure 8 [30].
de la
perméabilité
complexe
en fonction de lafré-quence et l’on voit que les deux
composantes
ontrespectivement
le caractère desspectres
magné-tiques
dedispersion
de laperméabilité
etd’absorption
des
pertes y
qui
pourrait
être causé par unphéno-mène réel de
traînage
dû à un retard sous l’influencedu
temps.
La même méthode
permet
de déceler deshétéro-généités
de la conductivitéélectrique.
Ainsi,
les droites de Jordan donnent 2,3 comme valeur durapport’7’
6 pour le mumétal et 1,8 pour lepermalloy,
alors que lecalcul,
d’après
lesspectres
magnétiques,
donne
l,57
et 1,35. Cedécalage
peut
s’expliquer,
toutau moins
partiellement,
par uneplus
grande
conducti-bilité de la couche
superficielle puisque
l’enlèvement de cette dernière parpolissage_électrolytique
donne aurapport ’7’
les valeursrespectives
de 1,9 ) pour lemumétal et
1,4
pour lepermalloy,
valeursqui
serap-prochent
des valeurs calculées. Cettehétérogénéité
ad’ailleurs été récemment confirmée dans notre labora-toire par D.
Dautreppe qui
a effectué des mesures directes des variations de conductivité dequelques
rubans enFe-Ni,
en fonction de laquantité
de métaldissous par
polissage
électrolytique [39].
Fig. o. -
Répartition de la perméabilité p., dans
l’épais-seur d’un ruban en permalloy de o,5 mm d’épaisseur recuit dans l’hydrogène [35].
Il existe
également
unehétérogénéité
de la formeet de
l’épaisseur
desgrains.
Ceci a été constaté pardes examens successifs de l’état de surface effectués au
microscope
et aux rayons Xaprès
despolissages
électrolytiques
successifs et l’on a, en mêmetemps,
pu voir la
répartition
hétérogène
des trous et fissures dansl’épaisseur
dumétal;
de nombreusesmicro-photographies
obtenues par D. Amine avec des ferro-nickels montrent que les fissuresatteignent
des dimensionsconsidérables,
enparticulier,
les fissuresdu
permalloy
aumolybdène
brut delaminage
sontbeaucoup plus
importantes
que celles del’alliage
recuite
r 1 )
[32].
Des variations des
paramètres
cristallins ont étéégalement
constatées surquelques
rubans que nous avons étudiés avec M. leProfesseurJ. Wyart [33]. Tant
quel’épaisseur
enlevée à l’échantillon depermalloy
trempé
est inférieur à I o p, on trouve commeparamètre
3,5Q$6 ~ o,ooo5
Â. On observe ensuite unaccrois-sement du
paramètre,
car pour 20 ~. de métalenlevé,
il devient3,548o t~
et reste constant par la suite.Si l’on recuit dans le vide cet échantillon
pendant
troissemaines,
on ne constateplus
aucune variationdu
paramètre,
qui
resteégal
à3,5460 +
o,ooo5Â,
valeur
pratiquement
égale
à la moyennearith-métique
des deux nombres mesurés avant lerecuit.
D’ailleurs,
lerapport 7"
nedépasse
alors6
pas 1, ’J. et la texture
magnétique macroscopique
qui
est37o
augmente
àpeine
de 8 pour 100lorsque
la section a
déjà
diminué de 25 pour 100.Fig. I!. 2013 Deux micrographies (X 70) d’un ruban de per-malloy au molybdène de o,35 mm d’épaisseur, poli élec-trolytiquement, brut de laminage et après un recuit à 1100° dans l’hydrogène.
Il est curieux de constater que les valeurs
respectives
desparamètres
dupermalloy
trempé
sont du même ordre degrandeur
que celles trouvées parLeech et
Sykes [34]
sur de lapoudre
depermalloy
à75
pour i oo denickel,
à l’état désordonné(avec
un
paramètre
de3,5470 À)
et à l’état ordonné(avec
unparamètre
de3,5441 A
et deslignes
desurstructure);
ceci pose leproblème
dudegré
éventuel de transformation ordre-désordre dans
l’épaisseur
des rubansayant
subi divers traitementsthermomécaniques.
Des travaux effectués dans notrelaboratoire par A. Marais montrent que dans le
domaine de
Rayleigh,
ilpeut
seprésenter,
dans lesrubans ou dans les
fils,
des formes très variées de larépartition
de laperméabilité
et notamment destextures
négatives
etpositives
àplusieurs
maximaou minima. Il a
cependant remarqué
quelorsque
lesrubans sont
pris
dans une même coulée et traitésde manière semblable à des
épaisseurs
différentes,
il semble exister des relations bien définies entre la forme de la texture etl’épaisseur
du métal[35].
La
figure
10 montre la texturemacroscopique
d’unéchantillon de
permalloy
usuel(Ni
77 pour 100, Cu 5 pour 100, Mo4
pour100)
deo,5
mmd’épaisseur
et traités dans
l’hydrogène
à 1100°. Sa texturepermet
deprévoir
celle des rubansplus
minces car,si
l’épaisseur
diminue,
c’est d’abord lepalier
BB’qui disparaît, puis
lespoints
A et A’qui
se confondentet
disparaissent.
Autrementdit,
la texture d’un ruband’épaisseur
2 1peut
être déduite de celle d’un rubanplus
épais,
d’épaisseur
2L ensupprimant,
dans le milieu de la texture du deuxième
ruban,
une bande
2(L - I),
à condition que ces deux rubans soient d’une même coulée et aient subi destraitements
analogues.
Cette relation
permet
d’expliquer
la faibleperméa-bilité initiale des très minces laminés de
permalloy.
Des travaux effectués dans notre laboratoire àl’aide du
dispositif
de C. Chalin pour l’amincissementélectrolytique
deslaminés,
ontcependant
fait ressortir desexceptions
à cetterègle.
Parexemple,
un ruban de
permalloy
de8 ~
d’épaisseur
obtenupar
polissage électrolytique
àpartir
d’un laminé de 55 03BCpossède, après
recuit à 1100° dansl’hydro-gène
purifié,
une conductivitéapparente
(7 aplus
faible et uneperméabilité
supérieure
à celles que lesconsidérations
précédentes pourraient
laisserprévoir
en
partant
d’un ruban de55 li
recuit de la mêmemanière.
Nous pensons que les faits
exposés
peuvent
être liés à desphénomènes
de diffusion des atomes au cours des divers traitementsthermomécaniques,
lesquels
sontsusceptibles
de créer unehétérogénéité
dans la
composition chimique
des cristallites oudans la
répartition
des tensions résiduelles. Nous citerons pour mémoire leshétérogénéités
liées aulaminage
ou auxopérations
de tréfilerie et les texturesqu’elles
déterminent,
mais nouspréciserons
plus particulièrement
le rôle du traitementther-mique
dansl’hydrogène,
car celui-ci est trèsfréquem-ment utilisé.
alimentée
également
par lesimpuretés
diffusées de l’intérieur du métalqui expliquerait, partiellement
au
moins,
les anomalies cristallines etélectriques
de la couchesuperficielle.
Quant
àl’hydrogène,
il nese limiterait pas, contrairement à ce
qu’on pensait
autrefois
[20],
à une action réductricesuperficielle.
Aux
températures
élevées durecuit,
une fraction del’hydrogène
est sous formeatomique
et,d’après
E. Darmois
[36],
sa diffusion dans le métal se feraitpar les
protons,
Ceux-cidégageraient
dans les trous et fissures del’alliage,
soit del’hydrogène atomique
qui
entrerait en réactionchimique
(dénitruration,
décarburation,
etc.), soit,
au cours durefroidissement,
de
l’hydrogène
moléculairequi
seraitsusceptible
decréer des variations de
pressions
locales très élevées.Comme la vitesse de diffusion des atomes vers
l’extérieur
(impuretés)
et vers l’intérieur(hydrogène
et ses
impuretés)
estprincipalement
déterminée parla
température,
au passage par lepoint
de Curie et au cours de la formation des domainesélémentaires,
une telle diff usion créerait une relation bien définie
entre la texture
macroscopique
d’un échantillon etson
épaisseur.
Ceciexpliquerait
d’ailleurs que larelation entre la texture et
l’épaisseur
se conservelorsqu’un polissage électrolytique précède
letrai-tement
thermique.
~.
L’accroissement de la
perméabilité
et la dimi-nution despertes
magnétiques
des rubans très minces de ferro-nickelspolis électrolytiquement
peut,
de la même
manière,
être attribuée à l’amélioration de l’état de surface. Eneffet,
Guntherschulze[37]
a
indiqué
que les raiessuperficielles gênaient
ladiffusion de
l’hydrogène
car elles activent laforma-tion
d’hydrogène
moléculaire;
pour uneépaisseur
donnée,
laquantité d’hydrogène
diff usé serait doncplus grande lorsque
le ruban est bienpoli.
Nouseffectuons actuellement des
expériences
destinées ànous
apporter
plus
deprécision
sur le rôle del’hydro-gène.
Tous les ferro-nickels à texture
magnétique
macros-copique
que nous avons étudiés obéissent aux lois deRayleigh,
car laperméabilité d’amplitude
commencepar varier linéairement avec le
champ magnétique.
Cependant,
on nepeut,
enalternatif,
limiter ledomaine de
Rayleigh
parrapport
auchamp
coercitif;
on doitplutôt
le limiter parrapport
à l’accroissement de laperméabilité qui
détermine lesharmoniques
dont l’influence ne se
manifeste,
engénéral,
que dansles
champs
magnétiques
où laperméabilité
d’ampli-tude atteint o à 20 pour Ioo de la
perméabilité
initiale. Nous avons constaté
cependant
que pour certains ferro-nickels à forte texturemacroscopique
ou
ayant
des fissures trèsprononcées
comme lepermalloy
aumolybdène
brut delaminage,
ledomaine de
Rayleigh
est limité par lerapport 03BCa
qui
doit être inférieur à
l, 05
et cette limitation n’est pasreliée à
l’importance
desdéplacements
irréversiblesdes
parois
deséparation
des domaines élémentaires. Nos études de texturemagnétique
macroscopique
dans le domaine de
Rayleigh
n’ont pu être étenduesaux
alliages
deferro-silicium,
analogues
à ceux dePawleck
[20]
et Sixtus[21].
Cela vient de ce queles échantillons que nous avons eus à notre
dispo-sition,
aussi biend’hypersil
que ceux laminés àchaud ou traités dans
l’hydrogène,
présentent
uneforte variation de l’aimantation avec le
temps,
accompagnée
d’une nette courbure de laperméa-bilité
d’amplitude
en fonction duchamp
magné-tique. Cependant,
l’influence desimpuretés,
notam-ment de l’azote et ducarbone,
sur laperméabilité
d’un ferro-silicium à 3 pour 100 de Si traité dans
l’hydrogène
à 135oo[20]
et le rôle de la diffusion del’hydrogène
permettent
de penser que cesferro-magnétiques
à hauteperméabilité présentent
éga-lement une texture liée àl’hétérogénéité
de larépar-tition des atomes de carbone et d’azote. La courbure de la
perméabilité qu’ils présentent
en fonction duchamp
serait donc à la fois due à unehétérogénéité
macroscopique
et à untraînage
réel de diffusion[38];
ce dernierpeut
cependant
être éliminé enreleyant
la courbe
perméabilité
en fonction duchamp
avantque l’aimantation n’ait été influencée par le facteur
temps
et les résultats de A.Marais,
décrits par ailleurs[39],
montrent que les mesures auxpoints
alternatifs
permettent
de seplacer
dans de tellesconditions.
Après
l’analyse
de cesquelques
travaux choisisparmi
les nombreuses recherches effectuéesdepuis
dix ans dans le domaine deschamps
trèsfaibles,
nous pouvons donc conclure que les lois deRayleigh
semblent
toujours
valables. heurinterprétation
n’estplus
baséeuniquement
sur des modèlesfictifs,
maissur une théorie des
déplacements
desparois susceptible
de vérifications
expérimentales
et deperfection-nements. Les écarts et les limitations des lois de
Rayleigh
dans leschamps
alternatifs semblents’expliquer
parl’apparition,
dans le processusd’aimantation,
de facteursperturbateurs
bien définiscomme le
temps,
la structure ou la forme desferro-magnétiques, lesquels
introduisent une variation nonlinéaire entre ld
champ magnétique appliqué
et celuiqui,
existant en leur absence obéirait aux lois deRayleigh.
Les
perfectionnements apportés
aux mesures rela-tives auxferromagnétiques
dans leschamps
alter-natifs,
les nouvelles théories dutraînage magnétique,
la
possibilité
deséparer
ce dernier dutraînage
apparent
permettent
de fixerquantitativement
le domaine deRayleigh.
Demande de Al.
Lliboutry.
-- 31.Epelboin
a-t-ildes résultats sur le domaine de validité des lois de