Hystérésis magnétique - Magnetic hysteresis
L'hystérésis magnétique se produit lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué à un ferromagnet tel que le fer et que les dipôles atomiques s'alignent avec lui. Même lorsque le champ est supprimé, une partie de l'alignement sera conservée: le matériau s'est magnétisé . Une fois magnétisé, l'aimant restera magnétisé indéfiniment. Pour le démagnétiser, il faut de la chaleur ou un champ magnétique dans le sens opposé. C'est l'effet qui fournit l'élément de mémoire dans un disque dur .
La relation entre l'intensité de champ H et la magnétisation M n'est pas linéaire dans de tels matériaux. Si un aimant est démagnétisé ( H = M = 0 ) et que la relation entre H et M est tracée pour des niveaux croissants d'intensité de champ, M suit la courbe de magnétisation initiale . Cette courbe augmente rapidement dans un premier temps, puis se rapproche d'une asymptote appelée saturation magnétique . Si le champ magnétique est maintenant réduit de manière monotone, M suit une courbe différente. À une intensité de champ nulle, la magnétisation est décalée par rapport à l'origine d'une valeur appelée rémanence . Si la relation HM est tracée pour toutes les intensités du champ magnétique appliqué, le résultat est une boucle d' hystérésis appelée boucle principale . La largeur de la section médiane le long de l'axe H est le double de la coercivité du matériau.
Un examen plus attentif d'une courbe de magnétisation révèle généralement une série de petits sauts aléatoires de magnétisation appelés sauts de Barkhausen . Cet effet est dû à des défauts cristallographiques tels que des dislocations .
Les boucles d'hystérésis magnétiques ne sont pas exclusives aux matériaux avec ordre ferromagnétique. D'autres ordonnances magnétiques, telles que la commande de verre de spin , présentent également ce phénomène.
Origine physique
Le phénomène d'hystérésis dans les matériaux ferromagnétiques est le résultat de deux effets: la rotation de l' aimantation et les changements de taille ou de nombre de domaines magnétiques . En général, la magnétisation varie (en direction mais pas en amplitude) à travers un aimant, mais dans des aimants suffisamment petits, ce n'est pas le cas. Dans ces aimants à domaine unique , l'aimantation répond à un champ magnétique en tournant. Des aimants à domaine unique sont utilisés partout où une aimantation forte et stable est nécessaire (par exemple, enregistrement magnétique ).
Les aimants plus grands sont divisés en régions appelées domaines . Au sein de chaque domaine, l'aimantation ne varie pas; mais entre les domaines se trouvent des parois de domaine relativement minces dans lesquelles la direction de l'aimantation tourne d'un domaine à un autre. Si le champ magnétique change, les murs bougent, changeant les tailles relatives des domaines. Du fait que les domaines ne sont pas magnétisés dans la même direction, le moment magnétique par unité de volume est plus petit qu'il ne le serait dans un aimant à domaine unique; mais les parois de domaine impliquent la rotation d'une petite partie seulement de l'aimantation, il est donc beaucoup plus facile de changer le moment magnétique. L'aimantation peut également changer par addition ou soustraction de domaines (appelés nucléation et dénucléation ).
La mesure
L'hystérésis magnétique peut être caractérisée de différentes manières. En général, le matériau magnétique est placé dans un champ H appliqué variable , comme induit par un électroaimant, et la densité de flux magnétique résultante ( champ B ) est mesurée, généralement par la force électromotrice inductive introduite sur une bobine de prise à proximité de l'échantillon. Ceci produit la courbe caractéristique B - H ; en raison de l'hystérésis indique un effet de mémoire de la matière magnétique, la forme de la B - H courbe dépend de l'historique de l' évolution de H .
Alternativement, l'hystérésis peut être tracée comme une aimantation M à la place de B , donnant une courbe M - H. Ces deux courbes sont directement liées depuis .
La mesure peut être en circuit fermé ou en circuit ouvert , selon la façon dont le matériau magnétique est placé dans un circuit magnétique .
- Dans les techniques de mesure en circuit ouvert (comme un magnétomètre à échantillon vibrant ), l'échantillon est suspendu dans un espace libre entre deux pôles d'un électroaimant. De ce fait, un champ démagnétisant se développe et le champ H interne au matériau magnétique est différent du H appliqué . La courbe BH normale peut être obtenue après correction de l'effet de démagnétisation.
- Dans les mesures en circuit fermé (comme le graphe d'hystérésis), les faces planes de l'échantillon sont pressées directement contre les pôles de l'électroaimant. Puisque les faces polaires sont hautement perméables, cela supprime le champ de démagnétisation, et donc le champ H interne est égal au champ H appliqué .
Avec les matériaux magnétiques durs (tels que les aimants en néodyme fritté ), le processus microscopique détaillé de l'inversion de la magnétisation dépend du fait que l'aimant est en circuit ouvert ou en circuit fermé, car le milieu magnétique autour de l'aimant influence les interactions entre les domaines dans un façon qui ne peut pas être entièrement capturée par un simple facteur de démagnétisation.
Des modèles
Les modèles empiriques les plus connus de l'hystérésis sont les modèles de Preisach et Jiles-Atherton . Ces modèles permettent une modélisation précise de la boucle d'hystérésis et sont largement utilisés dans l'industrie.
Cependant, ces modèles perdent le lien avec la thermodynamique et la cohérence énergétique n'est pas assurée. Un modèle plus récent, avec une base thermodynamique plus cohérente, est le modèle vectoriel incrémental d'hystérésis cohérente non conservatrice (VINCH) de Lavet et al. (2011). s'inspire des lois d' écrouissage cinématique et de la thermodynamique des processus irréversibles . En particulier, en plus de fournir une modélisation précise, l'énergie magnétique stockée et l'énergie dissipée sont connues à tout moment. La formulation incrémentale obtenue est cohérente en variation, c'est-à-dire que toutes les variables internes découlent de la minimisation d'un potentiel thermodynamique. Cela permet d'obtenir facilement un modèle vectoriel alors que Preisach et Jiles-Atherton sont des modèles fondamentalement scalaires.
Le modèle de Stoner – Wohlfarth est un modèle physique expliquant l'hystérésis en termes de réponse anisotrope (axes «facile» / «dur» de chaque grain cristallin).
Les simulations micromagnétiques tentent de capturer et d'expliquer en détail les aspects spatiaux et temporels des domaines magnétiques en interaction, souvent basés sur l' équation de Landau-Lifshitz-Gilbert .
Les modèles de jouets tels que le modèle d'Ising peuvent aider à expliquer les aspects qualitatifs et thermodynamiques de l'hystérésis (comme la transition de phase du point de Curie vers le comportement paramagnétique), bien qu'ils ne soient pas utilisés pour décrire des aimants réels.
Applications
Il existe une grande variété d'applications de la théorie de l'hystérésis dans les matériaux magnétiques. Beaucoup d'entre eux utilisent leur capacité à conserver une mémoire, par exemple une bande magnétique , des disques durs et des cartes de crédit . Dans ces applications, des aimants durs (haute coercivité) comme le fer sont souhaitables afin que la mémoire ne soit pas facilement effacée.
Des aimants souples (faible coercivité) sont utilisés comme noyaux dans les transformateurs et les électroaimants . La réponse du moment magnétique à un champ magnétique augmente la réponse de la bobine enroulée autour de lui. Une faible coercivité réduit cette perte d'énergie associée à l'hystérésis.
Le matériau d'hystérésis magnétique (tiges de nickel-fer doux) a été utilisé pour amortir le mouvement angulaire des satellites en orbite terrestre basse depuis l'aube de l'ère spatiale.