MAGNÉTISME

Mécanismes de l'aimantation technique

Pour minimiser l'énergie magnétostatique et compte tenu de l'énergie magnétocristalline, un monocristal de fer (structure cubique) à l'état vierge ou désaimanté se subdivise en un nombre très grand de domaines élémentaires, dits domaines de Weiss, appartenant à six catégories différentes, chaque catégorie ou phase correspondant à une des six directions de facile aimantation (axes quaternaires du cube). Le processus d'aimantation d'un tel échantillon met en jeu trois mécanismes.

Le premier, celui des déplacements de parois, correspond au déplacement des frontières séparant deux domaines élémentaires, de manière à augmenter le volume du domaine dont la composante de l'aimantation dans la direction du champ appliqué est la plus grande. Comme l'énergie à dépenser pour produire ce déplacement est inférieure à celles qui sont mises en jeu dans les deux autres processus, ce mécanisme joue un rôle prépondérant dans la région initiale de la courbe d'aimantation.

Le deuxième mécanisme correspond, à l'intérieur d'un domaine, à une rotation de l'aimantation spontanée, qui s'écarte de la direction de facile aimantation pour se rapprocher de la direction du champ appliqué. Il faut pour cela surmonter l'énergie magnétocristalline ; ce mécanisme ne prend donc de l'importance que dans les champs moyens ou forts, dans la région terminale de la courbe d'aimantation.

Enfin, un dernier mécanisme correspond à une augmentation de la grandeur de l'aimantation spontanée M_s sous l'action du champ appliqué. Cette augmentation est souvent très faible ou négligeable, en particulier quand le champ appliqué est faible par rapport au champ moléculaire.

La figure illustre bien ces mécanismes : selon l'axe quaternaire [100], seuls interviennent en champ faible des déplacements de parois ; au contraire, selon l'axe ternaire [111], au déplacement des parois s'ajoute, pour des champs plus élevés, une rotation des moments, qui s'éloignent peu à peu des directions quaternaires pour s'aligner selon [111], en luttant contre l'énergie d'anisotropie magnétocristalline : ce processus met en jeu une dépense en énergie bien supérieure.

Dans un matériau polycristallin, constitué d'un très grand nombre de cristallites élémentaires, ou grains, le matériau apparaît isotrope en moyenne, chaque grain étant orienté au hasard. La courbe de première aimantation est alors intermédiaire entre les courbes relatives aux directions de facile et de difficile aimantation.

Pour des structures cristallographiques différentes, les courbes d'aimantation présentent des allures variées selon l'orientation relative du champ appliqué et de la direction de facile aimantation.

Les parois

Bon nombre d'applications importantes des matériaux doux (machines tournantes, alternateurs, mémoires à bulles, etc.) ne mettent en jeu que les déplacements de parois.

Ces parois ne sont pas des surfaces géométriques séparant deux domaines d'aimantation spontanée M_s1 et M_s2, mais des sortes de murs d'épaisseur finie, à l'intérieur desquels l'aimantation spontanée tourne progressivement de M_s1 à M_s2. Le supplément d'énergie d'échange lié à la désorientation relative des moments peut se calculer en sommant l'équation (6) sur toutes les paires de porteurs. Pour une substance de symétrie cubique, ce supplément d'énergie est donné par la formule de Landau-Lifshitz :

où α, β et γ ont été déjà définis ; n est le coefficient de champ moléculaire et d est la distance séparant deux atomes proches voisins. Ce supplément d'énergie est d'autant plus petit que la transition est plus progressive, c'est-à-dire que l'épaisseur est plus grande. Au contraire, comme il existe à l'intérieur du mur des régions dans lesquelles l'aimantation spontanée n'est pas dirigée suivant une direction de facile aimantation, la paroi est caractérisée par une augmentation d'énergie magnétocristalline, proportionnelle à son épaisseur. Il existe une certaine épaisseur e pour laquelle l'énergie totale est minimale : selon les valeurs relatives des énergies d'échange et d'anisotropie magnétocristalline, cette épaisseur peut varier de quelques dixièmes de nanomètre pour les parois très étroites observées dans certaines substances fortement anisotropes (par exemple Dy₃Al₂) à plusieurs dizaines de nanomètres pour du fer doux, et même à quelques micromètres dans des matériaux doux tels que certains alliages Fe-Si.

Parmi les nombreuses façons de mettre en évidence les domaines éléme [...]

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