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Auteur(s)
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Jacques DEGAUQUE : Professeur à l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse (INSA) Laboratoire de physique de la matière condensée (UMR‐CNRS)
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Les matériaux à propriétés magnétiques dures ou aimants permanents sont des solides ferromagnétiques ou ferrimagnétiques à la température ambiante. Une fois aimantés, ils sont susceptibles de garder indéfiniment un certain état magnétique caractérisé par une aimantation rémanente notable et une résistance à la désaimantation élevée. Peu de branches de la technique ont progressé aussi rapidement au cours du XX e siècle, tout en ayant une histoire aussi ancienne que celle des aimants permanents. Les meilleurs d’entre eux, élaborés aujourd’hui, sont près de 130 fois plus puissants que ne l’étaient ceux que l’on utilisait en 1900 tandis que leur résistance à la désaimantation peut être 250 fois plus importante.
Fabriquer un aimant revient à ordonner parallèlement l’ensemble des moments magnétiques d’un matériau et à les y maintenir par des forces agissant au niveau des atomes insérés dans le cristal. La création d’un aimant permanent requiert de l’énergie. Mais une fois terminé, l’aimant moderne est un convertisseur d’énergie de performance exceptionnelle qui crée lui‐même — sous certaines conditions d’utilisation appropriées — un champ magnétique sans consommation d’énergie ni perte d’intensité.
Les matériaux magnétiques durs sont avant tout caractérisés par la valeur de leur aimantation rémanente et par celle du champ coercitif. L’aimantation rémanente est déterminée par l’aimantation spontanée du matériau, ce qui impose la présence d’éléments de transition. La coercitivité est liée à l’anisotropie magnétique. Mais les propriétés magnétiques optimales ne sont obtenues qu’en présence d’une microstructure ou nanostructure hétérogène capable de contrôler efficacement et favorablement les mécanismes d’aimantation mis en jeu. L’objet de ce premier article est de proposer un rappel des principales caractéristiques magnétiques des matériaux et de faire ressortir les conditions nécessaires à l’émergence des propriétés magnétiques dures.
Cet exposé fait partie d’un ensemble de trois articles :
[M 4 600] Matériaux à propriétés magnétiques dures : notions de base ;
Matériaux à propriétés magnétiques dures : matériaux industriels ;
Matériaux à propriétés magnétiques dures spécifiques et en devenir ;
auxquels est associé un fascicule de documentation :
Matériaux à propriétés magnétiques dures. « Pour en savoir plus ».
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Origine de la coercitivité et de l’hystérésis magnétique
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3. Fondements du magnétisme de la matière condensée
3.1 Origine du magnétisme de la matière condensée
Le moment magnétique élémentaire d’un atome résulte de deux contributions provenant de ses couches électroniques incomplètes : le moment orbital qui est créé par la rotation des électrons autour du noyau, sur leurs orbites ; le moment de spin qui est une propriété purement quantique des électrons. Ces deux moments, couplés par une interaction d’origine relativiste, le couplage spin‐orbite, forment le moment magnétique élémentaire atomique. L’unité de moment est le magnéton de Bohr
B (= 9,274 0 × 10– 24 A · m2) qui correspond à deux fois le moment de spin de l’électron. Un champ magnétique a tendance à aligner les moments magnétiques selon sa direction.
Les atomes qui, dans la matière condensée, conservent des couches internes incomplètes, donc possèdent un moment magnétique, forment les séries de transition dont les deux plus importantes sont les couches 3d (groupe du fer) et 4f (groupe des terres rares).
Dans la matière condensée, les moments de spins de différents atomes (et du fait du couplage spin‐orbite, les moments magnétiques atomiques également) sont couplés entre eux par des interactions d’origine électrostatique, souvent importantes, qui résultent du recouvrement des orbitales et que l’on appelle interactions d'échange. Elles tendent à imposer aux différents moments magnétiques des directions fixes les unes par rapport aux autres, c’est‐à‐dire à créer un ordre magnétique. Outre ces interactions, il existe un couplage entre le moment magnétique orbital de chaque atome et le champ cristallin, c’est‐à‐dire le champ électrique créé par les charges des atomes voisins qui sont ionisés. Ce couplage favorise l’orientation des moments dans certaines directions cristallographiques. Il est à l’origine de l’anisotropie magnétocristalline qui tend à orienter les moments magnétiques atomiques suivant certaines directions cristallographiques privilégiées : les directions de facile aimantation.
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