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Matériaux Magnétiques
Le magnétisme est présent dans de nombreux équipements :
au niveau industriel :
alternateurs, transformateurs (indispensables à la production et au
transport de l’électricité), machines de toutes sortes, capteurs,...
au niveau du transport :
tous les moteurs électriques automobile, trains, avions,...
au niveau informatique :
enregistrement magnétique des ordinateurs
au niveau ménager :
réfrigérateurs, tables chauffantes à induction
au niveau de l’horlogerie :
montres à aiguilles non mécaniques
au niveau de la santé :
imagerie par résonance magnétique, magnétoencéphalographie
Matériaux Magnétiques
Matériaux Magnétiques
Matériaux Magnétiques
Origines du magnétisme...
Aucun document précis ne rend compte des origines du mot magnétisme.
-Thalès de Milet savait déjà, il y a plus de 2 500 ans, qu'il existait une
pierre attirant le fer. La magnétite (un oxyde de fer justement) doit son
nom à la cité de Magnêsia. Celle-ci se trouve aujourd'hui en Anatolie
Occidentale (Turquie).
-Pline raconte que la pierre d'Héraclée ou pierre de Lydie fut trouvée par
le berger Magnès cherchant une brebis égarée sur le mont Ida : les
semelles cloutées de ses chaussures s’attachaient au sol.
-Pour Photius, ce sont des porteurs de pierres qui s'aperçurent du
maintien inexplicable de certaines parcelles contre les clous de leurs
semelles.
Matériaux Magnétiques
Du magnétisme...:
Qui réagit à un champ magnétique!!!
Généré par un courant électrique
Conducteur + solénoïde
Généré par un aimant
Propriété intrinsèque de certains matériaux (Magnétite, ferrite,...)
Matériaux Magnétiques
Champ magnétique
Les physiciens ont introduit la notion de champ
magnétique pour décrire l’interaction entre 2 aimants.
Le premier aimant crée
un champ magnétique B
dans son environnement
lignes de
champ magnétique
S
N
B
Ce champ magnétique agit
sur un autre aimant. La
force magnétique tend à
aligner l’aimant dans la
direction du champ
magnétique B.
Ainsi l’aiguille d’une boussole
s’oriente dans la direction du
champ magnétique terrestre.
S
SS
S
SS
B
N
N
N
N
NN
Matériaux Magnétiques
Une des expériences qui permet de
caractériser ce champ est celui de la limaille de
fer : on pose un aimant au milieu de limailles
de fer éparpillées et il se dessine alors ce
qu'on appelle les lignes de champ ou lignes de
force. En fait, le champ magnétique créé par
l'aimant transforme chaque grain de limaille de
fer en de petits aimants qui s'alignent
naturellement selon le champ magnétique.
Matériaux Magnétiques
Les origines sont physiques et chimiques
(Oersted, 1821)
Magnetite
(quelque part en Grèce)
La base commune et d’avoir un matériau
(conducteur et/ou magnétique)
Matériaux Magnétiques
LES METAUX (conducteurs électriques)
aluminium (Al), argent (Ag, métal précieux), cuivre (Cu),
étain (Sn), fer (Fe), mercure (Hg),nickel (Ni), or (Au, métal précieux),
platine (Pt, métal précieux), plomb (Pb), titane (Ti), zinc (Zn)
The winner is... argent, cuivre, Or
Freinage magnétique
(trains, camions,...)
Moteurs
(trains, camions,...)
Matériaux Magnétiques
Pourquoi certains matériaux sont conducteurs, isolants, ou semi-conducteurs?
Approche quantique de la liaison de covalence
Formation des orbitales moléculaires (O.M.)
À partir d’orbitales atomiques (O.A.)
Matériaux Magnétiques
Matériaux Magnétiques
Energie
O.M. antiliante (ϕ = c1 φ1 – c2 φ2)
O.A.1
O.A.2
O.M. liante (ϕ = c1 φ1 + c2 φ2)
Matériaux Magnétiques
O.A. de type s
O.A.1
O.A.2
Matériaux Magnétiques
Exemple: chaîne d’atomes d’hydrogène (1s)
H
H
H
H
H
H
H
H
≡
Matériaux Magnétiques
Bande de conduction
εF
gap
k BT
εF
Bande de valence
conducteur (métal)
conducteur
semi-conducteur
ou isolant
semi-conducteur
Isolant
Le cuivre est le matériau le plus utilisé
pour ses propriétés de conducteur électrique
métal
Matériaux Magnétiques
Générateurs de champ magnétique :
⃗
⃗
B=μ
H
B : induction magnétique (Tesla, Gauss)
H : champ magnétique (A/m)
μ : perméabilité magnétique (Henry/m)
Le champ magnétique terrestre (A Paris : B = 4,7 10-5 T)
(son origine et la compréhension du processus font encore débat) :
Aurores boréales
Matériaux Magnétiques
Resistive magnets
Refroidis par eau (effet joule)
Installations coûteuses en énergie… et en eau
Record à 35 T en mode continu (1 million de fois le champ terrestre)
(Plusieurs dizaines de MW)
Matériaux Magnétiques
Champs magnétiques pulsés : de l’ordre de 100 T!!!
Sur quelques millisecondes… avant que le système fonde
générateur
Matériaux Magnétiques
Champs magnétiques de plusieurs centaines de Tesla
(quelques micros secondes)
Obtenus par explosion
(confinement des lignes de champs)
Magnétar est une étoile à neutrons disposant d'un champ
magnétique hyper-puissant (1011 Tesla)
Et les supraconducteurs dans tout ça… ???
Pas de résistance électrique donc pas d’effet Joule
Matériaux Magnétiques
Le phénomène de supraconductivité a été découvert
en 1911 par un étudiant en physique (Gilles Holst)
Il s'aperçut que la résistance électrique du mercure s'annulait à 4,15 K.
En 1962, les premiers fils supraconducteurs (un alliage de
niobium-titane) sont commercialisés par Westinghouse.
YBa2Cu3O7 (1987), la température critique est montée à 92 K,
dépassant la température de l'azote liquide qui est de 77 K. Cela
est très important car l'azote liquide est produit industriellement et
à bas prix et peut même être produit localement.
Malheureusement ces matériaux sont des céramiques et ne
peuvent être travaillés aisément, de plus ils perdent facilement
leur supraconductivité à fort champ et donc les applications se
font attendre.
Matériaux Magnétiques
Application des supraconducteurs :
Stockage de l’énergie
(les SMES : Superconducting Magnet Energy Storage)
Génération de champs magnétiques intenses
(alliages Nb-Sn, Nb-Zr or Nb-Ti)
Matériaux Magnétiques
Image SEM d’un filament de Nb3Sn de 5 micromètres de diamètre © MaNEP
champ magnétique de 21,3 Tesla mais à 2,2 K!!!
Refroidi à l’hélium liquide
(4,2 K)
Matériaux Magnétiques
Aimant supra pour le LHC
(Large Hadron Collider)
(15 m et 35 tonnes)
Vue en coupe du projet ITER, en
construction à Cadarache. Le plasma,
constitué d’électrons et de noyaux de
deutérium et de tritium, sera créé et
chauffé dans la couronne centrale.
Des aimants supraconducteurs placés
autour de cette couronne assureront le
confinement magnétique du plasma et
l’empêcheront de s’éloigner du centre
du réacteur.
© ITER
Matériaux Magnétiques
Imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire (IRM)
Moment
magnétique du
proton tourne
autour du champ
magnétique externe
BB00
Matériaux Magnétiques
Les matériaux supraconducteurs ont une autre propriété… extraordinaire
Effet Meissner
Lévitation magnétique
Matériaux Magnétiques
YBa2Cu3O7
On mélange les réactifs en solution avec de l’acide
citrique et l’on chauffe jusqu’à précipitation de
l’hydroxyde de barium
On crée le gel en ajoutant quelques gouttes
d’ammoniaque
On déshydrate le mélange à 200°C et l’on obtient
un produit calciné prêt à être mis au four.
La poudre est alors mise au four haute température à 950°C
pendant 24 H et est refroidite lentement à température ambiante
La poudre est mise sous forme de pastille
La pastille est recuite 12 H et refroidie lentement à température ambiante
Matériaux Magnétiques
Matériaux Magnétiques
Effet Meissner
Diamagnétique parfait
Le matériau réagit à l’application d’un champ magnétique
!!! Il est susceptible !!!
A bas champ:


M = χH
H
N
S
I
M
I
M : Aimantation, moments
magnétiques par unité de volume
χ : Susceptibilité magnétique
volumique (sans dimension)
Matériaux Magnétiques
Diamagnétisme : χ < 0 (≈ 10-6) très petit
Supraconducteur : χ = -1
Paramagnétisme : χ > 0 (≈ 10-4, 10-2)
Ferromagnétisme : χ > 0 (≈ 10000) très grand
Matériaux Magnétiques
Le diamagnétisme est une propriété intrinsèque de la matière
Mouvement orbital des électrons
NOYAU
Dans un champ magnétique :
chaque électron en mouvement
crée un « courant » électrique
sur son orbite qui crée un champ
local qui tend à s’opposer au
champ magnétique externe.
Le diamagnétisme est indépendant de la température
Matériaux Magnétiques
On peut faire léviter (en principe) tous les objets
Matériaux Magnétiques
On peut faire léviter (en principe) tous les objets
Matériaux Magnétiques
On peut faire léviter (en principe) tous les objets