Cours# 7

IV.2.b. étude du magnétisme par diffraction des neutrons
IV.2.b.1. généralités sur la production de neutrons
C’est une méthode indispensable pour la détermination des structures
magnétiques. En bien des points elle est analogue à la diffraction de rayons X. La
diffraction de neutrons peut être faite sur des solides mono ou polycristallins.
Limitation: disposer d’une pile atomique afin de produire un flux suffisant de
neutrons. (Les neutrons sont produits par fission atomique ) Il existe un
regroupement de laboratoires européens (France à Cadarache et Grenoble,
Allemagne à Munich et Karlsruhe, Grande-Bretagne,...). Ces laboratoires ont
ensemble pu élaborer un système qui génère quelque 1015 neutrons
thermiques/cm2/s (longueur d’onde entre 0,05 et 2 nm).
Un faisceau de neutrons est faible comparé à un faisceau de rayons X et
on doit travailler avec des faisceaux qui sont de 10 à 20 fois plus larges que les
faisceaux X si on veut obtenir des effets observables. La taille de l’échantillon doit
être de dimension correspondante → gros cristaux, qqs cm3 de poudre.
IV.2.b.2. Diffraction des neutrons par les atomes
Les rayons X sont diffractés essentiellement par les ē périphériques, les neutrons
sont diffractés essentiellement par les noyaux. Les neutrons possèdent également
un moment magnétique de spin analogue à celui de l’électron.
L’interaction entre ce moment magnétique et le moment magnétique des atomes
d’une substance produit les effets suivants :
- si les moments magnétiques atomiques sont orientés au hasard, il se produit une
diffraction incohérente qui n’est donc pas intéressante.
- si les moments magnétiques atomiques sont régulièrement arrangés, les
interactions sont toutes de même sens et on observe des angles θ d’origine
magnétique. De la valeur de ces angles, on peut déduire l’orientation des moments
magnétiques à l’intérieur de la maille.
- la valeur des intensités des contributions magnétiques renseigneront sur la valeur
des mmts magnétiques.
Ainsi sur un diagramme de diffraction des neutrons, on obtient un diagramme
correspondant à la structure cristalline auquel se superpose un diagramme
correspondant à la structure magnétique.
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IV.2.b.3. exemples de structures magnétiques
α) paramagnétisme
Il n’y a pas d’ordre à longue distance, il n’y aura donc aucune diffraction
cohérente, les contributions magnétiques sont diluées dans le fond continu.
cristal paramagnétique.
β) ferromagnétisme
Les raies de diffraction d’origine magnétique se superposent aux raies d’origine
nucléaire → la maille magnétique est identique à la maille cristalline.
Cristal ferromagnétique.
Solides
Tc (K)
Solides
Tc (K)
Solides
Tc (K)
Fe
1043
Gd
292
MnAs
318
Co
1388
CrO
386
CrTe
336
Ni
628
Cu2MnAl
630
ZrZn2
35
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γ) antiferromagnétisme
Dans les solides antiferromagnétiques, à basses températures on peut voir qu’à la
structure cristalline s’ajoute une structure magnétique de paramètres de maille
différents, par ex. doublement selon l’un des axe, ……pour les oxydes de type
NaCl, tels MnO, FeO ou NiO on observe une déformation quadratique .
Orientation des spins
dans un cristal antiferromagnétique.
Solides TN (K) θp (K) Solides TN (K)
MnO
MnTe
122
403
θp (K)
Solides
TN (K)
θp (K)
-610
FeO
198
-570
Cr2O3
307
-485
-690
NiO
525
-2000
LaCrO3
320
-580
IV.3. domaines magnétiques et hystérésis
IV.3.a. définitions
Aux T° inférieures à TC, un matériau ferro ou ferrimagnétique est divisé en
volumes élémentaires appelés domaines magnétiques. Dans chacun de ces
domaines, l’aimantation est maximale donc égale à Ms (σs ) et tous les mmts
magnétiques atomiques sont orientés dans le même sens. Ces domaines sont
séparés par des parois appelés parois de Block. Comme l’orientation des mmts
magnétiques varie d’un domaine à l’autre, le changement d’orientation à lieu au
voisinage ou à l’intérieur des parois de Block.
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A l’échelle macroscopique, un matériau renferme un très grand nombre de
domaines et a une aimantation M égale à la somme vectorielle de ces domaines.
Dans une substance non aimanté, cette somme est nulle. L’aimantation des
matériaux ferro ou ferrimagnétiques n’est pas proportionnelle à l’intensité du chp
appliqué, plus exactement elle ne lui est proportionnelle que pour les très faibles
valeurs de H. On suit la variation de l’aimantation en fonction du chp appliqué M =
f(H) cette courbe s’appelle la courbe d’aimantation.
courbe de première aimantation M=f(H)
Cycle d’hystérésis
Selon la forme et les dimensions du cycle d’hystérésis, on distingue deux
types de matériau : les mat magn doux et les mat magn durs.
IV.3.b. matériaux magnétiques doux
L’aire limitée par la boucle d’hystérésis représente l’E associée à chaque cycle
d’aimantation-désaimantation, l’E est dissipée sous forme de chaleur. Les mat
magn doux servent à fabriquer des appareils qui comme les transformateurs, qui
canalisent les chps magnétiques alternatifs sans perte importante d’E. L’aire de
leur courbe doit donc être la plus petite possible, cad avoir une grande
perméabilité initiale et un chp coercitif faible, ainsi il atteindra son aimantation à
saturation pour une valeur faible de chp appliqué.
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Tableau représentatif de qqs composés ferromagnétiques doux
E par cycle
(J /m3)
Composition
µi
σs (T)
fer
99.95 Fe
150
2.14
Fer-silicium
97 Fe-3Si
1400
2.01
Permalloy 45
55Fe-45Ni
2500
1.6
120
Superpermalloy
79Ni-15Fe-5Mo0.5Mn
75000
0.8
-
Ferroxcube A
48MnFe2O452ZnFe2O4
1400
0.33
40
Ferroxcube B
36NiFe2O4-52ZnFe2O4
650
0.36
35
270
40
IV.3.c. matériaux magnétiques durs
Ils servent à fabriquer des aimants permanents, le chp magn q’ils engendrent, doit
rester stable dans le tps. Un mater magn dur présentera les caractéristiques
suivantes : aimantation à saturation élevée, forte aimantation rémanente et fort chp
coercitif. On définit également le facteur de mérite (B.H)max (SI) ou (M.H)max
(cgs)* qui correspond à la valeur maximale du produit M par H calculé dans le
deuxième quadrant du cycle d’hystérésis. Plus ce facteur de mérite est grand plus
le matériau est classé comme dur.
* le facteur de mérite s’exprime :
en kJ/m3 (SI) ou
en MG.Oe (106Gauss. Oersted) ;
1 MG.Oe = 7.96 kJ/m3.
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Tableau récapitulatif des propriétés des qqs matériaux magnétiques durs.
Composition
Induction rémanente
(Br en Tesla)
(BH)max en
kJ/m3
Tc (°C)
Acier au W
92.8Fe-6W-0.5Cr-0.7C
0.95
2.6
760
Cunife
20Fe-20Ni-60Cu
0.54
12
410
Alnico
34Fe-7Al-15Ni-35Co5Ti
0.76
36
860
BaFe12O19
BaFe12O19
0.32
20
450
SmCo5
SmCo5
0.92
170
725
Nd2Fe14B
Nd2Fe14B
1.16
255
310
Les deux matériaux les plus utilisés commercialement sont SmCo5 et Nd2Fe14B.
SmCo5 est plus cher à fabriquer, car le Co est plus cher que le Fe, mais sa Tc est
plus élevé, il est utilisé pour des applications à hte T° (moteurs, capteurs, systèmes
de guidage). le Nd2Fe14B préférentiellement utilisé pour ts les applications à T°
amb ou inf à 100°C et bon marché (moteurs électriques pour l’automobile …..)
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