Lors de l’aimantation d’un matériau, il est souvent observé un phénomène d’hystérésis magnétique. En appliquant un aimant à un matériau ferromagnétique comme le fer, il se produit un alignement des dipôles électriques atomiques par rapport à ce dernier. Lors du retrait de celui-ci, une partie de l’alignement demeure au sein du matériau. On dit dans ce cas que ce dernier a été aimanté. Dans cet article, vous découvrirez en détail toutes les informations relatives à ce phénomène. Vous pouvez aussi vous pencher sur vos connaissances autour d'un aimant pour comprendre davantage.
L’hystérésis est un phénomène au cours duquel l’aimantation provoquée par un champ magnétique est en fonction de l’intensité actuelle de ce champ et aussi des états magnétiques antérieurs du matériau aimanté. Ainsi, les aimants sont des corps ferromagnétiques qui, après avoir aimanté un matériau, conservent un certain état magnétique dont l’effet le plus sensible est d’attirer un morceau de fer.
En soumettant un matériau ferromagnétique de volume V dans un champ magnétique He, il prend un moment magnétique M. On choisit une intensité d’aimantation ou aimantation J. Si le matériau est uniformément aimanté alors M = Jv.
Ensuite, on symbolise l’existence du vecteur J par des charges + et - (ou pôles nord et sud) dispensés à la surface et dans le volume de la substance. Ces pôles émettent à leur tour un champ magnétique ou un champ démagnétisant Hd en s’orientant des pôles nord vers les pôles sud. Donc le sens contraire à J.
Le cycle d’hystérèse illustre la relation qui existe entre l’aimantation du matériau et du champ magnétique appliqué. Premièrement, il présente une saturation de l’aimantation lorsque le champ magnétique appliqué sur le matériau est très important. Ceci est illustré par une courbe horizontale de part et d’autre du graphique. La première extrémité correspond au cas où le champ magnétique serait positif. La seconde extrémité représente le cas où le champ magnétique serait négatif.
De plus, cette saturation de l’aimantation s’explique par le fait qu’à une certaine valeur donnée du champ magnétique (souvent nommé le champ magnétique coercitif), l’aimantation de chaque atome est alignée sur le champ magnétique appliqué. S’il n’y a plus d’atomes présentant une aimantation dérangée sur le champ magnétique appliqué, cela signifie donc que celle-ci a atteint sa valeur optimale.
Deuxièmement, il s’agit d’une variation de l’aimantation du matériau au cours de la diminution du champ magnétique. Lorsque ce dernier n’arrive pas à la valeur de champ coercitif, l’aimantation résiste au changement du champ magnétique. Par contre, quand le champ surpasse la valeur de champ coercitif, l’aimantation de chaque atome change rapidement de direction pour s’aligner sur le champ magnétique.
Troisièmement, une variation de l’aimantation lors de l’accroissement du champ magnétique s'ensuit. Il est dans ce cas négatif et l’aimantation est orientée dans la même direction que ce dernier. Par ailleurs, le champ magnétique se réduit et devient encore positif. Il faut noter qu’au départ l’aimantation ne suit pas cette variation du champ magnétique et s’y oppose. Ceci s’explique par une absence de variation de l’aimantation.
Au moment où le champ surpasse la valeur coercitive, la variation de l’aimantation devient intensive pour que l’aimantation puisse y résister. Cette dernière se retourne immédiatement avant d’arriver à la saturation (le point de départ).
On considère une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. Il y a hystérésis lorsque la courbe E = f(C) obtenue à la croissance de C ne se réunit pas avec la courbe E = f(C) obtenue lors du décroissement de C. Habituellement, les variations de E ne sont pas totalement réversibles comme le cas de la magnétisation d’un matériau par un courant électrique qui persiste quand il n’y a plus le courant.
Quand on impose la cause C des variations périodiques, l’hystérésis est à la base de la forme particulière de la courbe E = f(C) nommé cycle d’hystérésis. Une valeur x peut ainsi avoir deux images y différentes.
La courbe de la première aimantation et le cycle d’hystérésis sont deux propriétés importantes des substances ferromagnétiques. En effet, la plupart des applications technologiques sont basées sur l’existence de ce cycle.
On définit les grandeurs suivantes :
Lorsqu’on applique un champ magnétique extérieur à ces substances, les domaines magnétiques dont l’orientation est voisine de celle de H croissent aux dépens de ceux dont l’orientation est opposée à celle de H. Les parois de Bloch se déplacent donc dans le matériau.
À la limite, lorsque le champ magnétique extérieur atteint une valeur critique Hs (+Hs ou – Hs), la substance n’est plus constituée que d’un seul domaine ferromagnétique dont l’orientation est la même que celle de H. L’induction atteint alors une valeur maximale, Bs, appelée induction à saturation. Ce phénomène est représenté par la courbe OA, appelée courbe de première aimantation ou courbe de magnétisation.
L’hystérésis inclut le ferromagnétisme. C’est ce qu’on appelle l’hystérésis magnétique.
Certaines substances (Fe, Co, Ni, SmCo5, TbFe2, Nd2Fe14B, Fe3O4 ou magnétite) soumises au phénomène de l’aimantation sous un champ magnétique faible peuvent prendre des valeurs importantes. Ces dernières peuvent être d’ordre de 105 à 106 ampères par mètre, plusieurs milliers de fois plus grandes que celles des diamagnétiques ou paramagnétiques.
Cette aimantation est une fonction très compliquée du champ appliqué, de la température et aussi des champs magnétiques précédents successifs qui ont agi sur lui.
C’est un phénomène qui se produit lors de l’aimantation d’un corps. Lorsqu’un matériau ferromagnétique est soumis à un champ magnétique en fonction de l’augmentation et de la diminution du champ, le chemin de l’aimantation ne sera pas le même. Le modèle de Stoner-Wholfarth met un peu plus de lumière sur ce phénomène.
C’est un modèle qui développe de manière plus claire la physique des grains magnétiques composés d’un seul domaine. Grâce à celui-ci, le calcul du cycle d’hystérésis des particules magnétique peut être effectué. Ce modèle est très efficace dans le cas de petites particules magnétiques.
Il s’agit de l’étude de l’approximation de l’effet du changement de volume. Ce dernier est dû aux changements de phase du matériau, sur les contraintes résiduelles par l’introduction d’une modification appropriée sur la courbe du coefficient de dilatation thermique (CDT). Cette modification s’effectue à partir de l’introduction d’un comportement d’hystérésis dans la courbe du CDT.
L’existence de cette hystérésis est cohérente avec le fait qu’une hystérésis semblable est observée dans la courbe des déformations thermiques pendant un cycle de chauffage et de refroidissement d’un matériau présentant des changements de phase.
Un modèle tridimensionnel avec élément coque a été mis en place grâce au programme d’éléments finis Ansys. L’analyse est de type thermo structural séquentiel. Deux expériences sont réalisées, avec et sans l’introduction de l’hystérésis sur la courbe du CDT, dans le but de mettre en évidence l’influence de cette modification. Il a été constaté que l’effet de cette hystérésis pourrait diminuer la valeur de la contrainte longitudinale résiduelle, dans le cordon de soudure, bien en dessous de la limite élastique du matériau. De plus, une étude de sensibilité a prouvé que certaines valeurs caractéristiques de cette hystérésis peuvent rendre la contrainte résiduelle longitudinale sur le cordon de soudure en compression semblable au cas de certains types de matériaux.
Le cycle majeur, ce cycle est obtenu en faisant varier le champ magnétique d’une valeur suffisamment élevée pour que le matériau soit saturé jusqu’à la saturation opposée du matériau. Tout point (H, M) à l’intérieur du cycle majeur est un état possible du matériau. Le comportement d’un matériau dépend ainsi non seulement de la valeur courante de H, mais aussi de l’histoire du matériau.
Un cycle mineur est un cycle d’hystérésis avec un champ appliqué maximal qui est inférieur au champ de saturation. Un cycle d’hystérésis mineur avec un seul saut d’aimantation est dû soit au changement d’une configuration des parois à une autre configuration, soit au déplacement d’une paroi entre deux centres de piégeage. À l’aide de cycles mineurs, on peut étudier le retournement d’une petite partie de la particule sans faire intervenir la complexité de la particule entière.
En physique, le champ électromagnétique est la représentation dans l’espace d’une force électromagnétique exercée par des particules chargées. Celui-ci symbolise alors l’ensemble des composantes de la force électromagnétique qui s’appliquent à une particule chargée et qui se déplace alors dans un référentiel galiléen.
En effet, la séparation de la partie magnétique et de la partie électrique dépend du point de vue pris selon le référentiel d’étude. Il est nécessaire de comprendre que les équations de Maxwell gouvernent les deux composantes couplées. C’est-à-dire qu’elle gouverne la partie électrique et magnétique, de sorte que toute variation d’une composante provoquera la variation de l’autre composante.
D’ailleurs, le comportement des champs électromagnétiques se trouve décrit de façon classique par les équations de Maxwell et de manière plus générale par l’électrodynamique quantique. La façon la plus utilisée afin de définir le champ électromagnétique est celle du tenseur électromagnétique de la relativité restreinte.
Pour conclure, en fonction de l'origine des aimants, son utilisation peut être risquée. Le danger des aimants sur le corps du manipulateur est bien présent lors des expérimentations, car ce sont des objets fabriqués dans un matériau magnétique dur. Cela lui confère des propriétés particulières liées à l’existence d’une unité champ magnétique. Pour en savoir plus sur ce cycle d'hystérésis et ce qui l'entoure, vous pouvez vous renseigner autour de ces sujets de discussion, par exemple : la boucle, le système non linéaire, les interactions électrostatiques, le régime (stationnaire ou variable), l'anisotropie, etc.
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