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Magnétisme. Description physique et applications . Magnétisme: trois domaines de la physique. Application de physique du solide Application de physique statistique Application de mécanique quantique. Plan du cours. Introduction: Historique

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magn tisme

Magnétisme

Description physique et applications

D. Halley ENSPS

magn tisme trois domaines de la physique
Magnétisme: trois domaines de la physique
  • Application de physique du solide
  • Application de physique statistique
  • Application de mécanique quantique

D. Halley ENSPS

plan du cours
Plan du cours
  • Introduction:
      • Historique
      • Quelques exemples d’applications du magnétisme.
      • Aimantation: définitions
  • Magnétisme de l’atome. Rôle du spin.
  • Magnétisme d’une assemblée d’atomes. Paramagnétisme.
  • Ferro-magnétisme. Couplage d’échange.
  • Matériaux ferro-magnétiques. Champs coercitifs.
  • Électronique de spin: influence du magnétisme sur le transport électrique

D. Halley ENSPS

plan du cours1
Plan du cours
  • Introduction:
      • Historique
      • Quelques exemples d’applications du magnétisme.
      • Aimantation: définitions
  • Magnétisme de l’atome. Rôle du spin.
  • Magnétisme d’une assemblée d’atomes. Paramagnétisme.
  • Ferro-magnétisme. Couplage d’échange.
  • Matériaux ferro-magnétiques. Champs coercitifs.
  • Électronique de spin: influence du magnétisme sur le transport électrique
  • Électronique de spin: exemples d’applications (capteurs, mémoires, etc).

D. Halley ENSPS

un peu d histoire
Un peu d’histoire….
  • VIe siècle av. J.-C., les philosophes grecs décrivent l'effet de minerais
  • riches en magnétite.
  • (Ces roches étaient issues entre autres de la cité de Magnésie )
  • connaissance de l'aimant en Chine dès le IIIe siècle av. J.-C.
  • magnétisme terrestre: aiguille « montre-sud » mentionnée pour la
  • première fois au XIe siècle.
  • XIIe siècle: utilisation de la boussole pour la navigation le long
  • des côtes chinoises

D. Halley ENSPS

un peu d histoire1
Un peu d’histoire….
  • XVIIIe siècle, encyclopédie des Lumières:
  • « le magnétisme est le nom général qu’on donne aux différentes
  • propriétés de l’aimant »… certes!
  • Les encyclopédistes attribuent ses effets à une « matière subtile,
  • différente de l’air » parce que ces phénomènes ont également lieu
  • dans le vide.
  • « c’est encore une question non moins difficile que de savoir s’il y a
  • quelque rapport entre la cause du magnétisme & celle de l’électricité,
  • car on ne connoît guère mieux l’une que l’autre. »

D. Halley ENSPS

approche lectro magn tique du xixe si cle
Approche électro-magnétique du XIXe siècle
  • Jusqu'au début des années 1820, on ne connaissait que le magnétisme
  • des aimants naturels à base de magnétite.
  • Hans Christian Ørsted montre en 1821 qu'un courant électrique
  • parcourant un fil influence l'aiguille d'une boussole située à proximité.
  • Il est cependant incapable d'expliquer ce phénomène à la lumière des
  • connaissances de l'époque.
  • La même année, Michael Faraday énonce la loi de Faraday, qui trace
  • un premier lien entre électricité et magnétisme: e = -df/dt où f est le flux magnétique.

I

D. Halley ENSPS

slide8

Approche électro-magnétique

  • André-Marie Ampère propose peu après une loi phénoménologique:
  • théorème d'Ampère, qui relie le champ magnétique aux courants.
  • Peu après, en 1825, l'électricien William Sturgeon crée le premier
  • électroaimant.
  • En 1933, Walther Meissner découvre
  • qu'un échantillon supraconducteur a tendance
  • à expulser un champ magnétique
  • (effet Meissner).
  • En 1968 sont découverts les pulsars, cadavres d'étoiles siège des
  • champs magnétiques les plus intenses existants (des centaines de Tesla).

D. Halley ENSPS

le courant lectrique n explique pas tout
Le courant électrique n’explique pas tout…..
  • Pas de courant électrique dans les aimants permanents...
  • Début du XXe siècle: mécanique quantique, spin des particules
  • Le spin expérimentalement mis en évidence en 1922 :
  • expérience de Stern et Gerlach (voir cours de mécanique quantique):
  • la projection du moment magnétique de l’atome selon une direction
  • donnée est quantifiée.
  • Le spin est d'abord interprété comme le moment angulaire d'une rotation
  • de la particule sur elle-même, autour d'un axe
  • (image incorrecte, on le verra).
  • Au spin S est associé un moment magnétique ms …sans courant.
  • ms= (g q/m) S

D. Halley ENSPS

slide10

Spin et magnétisme…

  • 1966 découverte des premiers aimants samarium-cobalt, d'une énergie
  • phénoménale.
  • 1988: magnéto-résistance géante….
  • Depuis, développement de l’électronique de spin.

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quelques grands noms du magn tisme en france
Quelques grands noms du magnétisme en France

Pierre Curie

Louis Néel

Paul Langevin

Léon Brillouin

magnétisme d’une assemblée de

particules magnétiques (début du XXème siècle).

Pierre Weiss: première explication du ferro-magnétisme.

Louis Néel: anti-ferromagnétisme et ferri-magnétisme

Albert Fert: magnéto-résistance géante...

Albert Fert

D. Halley ENSPS

slide12

Bibliographie

  • Cohen-Tannoudji Tomes 1 et 2: mécanique quantique
  • Kittel: introduction à la physique de l’état solide
  • Du Tremolet De La Cheisserie: Magnétisme, tomes 1 et 2

Certaines images de ce cours sont empruntées à wikipédia….

D. Halley ENSPS

plan du cours2
Plan du cours
  • Introduction:
      • Historique
      • Quelques exemples d’applications du magnétisme.
      • Aimantation: définitions
  • Magnétisme de l’atome. Rôle du spin.
  • Magnétisme d’une assemblée d’atomes. Paramagnétisme.
  • Ferro-magnétisme. Couplage d’échange.
  • Matériaux ferro-magnétiques. Champs coercitifs.
  • Électronique de spin: influence du magnétisme sur le transport électrique
  • Électronique de spin: exemples d’applications (capteurs, mémoires, etc).

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Quelques applications du magnétisme

  • Aimants permanents, relais...
  • Électro-aimants…
  • Transformateurs
  • ( canaliser les lignes de flux)
  • Effets magnéto-optiques.
  • (écran de visualisation, modulation de lumière pour imprimantes,
  • mesures de courants forts )
  • Effets de magnéto-striction:
  • (sonars, capteurs de couple,…)

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Quelques applications du magnétisme

(suite)

  • Capteurs de position ( pour les sous-marins par exemple)
  • Capteurs de vitesse
  • Sondes magnétiques: mines magnétiques
  • Stockage de données (disques durs, etc)
  • cf le dernier chapitre sur l’électronique de spin

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slide16

Quelques applications du magnétisme

ferro-fluides: fluides magnétiques

(suspension colloïdales de particules magnétiques dans un fluide)

  • Applications:
  • haut-parleurs (pour amortir les vibrations)
  • encres magnétiques (billets de 1 dollar…)
  • joints étanches sur arbres à grande vitesse
  • lutte contre le cancer: diriger les molécules actives
  • grâce à un champ magnétique

D. Halley ENSPS

magn tisme terrestre
Magnétisme terrestre

Phénomène complexe…et instable: des inversions de pôles se produisent

régulièrement (tous les 250 000 ans en moyenne).

La théorie actuellement retenue attribue ce champ à des courants de

convection (instables!) dans le noyau de fer liquide.

Valeurs moyenne en France de l’ordre de 50mT.

Courants convectifs

B

Déplacement des pôles magnétiques qui ne coïncident

pas avec les pôles géographiques….

Courants par effet induit….

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quelques applications du magn tisme terrestre
Quelques applications du magnétisme terrestre

Applications:

  • Paléo-magnétisme: a permis de mettre en évidence la dérive des continents.
  • Archéologie: connaissant la direction du champ magnétique à une date donnée,
  • on peut, à partir de céramiques, dater ces objets.
  • Exploration minière: des mesures de champ magnétique donnent la
  • signature de certaines roches magnétiques et permettent de les cartographier.

D. Halley ENSPS

applications du magn tisme l imagerie m dicale
Applications du magnétisme à l’imagerie médicale:

Imagerie par résonance magnétique (IRM) :

spectroscopie de la réponse magnétique de certains atomes.

Magnétisme du noyau de l’atome,

pas le magnétisme « conventionnel »

Champs statiques forts (3T et plus)

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point de vue financier
Point de vue financier

Quelles industries?

Automobile (moteurs électriques): 10 kg de matériaux magnétiques/voiture

Transformateurs….

Technologies de pointe: capteurs, mémoires

( STMicroelectronics, Siemens, Phillips,…)

…30 Milliards de dollars au total….

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Market for Magnetic materials*

Permanent magnets

Recording media

Flux concentrators

Applications of magnetic materials

Motors

Actuators

Electron tubes

Holding devices

Static/MRI

Miscellaneous

Mass audiovisual

World gross product of magnetic materials

(1999 estimate - Total 30 B$)

Professional audiovisual

Computers hard drive

Computers floppy drive

Mass storage

Miscellaneous

Electromagnets

Motors & actuators

Transformers & generators

HFapplications

RF and microwave

Sensors

Miscellaneous

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*Courtesy: M. Coey

plan du cours3
Plan du cours
  • Introduction:
      • Historique
      • Quelques exemples d’applications du magnétisme.
      • Aimantation: définitions.
  • Magnétisme de l’atome. Rôle du spin.
  • Magnétisme d’une assemblée d’atomes. Paramagnétisme.
  • Ferro-magnétisme. Couplage d’échange.
  • Matériaux ferro-magnétiques. Champs coercitifs.
  • Électronique de spin: influence du magnétisme sur le transport électrique
  • Électronique de spin: exemples d’applications (capteurs, mémoires, etc).

D. Halley ENSPS

rappels
Rappels

Cf cours d’électro-magnétisme:

Les équations de Maxwell postulent l’existence de quatre champs:

E(champ électrique) et D (induction électrique)

H (champ ou excitation magnétique) et B (induction magnétique)

Dans le vide, D=e0E et B=m0H

Mais, dans la matière, c’est un peu plus complexe….

D. Halley ENSPS

aimantation analogie avec l lectrostatique

charge q

dipôle P

charge -q

Aimantation: analogie avec l’électrostatique

Il existe des charges ( monopôles) électriques de densité volumique re.

Champ électrique et charges électriques sont liés par :

Il existe des dipôles électriques P = S qiri

Polarisation électrique P(x,t): densité volumique de moment dipolaire.

Et l’on a D=e0E+P

D. Halley ENSPS

aimantation d finition
Aimantation: définition

Mais pas de monopoles magnétiques!!! (on en cherche):

donc

Si ces monopoles existaient, on aurait: avec rm en A.m-2, densité volumique de charges magnétiques.

D. Halley ENSPS

aimantation d finition1
Aimantation: définition

Mais il existe des dipôles magnétiques dans la matière:

On définit donc l’intensité d’aimantation:

M (x, t)= densité de dipôles magnétiques par unité de volume

C’est un moment dipolaire magnétique, d’unités:

r xrm= m x A.m-2 = A.m-1

L’origine de ces dipôles est soit une spire de courant, soit,

on le verra, le spin d’une particule.

D. Halley ENSPS

induction magn tique
Induction magnétique

On définit l’induction magnétique B dans la matière comme étant:

B = m0(H+M) où m0 est la perméabilité du vide.

Unités: le Tesla

C’est, à une échelle locale, la résultante, dans la matière, du champ

externe appliqué (H) et du champ, dû localement aux dipôles

dans la matière (M).

H

M

D. Halley ENSPS

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Aimantation et énergie potentielle

H: champ magnétique

M: dipôle magnétique rigide

( sa norme ne dépend pas de H)

Le champ magnétique interagit avec la matière:

Par analogie avec un dipôle électrique, on a pour

la densité d’énergie potentielle d’interaction:

Emag = - m0M.H

D. Halley ENSPS

susceptibilit magn tique d finition
Susceptibilité magnétique: définition

L’aimantation peut être induite par l’application du champ magnétique.

La susceptibilité magnétique relie ces deux termes:

M= m . H

M et H sont des vecteurs, donc  est en toute rigueur un tenseur.

Unités: M et H sont exprimés en A.m-1, c est donc sans unités.

Dans de nombreux cas, c est constante (par rapport à H).

Rq: Analogie avec l’électrostatique: dipôle électrique induit: P = eE

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perm abilit
Perméabilité

B = m0(H+M) et M = cH

Donc: B = m0(1+c)H  mHoù m est la perméabilité du matériau

Unités: T.m /A

Un matériau « peu » magnétique aura un m de l’ordre de m0.

Un matériau aux fortes propriétés magnétiques aura un grand m.

Exemples: Silicium : c = -1.2 10-6

Mn : c = 1.2 10-4

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les unit s du magn tisme
Les unités du magnétisme

m0 très petit: emploi fréquent du systèmes CGS où l’on pose

m0 =1: H,M,B se retrouvent exprimés dans des unités semblables….

À notre niveau, rester en SI!!!

D. Halley ENSPS

quelques ordres de grandeur
Quelques ordres de grandeur
  • Champ magnétique terrestre: 50 mT
  • Magnéton de Bohr: mB = 9.274 009 49(80) × 10-24 J T-1
  • (ouA.m2)
  • = q h /(2 me )
  • ( ordre de grandeur de l’aimantation d’un électron)
  • Moment magnétique du proton μp = + 1,410 606 662 × 10-26 J T-1
  • Aimantation volumique du fer: 1.7 106 A/m (ou J/T/m3)

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