Pourquoi les domaines formEdit
La raison pour laquelle un morceau de matériau magnétique tel que le fer se divise spontanément en domaines séparés, plutôt que d’exister dans un état avec aimantation dans la même direction dans tout le matériau, est de minimiser son énergie interne. Une grande région de matériau ferromagnétique avec une aimantation constante partout créera un grand champ magnétique s’étendant dans l’espace à l’extérieur de lui-même (diagramme a, à droite). Cela nécessite beaucoup d’énergie magnétostatique stockée dans le champ. Pour réduire cette énergie, l’échantillon peut se diviser en deux domaines, avec l’aimantation dans des directions opposées dans chaque domaine (diagramme b à droite). Les lignes de champ magnétique passent en boucles dans des directions opposées à travers chaque domaine, réduisant le champ à l’extérieur du matériau. Pour réduire davantage l’énergie du champ, chacun de ces domaines peut également se diviser, ce qui donne des domaines parallèles plus petits avec une aimantation dans des directions alternées, avec de plus petites quantités de champ en dehors du matériau.
La structure de domaine des matériaux magnétiques réels ne se forme généralement pas par le processus de division de grands domaines en plus petits comme décrit ici. Lorsqu’un échantillon est refroidi en dessous de la température de Curie, par exemple, la configuration du domaine d’équilibre apparaît simplement. Mais les domaines peuvent se diviser, et la description de la division des domaines est souvent utilisée pour révéler les compromis énergétiques dans la formation des domaines.
Taille de domainsEdit
Comme expliqué ci-dessus, un domaine trop grand est instable et se divisera en domaines plus petits. Mais un domaine suffisamment petit sera stable et ne se divisera pas, ce qui détermine la taille des domaines créés dans un matériau. Cette taille dépend de l’équilibre de plusieurs énergies dans le matériau. Chaque fois qu’une région d’aimantation se divise en deux domaines, elle crée une paroi de domaine entre les domaines, où les dipôles magnétiques (molécules) avec aimantation pointant dans des directions différentes sont adjacents. L’interaction d’échange qui crée l’aimantation est une force qui tend à aligner les dipôles voisins de sorte qu’ils pointent dans la même direction. Forcer les dipôles adjacents à pointer dans des directions différentes nécessite de l’énergie. Par conséquent, un mur de domaine nécessite une énergie supplémentaire, appelée énergie du mur de domaine, qui est proportionnelle à la surface du mur.
Ainsi la quantité nette que l’énergie est réduite lorsqu’un domaine se divise est égale à la différence entre l’énergie du champ magnétique économisée, et l’énergie supplémentaire nécessaire pour créer la paroi du domaine. L’énergie du champ est proportionnelle au cube de la taille du domaine, tandis que l’énergie de la paroi du domaine est proportionnelle au carré de la taille du domaine. Ainsi, à mesure que les domaines deviennent plus petits, l’énergie nette économisée par la division diminue. Les domaines continuent de se diviser en domaines plus petits jusqu’à ce que le coût énergétique de la création d’un mur de domaine supplémentaire soit juste égal à l’énergie de champ économisée. Ensuite, les domaines de cette taille sont stables. Dans la plupart des matériaux, les domaines sont de taille microscopique, autour de 10-4-10-6 m.
Anisotropie magnétiquedit
Un moyen supplémentaire pour le matériau de réduire davantage son énergie magnétostatique consiste à former des domaines avec aimantation perpendiculairement aux autres domaines (diagramme c, à droite), au lieu de simplement dans des directions parallèles opposées. Ces domaines, appelés domaines de fermeture de flux, permettent aux lignes de champ de tourner de 180 ° à l’intérieur du matériau, formant des boucles fermées entièrement à l’intérieur du matériau, réduisant l’énergie magnétostatique à zéro. Cependant, la formation de ces domaines entraîne deux coûts énergétiques supplémentaires. Premièrement, le réseau cristallin de la plupart des matériaux magnétiques présente une anisotropie magnétique, ce qui signifie qu’il a une direction d’aimantation « facile », parallèle à l’un des axes cristallins. Changer l’aimantation du matériau dans une autre direction prend une énergie supplémentaire, appelée « énergie d’anisotropie magnétocristalline ».
MagnétostrictionEdit
L’autre coût énergétique pour créer des domaines avec une aimantation à un angle par rapport à la direction « facile » est causé par le phénomène appelé magnétostriction. Lorsque l’aimantation d’un morceau de matériau magnétique est modifiée dans une direction différente, elle provoque un léger changement de forme. Le changement de champ magnétique provoque un léger changement de forme des molécules dipolaires magnétiques, ce qui rend le réseau cristallin plus long dans une dimension et plus court dans d’autres dimensions. Cependant, comme le domaine magnétique est « écrasé » avec ses limites maintenues rigides par le matériau environnant, il ne peut pas réellement changer de forme. Ainsi, au lieu de cela, le changement de direction de l’aimantation induit de minuscules contraintes mécaniques dans le matériau, nécessitant plus d’énergie pour créer le domaine. C’est ce qu’on appelle « énergie d’anisotropie magnétoélastique ».
La formation de ces domaines de fermeture à aimantation « latérale » nécessite une énergie supplémentaire due aux deux facteurs susmentionnés. Ainsi, les domaines de fermeture de flux ne se formeront que lorsque l’énergie magnétostatique économisée est supérieure à la somme de « l’énergie d’échange » pour créer la paroi du domaine, l’énergie d’anisotropie magnétocristalline et l’énergie d’anisotropie magnétoélastique. Par conséquent, la majeure partie du volume du matériau est occupée par des domaines à aimantation soit « haut » soit « bas » le long de la direction « facile », et les domaines de fermeture de flux ne se forment que dans de petites zones sur les bords des autres domaines où ils sont nécessaires pour fournir un chemin pour que les lignes de champ magnétique changent de direction (schéma c, ci-dessus).
Structure des grains
Ce qui précède décrit la structure du domaine magnétique dans un réseau cristallin parfait, tel que celui que l’on trouve dans un monocristal de fer. Cependant, la plupart des matériaux magnétiques sont polycristallins, composés de grains cristallins microscopiques. Ces grains ne sont pas les mêmes que les domaines. Chaque grain est un petit cristal, avec les réseaux cristallins de grains séparés orientés dans des directions aléatoires. Dans la plupart des matériaux, chaque grain est assez gros pour contenir plusieurs domaines. Chaque cristal a un axe d’aimantation » facile », et est divisé en domaines dont l’axe d’aimantation est parallèle à cet axe, dans des directions alternées.
États « magnétisés »
On peut voir que, bien qu’à l’échelle microscopique presque tous les dipôles magnétiques d’un morceau de matériau ferromagnétique soient alignés parallèlement à leurs voisins dans les domaines, créant de forts champs magnétiques locaux, la minimisation de l’énergie se traduit par une structure de domaine qui minimise le champ magnétique à grande échelle. Dans son état d’énergie la plus basse, l’aimantation des domaines voisins pointe dans des directions différentes, limitant les lignes de champ à des boucles microscopiques entre les domaines voisins du matériau, de sorte que les champs combinés s’annulent à distance. Par conséquent, une pièce en vrac de matériau ferromagnétique dans son état d’énergie le plus faible a peu ou pas de champ magnétique externe. Le matériau est dit « non aimanté ».
Cependant, les domaines peuvent également exister dans d’autres configurations dans lesquelles leur aimantation pointe principalement dans la même direction, créant un champ magnétique externe. Bien que ce ne soient pas des configurations d’énergie minimale, en raison d’un phénomène où les parois du domaine deviennent « épinglées » à des défauts du réseau cristallin, elles peuvent être des minimums locaux de l’énergie, et peuvent donc être très stables. L’application d’un champ magnétique externe au matériau peut faire bouger les parois du domaine, provoquant la croissance des domaines alignés sur le champ et le rétrécissement des domaines opposés. Lorsque le champ externe est supprimé, les parois des domaines restent épinglées dans leur nouvelle orientation et les domaines alignés produisent un champ magnétique. C’est ce qui se produit lorsqu’un morceau de matériau ferromagnétique est « magnétisé » et devient un aimant permanent.
Chauffer un aimant, le soumettre à des vibrations en le martelant, ou appliquer un champ magnétique oscillant rapidement à partir d’une bobine de démagnétisation, tend à libérer les parois du domaine de leurs états épinglés, et elles reviendront à une configuration d’énergie plus faible avec moins de champ magnétique externe, ce qui « démagnétise » le matériau.