Hystérésis

L'hystérésis est l'effet selon lequel la magnétisation d'un matériau ferromagnétique n'est pas exactement proportionnelle au champ magnétique externe et dépend du traitement magnétique préalable du matériau. Cela signifie que la magnétisation par exemple d'un objet contenant du fer ne double pas si le champ magnétique externe est doublé. Les matériaux ferromagnétiques, en particulier, restent légèrement magnétisés même lorsque le champ magnétique externe est complètement coupé. Cette magnétisation résiduelle est appelée rémanence.

La magnétisation d'un ferro-aimant augmente d'abord avec le champ magnétique externe. Si le champ magnétique externe est diminué, la magnétisation baisse également. Cependant, ce processus est plus lent que l'augmentation précédente de la magnétisation, de sorte qu'il reste même une magnétisation (rémanence) lorsque le champ magnétique est complètement désactivé. Ce lien non proportionnel est un certain "retard" de la densité de flux magnétique par rapport à l'intensité du champ magnétique. Le terme hystérésis vient du grec ηψστερoσ (husteros = plus tard).

Courbe d'hystérésis des matériaux ferromagnétiques

Une courbe mathématique qui affiche la magnétisation respective en tant que densité de flux magnétique B pour un champ magnétique externe donné H est appelée courbe d'hystérésis (voir illustration).

Cycle d'hystérésis = Courbe d'hystérésis

Dans la littérature scientifique, les termes "cycle d'hystérésis" et "courbe d'hystérésis" désignent le même phénomène, tel qu'observé dans tous les matériaux ferromagnétiques ainsi que dans d'autres systèmes physiques. On entend généralement par là le retard de la magnétisation d'un matériau par rapport au champ magnétique appliqué.

Ce délai ne s'entend toutefois pas en termes de temps, mais en termes de force atteinte. Lorsque le champ magnétique varie, la magnétisation reste légèrement en deçà de la valeur déterminée par le calcul, ce qui se manifeste graphiquement sous forme de boucle (illustration). Cette courbe d'hystérésis est un concept important en science des matériaux car elle fournit des informations sur les propriétés magnétiques et les pertes énergétiques du matériau.

La courbe d'hystérésis diffère en fonction du matériau et n'apparaît que dans les matériaux ferromagnétiques. Un matériau magnétiquement doux est caractérisé par la courbe d'hystérésis montrée à gauche, un matériau magnétiquement dur par la courbe d'hystérésis à droite.

La surface englobée par la courbe d'hystérésis a la dimension d'une énergie (Le produit énergétique, par exemple, est le produit du champ magnétique H et de la densité de flux magnétique B, de la même manière que la surface d'un rectangle est le produit de sa largeur et de sa longueur). La surface englobée par la courbe d'hystérésis correspond exactement à l'énergie par unité de volume de l'aimant, qui doit être dépensée lors d'un cycle de magnétisation partant de la densité de flux de saturation positive B_S et allant jusqu'à la densité de flux de saturation négative –B_S puis revenant de –B_S à B_S. Cette énergie est libérée sous forme de chaleur lors du processus de magnétisation. Dans le cas des matériaux magnétiquement durs, cette énergie est plus importante que dans le cas des matériaux magnétiquement doux. Les matériaux durs sont ainsi plus résistants aux petites perturbations de la magnétisation causées par des champs magnétiques externes, la chaleur ou des chocs, et sont bien adaptés comme matériaux magnétiques pour les aimants permanents. Les substances magnétiquement doux sont utilisées pour les transformateurs, car le changement de magnétisation consomme peu d'énergie.

La courbe d'aimantation initiale

Dans l'exemple de gauche, la courbe rouge représente, à titre d'exemple, l'évolution de la densité du flux magnétique dans un matériau qui n'est pas encore magnétisé. Elle est appelée courbe d'aimantation initiale.

Ici, la densité de flux magnétique et donc aussi la magnétisation M du matériau est approximativement linéaire par rapport au champ magnétique extérieur H. La formule est : M=(μ-1)•H, où μ désigne la perméabilité magnétique.

Que se passe-t-il avec le champ magnétique à l'intérieur du matériau ?

Le champ magnétique à l'intérieur du matériau est la somme du champ magnétique extérieur H et de la magnétisation du matériau M.

Si le corps est déjà magnétisé, un champ magnétique H opposé à la magnétisation du corps provoque d'abord une diminution de la magnétisation existante. Ce n'est qu'à partir du champ coercitif H_c que la magnétisation se manifeste parallèlement au champ magnétique extérieur, il s'agit donc d'une inversion magnétique. La nouvelle magnétisation augmente de manière non linéaire jusqu'à l'intensité du champ de saturation B_S. Si l'on réduit alors à nouveau le champ magnétique extérieur, la densité de flux magnétique dans le matériau diminue plus lentement qu'elle n'a augmenté précédemment. Il reste finalement la rémanence B_R.

Les bases physiques de l'hystérésis

Les bases physiques de l'hystérésis reposent sur l'existence des spins électroniques en tant que moments magnétiques élémentaires des matériaux ferromagnétiques. La forte magnétisation de ces matériaux dans des champs magnétiques externes s'explique par l'alignement des moments magnétiques dans un champ magnétique externe, qui sont stabilisés par l'interaction d'échange. Les moments magnétiques alignés transforment le matériau ferromagnétique lui-même en un aimant.

Lorsque l'intensité du champ magnétique est saturée et que le flux magnétique B_S correspondant est saturé, tous les moments magnétiques sont orientés parallèlement. Cet état est appelé saturation magnétique.

Une fois alignés, les moments magnétiques des spins électroniques sont en interaction d'échange. L'énergie de cette interaction doit être utilisée pour annuler la magnétisation d'un matériau, c'est-à-dire détruire l'alignement des spins électroniques stabilisés. Cela signifie que la magnétisation diminue plus lentement qu'elle n'est apparue, car les moments magnétiques de l'échantillon se stabilisent mutuellement. Il faut de l'énergie pour annuler cette stabilisation. Si l'interaction d'échange est importante, la courbe d'hystérésis englobe une grande surface et on parle de matériaux magnétiquement durs.