Chapitre 5 Milieux magnétiques - csnsm.in2p3.fr · 5.2.2. Matériaux linéaires ......
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Chapitre 5 –
Milieux magnétiques
Magistère de Physique Fondamentale
Université Paris-Sud
2017-2018
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2
5.1 ÉQUATIONS DE MAXWELL APPLIQUÉES AUX
MILIEUX MAGNÉTIQUES
1. Vecteur aimantation
2. Les équations de Maxwell
3. Conséquences des équations de M.
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3Electromagnétisme 2017-2018
5.1.1. Vecteur aimantation
Vecteur aimantation :
• Moment magnétique moyenné mésoscopiquement
• Unité :
Moment magnétique
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4Electromagnétisme 2017-2018
5.1.1. Vecteur aimantation
Courants d’aimantation (ou liés)
Densité volumique
Densité surfaciqueNormale sortante
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5Electromagnétisme 2017-2018
5.1.1. Vecteur aimantation
Courants d’aimantation (ou liés)
Densité volumique
Densité surfaciqueNormale sortante
• Maxwell ok si on considère les courants
libres + les courants liés
• L’aimantation réarrange la distribution
de courant dans le matériau
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6Electromagnétisme 2017-2018
5.1.1. Vecteur aimantation
Courants d’aimantation (ou liés)
Densité volumique
Densité surfaciqueNormale sortante
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7Electromagnétisme 2017-2018
5.1.2. Les équations de Maxwell
Densité de charge totale
Densité de courant totale
Charge pouvant se déplacer
macroscopiquement
Courant macroscopique
Courant microscopique dû à la
polarisation
Courant microscopique dû à la
polarisation
Courant microscopique dû à
l’aimantation
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8Electromagnétisme 2017-2018
5.1.2. Les équations de Maxwell
Vecteur excitation magnétique :
• Propriétés des courants liés lorsque
le matériau est aimanté
Précision de vocabulaire
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9Electromagnétisme 2017-2018
5.1.2. Les équations de Maxwell
Equations de Maxwell
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10Electromagnétisme 2017-2018
5.1.2. Les équations de Maxwell
OU
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11Electromagnétisme 2017-2018
5.1.3. Conséquences des équations de Maxwell
Formes intégrales des équations de Maxwell :
En statique
Force électromotrice
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12Electromagnétisme 2017-2018
5.1.3. Conséquences des équations de Maxwell
2
1
Discontinuité à une interface
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13
5.2 MILIEUX MAGNÉTIQUES LINÉAIRES
1. Relations constitutives
2. Classification des milieux magnétiques
3. Relations utiles
4. Relations de Snell-Descartes
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14Electromagnétisme 2017-2018
Attention
A partir d’ici :
• On considère principalement des milieux magnétiques
non diélectriques (𝜖𝑟 = 1, sinon voir ch.3)
• En toute généralité, il faut combiner les équations des
chapitres 3 et 5 pour avoir le comportement d’un
diélectrique magnétique
• Les matériaux présentant une aimantation spontanée ne
sont PAS linéaires.
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15Electromagnétisme 2017-2018
5.2.1. Relations constitutives
• A moins d’une relation entre 𝐻 et 𝐸 et 𝐵, on ne peut pas résoudre aisément les
équations de Maxwell
• La relation entre ces quantités constitue une relation constitutive :
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16Electromagnétisme 2017-2018
5.2.2. Matériaux linéaires
• A moins d’une relation entre 𝐻 et 𝐸 et 𝐵, on ne peut pas résoudre aisément les
équations de Maxwell
• La relation entre ces quantités constitue une relation constitutive :
Mat. Magn. linéaire
𝐻 et 𝐵 non forcément
colinéaires
Mat. Magn. linéaire
et isotrope
Mat. Magn. linéaire,
homogène et isotrope
(LHI)
Susceptibilité
magnétique
Nombre complexe
Perméabilité
magnétique
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17Electromagnétisme 2017-2018
5.2.2. Matériaux linéaires
Ordres de grandeur :
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18Electromagnétisme 2017-2018
5.2.3. Relations utiles
Quelques relations :
> 0 sauf pour les
diamagnétiques
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19Electromagnétisme 2017-2018
5.2.4. Relations de Snell-Descartes
En l’absence de courants libres :
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20Electromagnétisme 2017-2018
5.2.4. Relations de Snell-Descartes
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5.3 FORCES ET MOMENT
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22Electromagnétisme 2017-2018
5.3. Forces et Moment
Résultante des forces :
Moment de la force :
Energie de création de
l’aimantation à champ fixé
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23
5.4 ENERGIE DANS LES MILIEUX MAGNÉTIQUES
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24Electromagnétisme 2017-2018
5.4 Energie dans les milieux magnétiques
Conservation de l’énergie :
Energie totale
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25
5.5 EXEMPLES
1. Sphère uniformément aimantée
2. Tube de QuinckeX
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26Electromagnétisme 2017-2018
5.5.1. Sphère uniformément aimantée
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27
5.6 POURQUOI CERTAINS MATÉRIAUX SONT
MAGNÉTIQUES
1. Origine microscopique
2. Diamagnétisme
3. Paramagnétisme
4. Ferromagnétisme
5. Anti-ferromagnétisme
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28Electromagnétisme 2017-2018
5.6. Mise en évidence du magnétisme
Vers les champs forts :
• Ferromagnétiques (++)
• Paramagnétiques
• Anti-ferromagnétiques
Vers les champs faibles :
• Diamagnétiques
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29Electromagnétisme 2017-2018
5.6.1. Origine microscopique
• Origine :
• Moment magnétiques des atomes
• Mouvement des électrons ou des noyaux
• Rigoureusement expliqué par la Mécanique Quantique
• Modèle semi-classique :
• Contribution orbitale :
• Contribution du spin :
• Contribution électronique :
• Contribution du noyau
Moment orbital
Facteur gyromagnétique
Spin
Facteur de Landé (carac. de la fonction
d’onde)
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30Electromagnétisme 2017-2018
5.6.2 Diamagnétisme
• Pas de moment permanent
• Moments induits par le champ magnétique dus à la force de Lorentz agissant
sur les électrons (induction)
• S’oppose au champ magnétique
•
•
• Ex : Bi, Hg, Ag, Ar, He, H2O, N2,
composés organiques
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31Electromagnétisme 2017-2018
5.6.2 Diamagnétisme
http://www.ru.nl/hfml/research/levitation/diamagnetic/
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32Electromagnétisme 2017-2018
5.6.2 Diamagnétisme parfait
Cas particulier : les supraconducteurs
•
• L’aimantation s’oppose exactement au
champ appliqué
• Le champ à l’intérieur d’un
supraconducteur est nul
https://www.youtube.com/watch?v=JIjzJKnpahA
Voir aussi lecture complémentaire
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33Electromagnétisme 2017-2018
5.6.3 Paramagnétisme
• Il existe un moment permanent (souvent provenant d’électrons non appariés)
• Sous l’effet d’un champ extérieur, les moments s’alignent :
• Compétition entre l’agitation thermique et l’énergie potentielle magnétique
• Aimantation parallèle au champ appliqué
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34Electromagnétisme 2017-2018
5.6.3 Paramagnétisme
•
•
• Ex : W, Na, Mg, Al
Loi de Curie :
Magnéton de Bohr
Aimantation maximum
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35Electromagnétisme 2017-2018
5.6.4 Ferromagnétisme• Aimantation spontanée sous une température carac (temp de Curie)
• Sous l’effet d’interaction inter-moments, les moments s’alignent (mécanisme
quantique d’échange) :
• Au-dessus de TCurie , les ferromagnétiques se comportent comme des
paramagnétiques
• Aimantation parallèle au champ appliqué
J>0
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36Electromagnétisme 2017-2018
5.6.4 Ferromagnétisme
•
• Ex : Gd, Co, Fe, NdFeB
Loi de Curie-Weiss : Moment atomique
Ferro Para
𝜒𝑚 non défini
Feynman
Aimantation maximum
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37Electromagnétisme 2017-2018
5.6.5 Anti-ferromagnétisme• Aimantation spontanée sous une température carac (temp de Néel)
• Sous l’effet d’interaction inter-moments, les moments s’alignent (mécanisme
quantique d’échange) :
• Au-dessus de , les ferromagnétiques se comportent comme des
paramagnétiques
• Aimantation parallèle au champ appliqué
J<0
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38Electromagnétisme 2017-2018
5.6.5 Anti-ferromagnétisme
•
• Ex : Cr, NiO
Anti-ferro Para