4.4 Couplages électro-magnéto-élastiques
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4.4.4 Magnétostriction, piézomagnétisme
Constituant le pendant magnétique des effets de couplage précédemment décrits, le
phénomène non linéaire de magnétostriction conduit à l’allongement d’un barreau de
fer soumis à un champ magnétique longitudinal (cf. l’exemple du tableau 4.2). Un effet de striction est conjointement obtenu dans les directions transversales (effet Joule
transversal). Réciproquement, le barreau s’aimante sous l’effet d’une déformation
longitudinale (effet Villari). Ce phénomène peut également se manifester, suivant la
géométrie considérée, au travers d’autres modes de couplage donnant lieu notamment
à des effets de flexion (effet Guillemin) ou de torsion (effet Wiedemann) [54].
Sans entrer dans les détails d’un phénomène d’origine éminemment quantique, on
peut néanmoins attribuer son existence à la compétition de différentes contributions
énergétiques. On sait en effet que tout équilibre stable implique la minimisation d’un
potentiel thermodynamique judicieusement défini. Dans le cas de la magnétostriction,
ce potentiel doit inclure :
➤ l’énergie d’échange (tendant à aligner les moments magnétiques de spin au sein
des domaines ferromagnétiques),
➤ l’énergie magnétostatique (visant au contraire à la non uniformité de la polarisation macroscopique globale),
➤ l’énergie d’anisotropie magnétocristalline (privilégiant des axes de facile aimantation),
➤ l’énergie d’interaction magnéto-élastique (associée à la déformation des domaines).
Dès lors, les états magnétique et mécanique de la matière aimantée sont intimement liés. On peut appréhender concrètement les causes d’une telle interaction si l’on
considère, par exemple, les conséquences d’une rotation des moments magnétiques
élémentaires sous l’effet d’un champ extérieur. Les nuages électroniques relatifs aux
atomes considérés étant de forme asphérique, cette rotation s’accompagne nécessairement d’une déformation du réseau cristallin.
Malgré la complexité des mécanismes physiques mis en jeu, les propriétés
magnéto-élastiques des milieux matériels peuvent être formellement décrites à l’aide
d’une formulation analogue aux équations (4.50) dans le cas linéaire. On parle alors
de piézomagnétisme.
Notons cependant que les composés donnant lieu à des effets magnétoélastiques
importants sont tributaires d’un couplage du second ordre (la déformation mécanique
dépend du champ magnétique selon une loi quadratique). Néanmoins, l’optimisation
des conditions de fonctionnement des transducteurs magnétostrictifs conduit souvent
à les exploiter sous une polarisation magnétique statique (grâce à des aimants permanents de polarisation par exemple) combinée à une précontrainte mécanique. Le
comportement du matériau autour d’un point de fonctionnement donné peut alors être
linéarisé. Les équations linéaires du piézomagnétisme sont alors applicables.
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4.4.4 Magnétostriction, piézomagnétisme
Constituant le pendant magnétique des effets de couplage précédemment décrits, le
phénomène non linéaire de magnétostriction conduit à l’allongement d’un barreau de
fer soumis à un champ magnétique longitudinal (cf. l’exemple du tableau 4.2). Un effet de striction est conjointement obtenu dans les directions transversales (effet Joule
transversal). Réciproquement, le barreau s’aimante sous l’effet d’une déformation
longitudinale (effet Villari). Ce phénomène peut également se manifester, suivant la
géométrie considérée, au travers d’autres modes de couplage donnant lieu notamment
à des effets de flexion (effet Guillemin) ou de torsion (effet Wiedemann) [54].
Sans entrer dans les détails d’un phénomène d’origine éminemment quantique, on
peut néanmoins attribuer son existence à la compétition de différentes contributions
énergétiques. On sait en effet que tout équilibre stable implique la minimisation d’un
potentiel thermodynamique judicieusement défini. Dans le cas de la magnétostriction,
ce potentiel doit inclure :
➤ l’énergie d’échange (tendant à aligner les moments magnétiques de spin au sein
des domaines ferromagnétiques),
➤ l’énergie magnétostatique (visant au contraire à la non uniformité de la polarisation macroscopique globale),
➤ l’énergie d’anisotropie magnétocristalline (privilégiant des axes de facile aimantation),
➤ l’énergie d’interaction magnéto-élastique (associée à la déformation des domaines).
Dès lors, les états magnétique et mécanique de la matière aimantée sont intimement liés. On peut appréhender concrètement les causes d’une telle interaction si l’on
considère, par exemple, les conséquences d’une rotation des moments magnétiques
élémentaires sous l’effet d’un champ extérieur. Les nuages électroniques relatifs aux
atomes considérés étant de forme asphérique, cette rotation s’accompagne nécessairement d’une déformation du réseau cristallin.
Malgré la complexité des mécanismes physiques mis en jeu, les propriétés
magnéto-élastiques des milieux matériels peuvent être formellement décrites à l’aide
d’une formulation analogue aux équations (4.50) dans le cas linéaire. On parle alors
de piézomagnétisme.
Notons cependant que les composés donnant lieu à des effets magnétoélastiques
importants sont tributaires d’un couplage du second ordre (la déformation mécanique
dépend du champ magnétique selon une loi quadratique). Néanmoins, l’optimisation
des conditions de fonctionnement des transducteurs magnétostrictifs conduit souvent
à les exploiter sous une polarisation magnétique statique (grâce à des aimants permanents de polarisation par exemple) combinée à une précontrainte mécanique. Le
comportement du matériau autour d’un point de fonctionnement donné peut alors être
linéarisé. Les équations linéaires du piézomagnétisme sont alors applicables.