GENERALITES SUR LES MATERIAUX MAGNETIQUES ET LES METAMATERIAUX

GENERALITES SUR LES MATERIAUX MAGNETIQUES ET LES METAMATERIAUX

e magnétisme est un phénomène d’attraction ou de répulsion des matériaux qui a été décou-vert dès l’antiquité par les Grecs dans une région appelée « Magnésie ». Différents types de matériaux magnétiques existent et diffèrent selon différentes considérations physique. Certains matériaux ont par exemple leur propre moment magnétique qui est susceptible de s’orienter en présence d’un champ magnétique extérieur et qui entraine des phénomènes comme le ferroma- gnétisme et le paramagnétisme. Si le matériau soumis à un champ extérieur n’engendre pas un moment magnétique, ce matériau est appelé diamagnétique [1].Certain composants micro-ondes fonctionnent en utilisant les propriétés des matériaux magné- tiques autour de la gyrorésonance, que nous définirons dans ce chapitre. Il est donc important d’étudier ces matériaux et de comprendre leur physique, afin de mieux les utiliser. C’est pour- quoi nous avons choisi de parler dans la première partie de ce chapitre des matériaux magné- tiques et plus précisément des « ferrites », car beaucoup de composants à haute fréquence, sont conçus à base de ces matériaux. Ils sont utilisés comme un support ou substrat dans des circuits planaires, ou comme noyau dans un bobinage d’inductance ou dans un dispositif, afin de réaliser des circuits hyperfréquences ; ils sont fréquemment choisis dans le domaine des hyperfréquences à cause de leur nature isolante et de leurs très faibles pertes induites.Les ferrites sont divisés en trois différentes classes que sont les spinelles, les hexaferrites et les grenats. Ces derniers sont choisis pour leurs propriétés magnétiques : phénomènes de résonance gyromagnétique et tenseur de Polder s’il est polarisé par un champ extérieur statique. Le cha- pitre se terminera sur une présentation générale des métamatériaux qui sont des matériaux non usuels, conçus à partir d’assemblage de matériaux « naturels ». Ces matériaux se distinguent par leurs propriétés électromagnétiques, plus précisément la permittivité et la perméabilité, qui peuvent être toutes les deux négatives. Le principe de ces métamatériaux est transférable dans les domaines de l’électromagnétisme, de l’acoustique et même dans le domaine fluidique [2].

Chaque électron possède un moment cinétique intrinsèque « le spin » et un moment magné- tique « orbital » dû au mouvement des électrons sur leur orbite atomique. La somme de tous ces moments magnétiques (spin et orbital) pour chaque électron donne le moment magnétique atomique. Tous les matériaux peuvent se diviser en deux classes au regard de leurs propriétés magnétiques : des ions ou des atomes possédant un moment magnétique permanent et ceux qui n’en possèdent pas [3].Le moment magnétique total d’un atome est alors le résultat de la somme des moments de spin et des moments orbitaux [3].L’ajout d’un champ magnétique extérieur H0 sur un corps magnétique engendre l’induction magnétique B qui est la somme du champ magnétique appliqué H0 avec l’aimantation M qui va représenter l’interaction du champ magnétique appliqué avec tous les moments du matériau. Cette induction permet de représenter globalement les effets magnétiques du matériau ; ainsi différentes types de matériaux magnétiques selon leurs propriétés magnétiques pourront être définis. Ces matériaux contiennent de faibles moments magnétiques permanents mais leur organi- sation n’est pas bien arrangée, c’est à dire qu’ils sont orientés aléatoirement. L’aimantation de ces matériaux dépend de la température, et cette aimantation devient faible si la température augmente. Elle devient linéaire en fonction du champ pour des températures importantes.La paramagnétique isotrope donne une susceptibilité positive (χ> 0) et le moment total de l’ensemble est nul [3].

Les antiferromagnétiques se comportent comme des paramagnétiques anisotropes. Comme les moments sont arrangés de façon antiparallèle, la susceptibilité de ce matériau est faiblement positive. Il s’agit d’un phénomène magnétique de faible amplitude. En effet, l’aimantation totale est généralement nulle, car entre atomes voisins, il existe des interactions d’échange négatives. En l’absence de champ extérieur, le moment de l’ensemble est nul. Ce sont des matériaux similaires aux matériaux antiferromagnétiques avec des moments permanents alignés de façon antiparallèle. Ils sont constitués de deux sous-réseaux d’aiman- tation opposée, mais pour les ferrimagnétiques la nature des deux sous-réseaux est différente, car ils sont d’intensités différentes. Ainsi l’intensité de l’un des sous-réseaux est supérieure à l’autre. Par conséquent il n’existe pas de compensation entre leurs aimantations, la somme des aimantations n’est pas nulle. Si ces moments sont de même ordre de grandeur on parle d’antifer- romagnétiques. Si les deux ordres de grandeur sont différents, ils sont appelés ferrimagnétique [3].Ce type de matériaux est utilisé en électronique hyperfréquences, car ils ont des propriétés magnétiques et une grande résistivité.Les propriétés des différents matériaux magnétiques sont résumées dans le tableau ci-dessous.