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Fanny Béron
Département de génie physique
29 mai 2008
Hystérésis ?
Historique
Ancient grec : ustέrhsiz
•
•
Déficit
En retard
« Lorsqu’il y a deux quantités
M et N, telles que des
variations cycliques de N
causent des variations cycliques de M, alors si les
changements
de
M
sont
retardés par rapport à ceux de
N, nous pouvons dire qu'il y a
une hystérésis dans la relation
entre M et N »
« When there are two quantities M and N,
such that cyclic variations of N cause cyclic
variation of M, then if the changes of M lag
behind those of N, we may say that there is
hysteresis in the relation of M and N »
Sir James Alfred Ewing
(1855-1935)
Hystérésis ?
Caractéristiques générales d’un cycle d’hystérésis
M (signal recueilli)
4
Saturation
Rémanence
2
Fin de
l’hystérésis
Ce qu’il reste
lorsque N=0
0
Coercivité
Ce qu’il faut
appliquer
pour obtenir
M=0
-2
-4
-15000 -10000 -5000
0
5000 10000 15000
N (valeur appliquée)
Hystérésis ?
Phénomènes d’hystérésis en physique
Matériaux ferromagnétiques
Déformation plastique
Alliages à mémoire de forme
Transition de phase
Agar
Hystérésis ?
Autres phénomènes d’hystérésis
• Électronique
– Bascule de Schmitt
– Thermostat
• Hydrologie
– Humidification d’un
sol
• Économie
– Inflation
– Gain/perte
• Sociologie
– Habitudes
Hystérésis ?
Perte d’énergie
À chaque cycle :
• Dégradation de l’énergie
• Augmentation de l’entropie
Énergie
perdue
=
Hystérésis ?
Ensemble de phénomènes élémentaires simples
Déficit
Phénomènes irréversibles
But :
Caractériser les phénomènes élémentaires
Hystérésis ?
Ensemble de phénomènes élémentaires simples
Déficit
Phénomènes irréversibles
But :
Caractériser les phénomènes élémentaires
?
En son coeur mathématique
Modèle de Preisach-Krasnoselskii
?
ENTRÉE
Transformation
non-linéaire
SORTIE
+
Opérateur :
• « Hystéron
mathématique »
• 2 états (+ et -)
• Mémoire locale
Système :
• Ensemble infini
• Proportion de
chaque hystéron ?
F. Preisach, Z. Phys. 94, 277 (1935)
En son coeur mathématique
Mesure de la fonction de la proportion d’hystérons
Courbes de renversement du 1er ordre
Le rêve
M (signal recueilli)
Sortie (M)
Saturation
Points de
renversement
Courbe de
renversement
du 1er ordre
Point de
renversement
Entrée (N)
N (valeur appliquée)
Courbes de renversement du 1er ordre
Le rêve
Distribution statistique
Hu
Hc
Pike et al., J. Appl. Phys. 85, 6660 (1999)
Courbes de renversement du 1er ordre
La réalité
Problèmes !!!
N’ont pas nécessairement de
signification physique
Déformé par les interations
Comment faire ?
• Toute l’information physique est contenue dans les
courbes de renversement du 1er ordre
• Comprendre le comportement d’hystérons
physiques
En son coeur physique
Hystérésis magnétique simulée
Application expérimentale
Réseau de nanofils ferromagnétiques
Système idéal :
• Fortement anisotrope
• Ordonné
M
M
H
H
Applications possibles :
• Dispositifs à haute fréquence
• Mémoire magnétique à haute
densité
Ciureanu et al., Electrochim. Acta, 50, 4487 (2005)
• Senseurs magnétiques
Carignan et al., J. Appl. Phys. 102, p. 023905 (2007)
Application expérimentale
Résultat expérimental typique
CoFeB, d = 175 nm, L = 25 µm
M
H
Interaction anti-parallèle élevée
entre les nanofils
• Coercivité des nanofils uniforme
•
Béron et al., IEEE Trans. Magn. 42, p. 3060 (2006)
Béron et al., J. Appl. Phys. 101, p. 09J107 (2007)
Béron et al., J. Nanosci. Nanotechnol. in press
Conclusions
• Hystérésis ?
– Retard de l’effet (M) sur la cause (N)
– Présente dans une multitude de domaines
– Composée d’un ensemble de phénomènes
élémentaires
• Courbes de renversement du 1er ordre
– Permet de séparer les diverses contributions
• Cycles d’hystérésis des phénomènes physiques
élémentaires
• Interactions
• Réseaux de nanofils ferromagnétiques
– Système d’étude expérimentale idéal
Directeur de thèse :
Prof. Arthur Yelon
Responsable du
Laboratoire de
magnéto-électronique :
Prof. David Ménard
Étudiants :
Louis-Philippe Carignan
Christian Lacroix
Gabriel Monette
Vincent Boucher
Djamel Seddaoui
Élyse Adam
Nima Nateghi
Mathieu Massicotte
Nicolas Schmidt
Laurie Archambault
Infographie: Thierry Beauchemin
Application expérimentale
Résultats expérimentaux
Nanofils uniformes
• Interaction
élevée
• Coercivité
uniforme
Nanofils multicouches
Ni/Cu
d = 175 nm
L = 15 µm
tNi = 20 nm
tCu = 10 nm
• Interaction
plus faible
• Coercivité
non-uniforme
• Réversibilité
• Réversibilité
quasiparfaite
plus faible
Application expérimentale
Résultats expérimentaux (nanofils uniformes)
CoFeB, d = 175 nm, L = 25 µm
M
M
H
H
Interaction anti-parallèle élevée
entre les nanofils
• Coercivité des nanofils uniforme
•
•
Réversibilité quasi-parfaite
Béron et al., IEEE Trans. Magn. 42, p. 3060 (2006)
Béron et al., J. Appl. Phys. 101, p. 09J107 (2007)
Béron et al., J. Nanosci. Nanotechnol. in press