fanny béron département de génie physique 29 mai 2008

Fanny Béron Département de génie physique

29 mai 2008

Historique

Hystérésis ?

Sir James Alfred Ewing (1855-1935)

• Déficit• En retard

Ancient grec : έ

« 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 »

« Lorsqu’il y a deux quantités M et N, telles que des variations cycliques de N causent des variations cycli-ques 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 »

-15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000

-4

-2

0

2

4

Caractéristiques générales d’un cycle d’hystérésis

Hystérésis ?

CoercivitéCoercivitéCe qu’il faut

appliquer pour obtenir

M=0

SaturationSaturationFin de

l’hystérésis

RémanencRémanencee

Ce qu’il reste lorsque N=0

N (valeur appliquée)

M (

sig

nal

rec

uei

lli)

Phénomènes d’hystérésis en physique

Hystérésis ?

Transition de phase

Agar

Alliages à mémoire de forme

Déformation plastiqueMatériaux ferromagnétiques

Hystérésis ?

• HydrologieHydrologie– Humidification d’un sol Humidification d’un sol

• HydrologieHydrologie– Humidification d’un sol Humidification d’un sol

• SociologieSociologie– HabitudesHabitudes

• SociologieSociologie– HabitudesHabitudes

• ÉlectroniqueÉlectronique– Bascule de SchmittBascule de Schmitt– Thermostat Thermostat

• ÉlectroniqueÉlectronique– Bascule de SchmittBascule de Schmitt– Thermostat Thermostat

• ÉconomieÉconomie– InflationInflation– Gain/perteGain/perte

• ÉconomieÉconomie– InflationInflation– Gain/perteGain/perte

Autres phénomènes d’hystérésis

Perte d’énergie

Hystérésis ?

À chaque cycle :• Dégradation de l’énergie • Augmentation de l’entropie

Énergie perdue =

Ensemble de phénomènes élémentaires simples

Hystérésis ?

But :But :Caractériser les phénomènes élémentaires

Phénomènes irréversibles Déficit

Ensemble de phénomènes élémentaires simples

Hystérésis ?

But :But :Caractériser les phénomènes élémentaires

Phénomènes irréversibles Déficit

Modèle de Preisach-Krasnoselskii

En son coeur mathématique

Transformation non-linéaire

ENTRÉE SORTIE

Opérateur :• « Hystéron

mathématique »• 2 états (+ et -)• Mémoire locale

F. Preisach, Z. Phys. 94, 277 (1935)

+

-

Système :• Ensemble infini • Proportion de

chaque hystéron ?

Mesure de la fonction de la proportion d’hystérons

En son coeur mathématique

Entrée (N)

Sortie (M)

Le rêve

Courbes de renversement du 1er ordre

Courbe de Courbe de renversement renversement du 1du 1erer ordre ordre

Saturation

Point de renversement

N (valeur appliquée)

M (

sig

nal

rec

uei

lli)

Points de renversement

Le rêve

Courbes de renversement du 1er ordre

Pike et al., J. Appl. Phys. 85, 6660 (1999)

Distribution statistique

Hc

Hu

La réalité

Courbes de renversement du 1er ordre

Comment faire ?Comment faire ?• Toute l’information physique est contenue dans les courbes de renversement du 1er ordre

• Comprendre le comportement d’hystérons physiques

Déformé par les interationsN’ont pas nécessairement de signification physique

Problèmes !!!Problèmes !!!

Hystérésis magnétique simulée

En son coeur physique

Réseau de nanofils ferromagnétiques

Application expérimentale

Système idéal :• Fortement anisotrope• Ordonné

Applications possibles :• Dispositifs à haute fréquence• Mémoire magnétique à haute

densité• Senseurs magnétiques Ciureanu et al., Electrochim. Acta, 50, 4487 (2005)

Carignan et al., J. Appl. Phys. 102, p. 023905 (2007)

H

M

H

M

Résultat expérimental typique

Application expérimentale

• 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

CoFeB, d = 175 nm, L = 25 µm

H

M

Conclusions

• Réseaux de nanofils ferromagnétiquesRéseaux de nanofils ferromagnétiques– Système d’étude expérimentale idéal

• Courbes de renversement du 1Courbes de renversement du 1erer ordre ordre– Permet de séparer les diverses contributions

• Cycles d’hystérésis des phénomènes physiques élémentaires• Interactions

• Hystérésis ?Hystérésis ?– Retard de l’effet (M) sur la cause (N)– Présente dans une multitude de domaines– Composée d’un ensemble de phénomènes élémentaires

Étudiants :Louis-Philippe Carignan

Christian LacroixGabriel MonetteVincent BoucherDjamel Seddaoui

Élyse AdamNima Nateghi

Mathieu MassicotteNicolas Schmidt

Laurie Archambault

Directeur de thèse : Prof. Arthur Yelon

Responsable du Laboratoire demagnéto-électronique : Prof. David Ménard

Infographie: Thierry Beauchemin

Résultats expérimentaux

Application expérimentale

Nanofils multicouchesNanofils uniformes

Ni/Cud = 175 nmL = 15 µmtNi = 20 nmtCu = 10 nm•Interaction

élevée•Coercivité uniforme

•Réversibilité quasi-parfaite

•Interaction plus faible

•Coercivité non-uniforme

•Réversibilité plus faible

Résultats expérimentaux (nanofils uniformes)

Application expérimentale

• 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

CoFeB, d = 175 nm, L = 25 µm

H

M

H

M