Mesure et modélisation de la magnétoimpédance non linéaire dans les conducteurs magnétiques cylindriques

La magnétoimpédance géante (MIG) est la variation, sous l'influence d'un champ magnétique statique, de la tension aux bornes d'un conducteur ferromagnétique doux traversé par un courant sinusoïdal. Lorsque l'amplitude du courant est relativement faible, typiquement inférieure à 1 mA pour un fil de quelques dizaines de micromètres de diamètre, la réponse en tension est aussi sinusoïdale. La MIG est dite linéaire. À plus fort courant, des distorsions se superposent à la réponse sinusoïdale. Le phénomène est alors appelé MIG non linéaire. Malgré le fait que la majorité des mesures expérimentales rapportées dans la littérature soient faites en régime non linéaire, les modèles théoriques développés pour expliquer les résultats observés utilisent souvent l'approximation linéaire. Pour cette raison, nous entreprenons, par le biais de cette thèse, d'offrir une meilleure compréhension de la MIG dans son régime non linéaire, en effectuant une étude expérimentale suivie d'une modélisation du signal réponse ainsi que de ses différentes harmoniques. Tout d'abord, une série de mesures à différentes amplitudes et fréquences du courant à été effectuée sur des microfils MXT libres ou soumis à des contraintes de tension et de torsion. Cette étude a révélé un caractère diversifié et instable des harmoniques d'ordre pair en fonction de tous les paramètres de mesure contrairement aux harmoniques d'ordres impairs dont la variation est régulière. La sensibilité de la tension au champ magnétique a aussi été optimisée par rapport à sa valeur obtenue dans le régime linéaire. Les résultats des mesures ont été expliqués d'une manière qualitative grâce au modèle dit "quasi-statique" basé sur la minimisation de l'énergie libre du système. L'échantillon est considéré comme étant parfaitement cylindrique de structure

Abstract

Giant magnetoimpedance (GMI) is a change in the voltage across a soft ferromagnetic conductor carrying sinusoidal current due to a change in applied magnetic field along the current axis. When the current amplitude is relatively low, typically below 1 mA for a wire of a few tens of micrometers, the voltage is sinusoidal. GMI is then linear. At higher current, distortions appear in the voltage response, leading the GMI to be non-linear. Despite the fact that most GMI experimental measurements reported in the literature were performed in the non-linear regime, the theoretical models developed in order to explain the observations generally use the linear approximation. For this reason, we felt the necessity of providing better comprehension of GMI in the non-linear regime by performing an experimental study, and modeling the response signal and its harmonics. First, a series of measurements at different current amplitudes and frequencies were performed on MXT microwires, both stress free and submitted to tensile or torsional stress. This study reveals that the even harmonics are unstable and change drastically when the experimental parameters are varied, whereas the odd harmonics are quite regular. We were also able to optimize the field sensitivity of the voltage, in comparison with its value in the linear regime. The experimental results could be qualitatively explained using the so called quasi-static model, based on the minimisation of the free energy of the system. The sample was assumed to be perfectly cylindrical with a magnetic structure consisting of a homogeneous inner core with axial easy axis surrounded by a shell with helical easy axis. The use of the Stoner-Wohlfarth astroid of critical switching fields was pedagogically very useful.