International audienceCe document présente un dispositif de caractérisation dynamique du ΔT_adiabatique pour des matériaux magnétocaloriques à différentes vitesses d’aimantation, certaines allant jusqu’à 1T/ms. Le dispositif est relativement simple de conception : mesure de température par thermocouple, source de champ réalisée à l’aide d’aimants, contrôle de la source de champ à l’aide d’un moteur électrique et contrôle de la température de l’échantillon par une cellule Peltier. Ce prototype répond à deux problématiques : offrir un moyen simple de caractériser le ΔT_adia et explorer la réponse dynamique de l’effet magnétocalorique

Almanza, Morgan

Kedous-Lebouc, Afef

French

Hal - Université Grenoble Alpes

Caractérisation dynamique de la variation de température de matériaux magnétocaloriques dans des conditions adiabatiques

Archive Ouverte en Sciences de l'Information et de la Communication

HAL Id: hal-01315702
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Caractérisation dynamique de la variation de
température de matériaux magnétocaloriques dans des
conditions adiabatiques
Morgan Almanza, Afef Kedous-Lebouc
To cite this version:
Morgan Almanza, Afef Kedous-Lebouc. Caractérisation dynamique de la variation de température
de matériaux magnétocaloriques dans des conditions adiabatiques. Journées annuelles de la SF2M:
”Matériaux et conversion d’ énergie”, SF2M, Oct 2015, Paris, France. ￿hal-01315702￿
Caractérisation dynamique de la variation de température de matériaux 
magnétocaloriques dans des conditions adiabatiques 
Morgan ALMANZA
a
, Afef KEDOUS-LEBOUC
b 
a
Univ. Paris Saclay, SATIE, 94230 Cachan, France CNRS, SATIE, 94230 Cachan, France 
bUniv. Grenoble Alpes, G2Elab, F-38000 Grenoble, FranceCNRS, G2Elab, F-38000 Grenoble, France 
 
Résumé 
Ce document présenteun dispositif de caractérisation 
dynamique du Δ𝑇𝑎𝑑𝑖𝑎𝑏𝑎𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒 pour des matériaux 
magnétocaloriquesà différentes vitesses d’aimantation, 
certaines allant jusqu’à 1T/ms. Le dispositif est 
relativement simple de conception : mesure de température 
par thermocouple, source de champ réalisée à l’aide 
d’aimants, contrôle de la source de champ à l’aide d’un 
moteur électrique et contrôle de la température de 
l’échantillon par une cellule Peltier. Ce prototype répond à 
deux problématiques : offrir un moyen simple de 
caractériser le Δ𝑇𝑎𝑑𝑖𝑎  et explorer la réponse dynamique de 
l’effet magnétocalorique. 
Introduction 
La caractérisation des matériaux magnétocaloriques est un 
point important pour le développement de nouveaux 
matériaux et pour la modélisation de dispositifs les 
utilisant. La caractérisation des matériaux passe par la 
connaissance de leurs paramètres physiques. Dans le cas 
d’application orientée vers la réfrigération 
magnétique,l’entropie ou ses variations et la conductivité 
thermique sont les principaux paramètres à connaître. Les 
variations d’entropie sont mesurées à l’aide de technique 
de calorimétrie, de magnétométrie et de mesure de 
Δ𝑇𝑎𝑑𝑖𝑎 .La magnétométrie est la mesure la plus simple et 
est facilement disponible grâce à des appareils 
commerciaux. Celles de calorimétrie sont disponibles mais 
les mesures sont plus difficiles et couteuses en 
équipement. Ces deux mesures sont indirectes 
contrairement à la mesure de Δ𝑇𝑎𝑑𝑖𝑎 . Pourtant la mesure de 
Δ𝑇 estsouvent moins exploitées. Dans ce contexte nous 
proposons un dispositifaccessible de mesure de Δ𝑇𝑎𝑑𝑖𝑎 . Le 
dispositif est aussi conçu dans l’optique de s’intéresser à la 
dynamique de réponse de l’EMC. 
Source de champ 
La source de champ du dispositif est constituée d’aimants. 
L’entrefer réglable de 5mm à 60mm fixe le champ 
maximalrespectivement de 0.2 à 1.2 T. Les aimants sont 
montés sur un axe en rotation, comme le montre le 
synoptique de la Figure 3. L’angle de rotation contrôlé par 
un moteur permet de contrôler le champ magnétique 
appliqué, noté 𝜇0𝐻𝑎 . Des dispositifs similaires comme 
celui présenté dans les articles [1] et [2] utilisent un 
mouvement de translation pour contrôler le champ ce qui 
limite son temps de montée, l’utilisation d’un mouvement 
de rotation permet d’atteindre des temps de montée de 
champ de l’ordre 1T/ms pour un dispositif avec 
unecomplexité limitée en comparaison des 
dispositifsdestinés au champ pulsé, faisant appel à des 
bobines de Bitter. 
 
Figure 1 Champ magnétique dans l’entreferpour 
différentes configurations 
 
Figure 2Configuration des aimants 
 
Figure 3 Synoptique du dispositif 
Pour minimiser l’effet du champ démagnétisant les 
échantillons sont de formes allongées 10 x 1 x 2 mm. Le 
coefficient de champ magnétisant N, définit dans l’article 
[3], est de l’ordre de 0.05. Les champs internes générés 
reflètent ceux  utilisés dans les dispositifs de réfrigération 
[4].Pour la suite nous travaillerons avec un champ 
appliqué de 0.7 T. 
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Angle [°]
Entrefer 5mm
Entrefer 10mm
Entrefer 20mm
Entrefer 30mm
Entrefer 40mm
Entrefer 60mm
𝜇0𝐻𝑎  [𝑇] 
Mesure de température 
Différentes techniques de mesure de température 
existent :les thermistances, les thermocouples, les 
méthodes optiques par rayonnement, par réflectance. Notre 
mesure de température doit avoir une résolution supérieure 
à 0.1 °C et un temps de réponse de l’ordre de la 
milliseconde. 
Les thermistances conventionnelles n’ont pas la 
dynamique escomptée. Les méthodes optiques pour cette 
dynamique et cette résolution, comme celles basées sur des 
matériaux déposés sont couteuses. Les techniques par 
thermocouples sont intéressantes mais elles manquent de 
dynamique. Pour améliorer la dynamique de mesure, nous 
avons utilisé un thermocouple ouvert, c’est-à-dire que la 
jonction se ferme localement sur le matériau comme 
illustré sur la Figure 3. L’alliage de type T 
choisi,donne 46 𝜇𝑉/°𝐶.Pour augmenter le rapport signal 
sur bruit, les mesures sont synchronisées sur la position du 
moteur et moyennées sur chaque tour.  
La variation du champ magnétique dans les fils induit des 
tensions importantes en comparaison des tensions de 
thermocouple. Pour limiter leurs effets, la géométrie du 
thermocouple minimise l’aire entre le fil et leur 
emplacement doit permettre d’avoir le flux tangent à la 
surface crée entre le fil. Bien que la tension induite soit 
réduite, sa valeur reste importante 150 𝜇𝑉 pour une vitesse 
de rotation à 2000 𝑡𝑟.𝑚𝑖𝑛−1, comme illustré sur la Figure 
4. 
 
Figure 4 Mesure de la tension du thermocouple pour 
différentes vitesses de rotation et deux sens de rotation 
Comme la vitesse de rotation est contrôlée précisément et 
puisque l’induction est antisymétrique par rapport à 𝑑𝐻/
𝑑𝑡, alors que l’EMC est lui est symétrie. Les mesures à la 
même vitesse dans deux sens de rotation sont ajoutées afin 
d’obtenir l’EMC seul. 
Résultats expérimentaux 
Le caractère adiabatique de la mesure est donné par la 
rapidité de la mesure car à 400 tr/min ou 2000 tr/min, une 
phase complète d’aimantation désaimantation dure 
respectivement 0.15 ou 0.03 seconde alors que 0.18 
seconde correspond à la constante de temps thermique de 
diffusion pour une distance caractéristique de 1 
mm.L’interface thermique entre l’échantillon et le porte 
échantillon en Plexiglas étant du scotch double face, le 
temps caractéristique est de 10 s. 
Sur un échantillon de Gadolinium, la méthode d’addition 
des deux sens de rotation donne les résultats de la Figure 
5.La variation de température adiabatique est de l’ordre de 
0.5°C autour de 20°C, soit loin de ceux trouvés dans la 
littérature [5]qui sont de 2.5°C pour un champ de 0.75 T. 
Cet écart peut s’expliquer par  la pureté du Gadolinium ou 
des hétérogénéités aux interfaces modifiant le coefficient 
Seebeck. Les mesures donnent aussi des écarts entre une 
aimantation en 22 ms ou en 4.5 ms, provenant 
probablement de l’apparition de courant de Foucault. Des 
études complémentaires sont en cours pour expliquer ces 
résultats. 
 
Figure 5 Tension de thermocouple représentant l'EMC 
Ce travail a été supporté par l’agence nationale de la 
recherche au travers du projet MagCool ANR-10-STOCK-
E-008. 
Références 
[1] G. Porcari, M. Buzzi, F. Cugini, R. Pellicelli, C. 
Pernechele, L. Caron, E. Brück, et M. Solzi, « Direct 
magnetocaloric characterization and simulation of 
thermomagnetic cycles », Rev. Sci. Instrum., vol. 84, 
n
o
 7, p. 073907, 2013. 
[2] H. Yibole, F. Guillou, L. Zhang, N. H. van Dijk, et E. 
Brück, « Direct measurement of the magnetocaloric 
effect in MnFe(P,X)(X = As, Ge, Si) materials », J. 
Phys. Appl. Phys., vol. 47, n
o
 7, p. 075002, févr. 2014. 
[3] A. Aharoni, « Demagnetizing factors for rectangular 
ferromagnetic prisms », J. Appl. Phys., vol. 83, n
o
 6, 
p. 3432‑3434, mars 1998. 
[4] U. Legait, F. Guillou, A. Kedous-Lebouc, V. Hardy, 
et M. Almanza, « An experimental comparison of 
four magnetocaloric regenerators using three different 
materials », Int. J. Refrig., vol. 37, p. 147‑155, janv. 
2014. 
[5] R. Bjørk, C. R. H. Bahl, et M. Katter, 
« Magnetocaloric properties of LaFe13−x−yCoxSiy 
and commercial grade Gd », J. Magn. Magn. Mater., 
vol. 322, n
o
 24, p. 3882‑3888, déc. 2010. 
 
0 500 1000 1500 2000 2500
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
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V
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EMC 2000 tr/min
EMC 400 tr/min


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