HAL Id: jpa-00234059
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Sur le comportement d’un réseau de fils
ferromagnétiques dans le domaine des ondes
centimétriques
I. Epelboim
To cite this version:
avec la valeur peu
=- 1
1 on a alorsi )7
1) =
w
étant lafréquence
de la tensionimposée.
2 1-TT.
On
peut
enfin établir la valeurasymptotique
duchamp
en unpoint
del’espace
aux coordonnéesqui
se trouve àgrande
distance R de la sourced’énergie.
Entraitant,
dans cettehypothèse,
les formules duchamp
du câble delongueur
infinie aumoyen de la méthode dite « du col », on obtient
le
colcorrespondant
aupoint y
poure
les
composantes
desexpressions
de la formeici,
C(0) désigne
une fonction continue de 0qui
nes’annulle pas pour 0 ~ o.
Notons finalement que pour établir la théorie du câble
coaxial,
nous avons utilisé depréférence
lacomposante
axiale E. duchamp
électrique,
ainsi que lechamp
de Green[équ. (68)] qui
estengendré
par une nappe de courant
électrique
sinusoïdalqui
s’écoule en direction axiale lelong
de la surface r ~ i-.Cependant,
nous aurions tout aussi bien puprendre
commepoint
dedépart
une formulequi
donne lacomposante
radiale E,. duchamp
électrique
aumoyen d’un
champ
de Greenqui
estengendré
parune «nappe)) de courant
électrique
située dans la mêmesurface,
mais étant de direction radiale.Enfin,
nousaurions aussi pu
partir
d’une formulequi exprime
lacomposante
H,
au moyen d’unchamp
de Greenqui
estengendré
par un fluxmagnétique
sinusoïdal(de pulsation
oo)
qui
s’écoule dans la surface r = r’en direction
périphérique.
Dans un autre ordred’idées,
onpourrait
fonder la théoriedirectement,
sans l’intermédiaire de fonctions deGreen,
sur lesdéveloppements
en séries de fonctionsorthogonales;
en outre, on
pourrait
aborder la théorie par l’étudedes transformées de
Fourier,
parrapport
à z,des
composantes
duchamp
E,
H(calcul
«symbo-lique »).
_
Manuscrit reçu le 27 mars rg47.
SUR LE COMPORTEMENT D’UN
RÉSEAU
DE FILSFERROMAGNÉTIQUES
DANS LE DOMAINE DES ONDES
CENTIMÉTRIQUES
Par I.
EPELBOIM,
Laboratoire
d’Enseignement
dePhysique à
la Sorbonne.Sommaire. - La notion de
perméabilité magnétique complexe permet, dans le cas des phénomènes
électromagnétiques sinusoïdaux, de généraliser aux ferromagnétiques la théorie élémentaire d’un réseau de Hertz. Les mesures sur de tels réseaux ont permis à V. Arkadiev d’obtenir il y a plus de vingt ans
l’allure de la variation de la perméabilité aux ondes centimétriques. Le comportement des
ferromagné-tiques est alors lié à la structure des domaines de Weiss superficiels et à un phénomène de relaxation dû
à la fréquence de Larmor du spin. Mais l’étude approfondie des ferromagnétiques aux ondes
centimé-triques n’est qu’à ses débuts et elle est actuellement en plein développement, étant donné l’intérêt à la
fois théorique et technique de cette question.
Int.roduction. - Pour
prouver la
polarisation
des ondes
électromagnétiques,
Hertz a utilisé un réseau de filsmétalliques (réseau
deHertz),
dont ladescription
et lespropriétés
sont données dans les ouvragesclassiques
dePhysique.
Les bases
théoriques
de ces réseaux ont étédéveloppées depuis
longtemps
par de nombreuxchercheurs,
toutparticulièrement
par R.Gans,
qui cependant
n’a établi sa théorie que dans le casdes réseaux
amagnétiques.
Cette théorie a pu êtregénéralisée
aux réseaux en filsferromagnétiques,
grâce
à la notion deperméabilité complexe
introduitepar V. Arkadiev.
IJa. vérification
expérimentale
de ces résultats est délicate.Pourtant,
l’étude de tels réseaux estimportante,
afin deconnaître,
d’unepart,
lespossi-bilités
d’application
des matériauxferromagnétiques
dans latechnique
de la détectiontique,
et d’autrepart,
leurcomportement
dans ledomaine des ondes
centimétriques.
C’estpourquoi
nous donnons un aperçu d’ensemble de cetteques-tion,
dont la mise aupoint
nécessite encore uneétude
expérimentale
etthéorique
approfondie,
et surlaquelle
nous pensons revenirprochainement.
La théorie de Gans[i].
- Soit un réseau deHertz constitué de fils
parallèles,
équidistants
et infinimentlongs,
la distance a entre deux fils étantgrande
parrapport
à leur maispetite
parrapport
à lalongueur
d’onde ~.. L’étude de Gans revient à calculer les coefficients deréflexion,
d’absorption,
et detransmission, R,
A et Z’.La
puissance
totale reçue par le réseau sousl’incidence nulle étant
désignée
par les troiscoefficients sont définis par
ou
P,,,
Pu et Pidésignent respectivement
lapuis-sance
réfléchie,
absorbée et transmise par le réseau.Comme l’on a
on
peut
écrireEn
partant
deséquations
deMaxwell,
et en faisantplusieurs approximations
dont la discussion sortdu cadre de cet
article,
Gans[i]
a montré queles trois coefficients
peuvent
se mettre sous laforme
1
Pour les fils
amagnétiques,
les valeurs de u et vse calculent à l’aide des fonctions de
Bessel,
àpartir
de la résistivité p dumétal
et des éléments r, a et J duréseau,
dans le cas de filsparallèles
au vecteurélectrique,
comme dans celui de filsparallèles
au vecteurmagnétique.
Il y aplus
devingt
ans, cesformules ont été vérifiées d’une manière
sâtis-faisante par
rapport
à laprécision
des mesures.Pour fixer les
idées,
voiciquelques
résultats obtenuspar Schaefer
[’2]
aux ondesde ?7
cm :La notion de
perméabilité complexe. -
Si les réseaux contiennent desferromagnétiques,
la ques-tion secomplique
parl’existence,
même aux ondescentimétriques,
d’uneperméabilité supérieure
à l’unité et d’undéphasage
entre l’induction et le:hanip
magnétique.
Mais,
dans le cas desphéno-nènes
sinusoïdaux,
ceproblème
peut
être résolu~ l’aide de la notion de
perméabilité complexe
.ntroduite par V. Arkadiev[3].
Cet auteur a tenucompte
dudéphasage qui
existe entre l’induction,
et le
champ b
= t
dans lesferromagnétiques,
unefois l’effet
pelliculaire
éliminé à l’aide deséquations
de
Maxwell1,
renduessymétriques
enremplaçant
laperméabilité
constante par laperméabilité
complexe.
Au cours d’une étude sur la validité de la loi
d’ai-xn.antation de
Rayleigh
dans leschamps
alternatifs faibles[~t],
nous avons montré que lesphénomènes
sont sinusoïdaux pour de faibles accroissements de laperméabilité
parrapport
à laperméabilité
initiale,
car il suffit que l’induction soit sinusoïdalepour que le
champ
le soitaussi,
etinversement.
D’ailleurs,
même auxfréquences
musicales,
cetaccroissement de la
perméabilité
diminue,
pour unchamp
donné,
avecl’augmentation
de lafréquence.
Des mesuresplus
récentes,
que nous avons effectuéesen
partie
au Laboratoire national de Radioélectricitésur des noyaux
toriques
en hautefréquence
(provi-soirement
jusqu’à 25 lVIcs),
à l’aide d’un circuit à résonance detension,
et d’unjeu
de bobines démontables[5]
et[6’l
nous ont montrél’absenec,
en haute
fréquence,
de cet accroissement de laperméabilité,
dans le domaine deschamps
consi-dérés. Nous avons pu faire cette vérificationégalement
à 10 cm delongueur
d’ondes à l’aided’une
ligne
coaxiale réalisée par M. P. Abadie[P.
Abadie
et I.Epelboïm (inédit)].
Ainsi,
la notion deperméabilité
complexe
peut
êtreadmise,
indépendamment
del’ensemble
de lathéorie
magnétodynamique
de V.Arkadiev,
dont la vérification nécessitel’étude,
dans l’échelle des ondeshertziennes,
de la variation despropriétés
ferromagnétiques
en fonction de la structure et de l’état de surface de l’échantillon.L’introduction de
l’expression
de la,perméabilité
complexe
dansles
équations
deMaxwell,
permet
de calculer l’effet de peau, notamment par le calcul desquatre
coefficientsoù
R~
etR;,z
ainsi queL,
etL;,~
sontrespectivement
les résistances et les self-inductances
électriques
etmagnétiques
dans leschamps
sinusoïdaux,
tandisque 7?e et R,,, sont
respectivement
les résistances dans leschamps
continusélectriques
etmagné-tiques.
Dans le cas des
fils,
lesquatre
coefflcients sont reliés parl’expression
253
égal
à x~’~8 V-(j
+b}, ~
étant leparamètre
deZenneck
caractéristique
de l’effet de peau dansles fils
’7, conductibilité
électrique;
i, fréquence.
Il est évident que pour les matériaux
isotropes
et nepossédant
pas detraînage magnétique (b
=o),
on a
11 n’y a pas lieu de
rappeler
ici les diversesperméa-bilités effectives. Leurs
définitions,
en fonction del’angle
depertes
ou des coefficients deséquations (3),
sont les mêmes que celles
indiquées
par ailleurs dansle cas des rubans
[4]-
,
Remarquons cependant qu’en
très hautefré-quence, on
désigne
par laperméabilité
obtenueà
partir
descaractéristiques
ditesconsomptives
qui
font intervenir larésistance,
et par fLL laperméa-bilité obtenue à
partir
descaractéristiques
dites conservatives ouréactives,
qui
font intervenir laself-inductance. Pour ces
fréquences,
et toutparti-culièrement dans le domaine des ondes
centime-triques,
leparamètre
caractéristique
de l’effet depeau x > i,
et,
d’après
leséquations (4),
on aToujours
dans les mêmesconditions,
il existeune relation
simple
entre laperméabilité
complexe
et les
perméabilités
pn et pj,Réseaux et fils
ferromagnétiques. -
L’intro-duction de laperméabilité complexe
dans leséqua-tions de
Maxwell,
permet
degénéraliser
la théorie de R. Gans au cas d’un réseau en filsferromagné-tiques.
V. Arkadiev a
entrepris
ce calcul en1924
[71,
pour les réseaux dont les fils sontparallèles
au vecteurélectrique.
Il a trouvé pour les deuxfonc-tions u et v , ’h
-ouh=20132013:
2TTC’ résistance dufil;
c, vitesse de la lumière.Dans le cas d’un réseau dont la distance a entre
les fils est
petite,
h devientpetit également,
et l’onpeut
négliger
u2 et v2 parrapport
à 1 + 2 v dansl’expression (2)
du coefficients de réflexion. On a doncet comme
d’après
les relations(3),
on aon déduit
Ou
peut
montrer àpartir
de cetteformule,
’l’analogie
entre R et le coefflcient de réflexion desondes
électromagnétiques
àpartir
d’un miroir massif ou d’uneplaque
mince. D’autrepart,
l’appli-cation de la formule
(8)
dans le cas d’un réseauferromagnétique,
et dans celui d’un réseauamagné-tique
constitue une méthode de détermination de laperméabilité
finqui jusqu’à
maintenant n’a pasété vérifiée par suite de difficultés
techniques.
Fig. i. -
Dispositif de mesure du coefficient relatif de
réflexion d’un réseau de Hertz (n) constitué de quatre fils
pouvant coulisser le long d’une tige en verre. L’émetteur A et le détecteur B sont séparés par un écran S et placés dans des miroirs paraboliques.
Par contre,
V. Arkadiev[8]
a réussi à effectuerdes mesures sur des réseaux
ferromagnétiques
dont la distance aentre
les fils étaitgrande.
Il avait mesuré le coefficients relatif de réflexionrapport
entre le coefficient de réflexion du réseau à étudier
et le coefficient de réflexion
R~
d’un réseau deréé-rence de résistance nulle.
D’après
leséquations (6),
on a, pour un tel
réseau,
D’où l’on déduit
Avant de donner des
détails
sur la vérificationexpérimentale
de ceséquations,
il estintéressant
254
sur la réflexion des ondes
électriques
sur un réseaudont les fils sont
parallèles
au vecteurmagnétique.
En suivant la méthode de V.Arkadiev,
cet auteur a pu vérifier les formules(2)
deGans,
et il a trouvé les valeurs suivantes pour les fonctions u et v :Ces formules
permettent
de calculer les coefficients deréflexion,
d’absorption
et de transmission )’d’unréseau
(les
fils étantparallèles
au vecteurmagné-tique),
àpartir
des coefficients ,4,,, et Bm. CommeFig. 2. -
Les courbes de V. Arkadiev pour les fils en fer. 0 Arkadiev igi2; 0 Arkadiev 1926; X Haog 1932;
-
Sânger z ~~ >3; à R. Maxwell 1946.
dans le domaine des ondes
centimétriques,
cesdeux coefficients sont définis par les formules
(5),
on voit que le coefficients de
transmission
’1’ estbeaucoup plus grand
que les deux autres coeffi-cients .~ et A.Pourtant,
en se basant sur les courbesexpérimentales
de données sur lesfigures
~,et 3 en fonction de la
longueur
d’onde,
0. Kozinetzmontre par un
exemple
citéci-dessous,
que le coefli-cient de réflexion d’un réseauferromagnétique
estrelativement
beaucoup plus
grand
que celui d’un réseauamagnétique.
Le réseau utilisé par Hertz dans ses
expériences
était constitué de fils de cuivre de l mm dediamètre,
distants entre eux de a == 3 cm. Lalongueur
d’onde était À = 60. De la formule(5),
on tireet,
d’après
laformule
Si le réseau est constitué de fils de
fer,
et sil’on utilise les courbes de la
figure 2,
on apour
/ = 60 cmet,
d’après
les formules(6),
1
On obtient alors x = ~5o et,
d’après
les formules(5),
D’où
Ainsi,
le coefficient de réflexion du réseau en fils de fer est 3oo foisplus grand
que celui d’un réseau en cuivre.Fig. 3. - Les courbes de V. Arkadiev
pour les fils en nickel.
e Arkadiev 1912; 0 Arkadiev 1926.
Malgré
les difficultés de tellesmesures,
l’étuded’un réseau dont les fils
peuvent
êtreparallèles,
soit au vecteurélectrique,
soit au vecteurmagné-tique, présenterait
ungrand
intérêt pour avoir desrenseignements
ausujet
de la structure des domainesde Weiss à la surface d’un
ferromagnétique.
Eneffet,
par suite du caractère toutparticulier
de soncomportement
aux ondescentimétriques,
uneaniso-tropie
superficielle
duferromagnétique
doit avoir unerépercussion
sensible sur le réseauqu’il
compose.·iTérifications
expérimentales. -
V. Arkadievest le seul à avoir fait des vérifications
expérim,entales
des formules des réseauxferromagnétiques.
Il lesa effectuées en I91?, à l’aide du réseau de Hertz
et du
dispositif
de mesuresindiqué (fig.
2).
Il a puà 12 cm, de toute une série de réseaux dont les fils
étaient de matériaux et de diamètres divers. Le
coefficient relatif de réflexion des réseaux
ferro-magnétiques
a été trouvéplus
faible que celui desréseaux
amagnétiques :
c’est ainsi quepour 1.
~io,5;
R
est de93,5
pour 100 pour les filsamagnétiques,
tt0
de go pour oo pour le
nickel,
de 82 pour oo pour l’acier et de 81 pour 100 pour le fer. Pour desfré-quences
plus
élevées,
cette différencediminue,
etelle tend à
disparaître
vers ), - 3 cm. Cela apermis
à Arkadiev de
déduire,
déjà
à cetteépoque,
l’allure de la variation de laperméabilité
aux ondescenti-métriques.
Plustard,
en1926
[10],
il a pu utiliser ces résultats pour déterminer la valeur de laperméa-bilité de fils de fer et de
nickel,
en se servant de la valeurcorrespondante
de laperméabilié fia
obtenue par des mesures depertes
lelong
de fils de Lecher[1 J.
En
effet,
le coefficient Ac étant obtenu àpartir
de et les coefficients A et B d’un matériau
amagnétique
à l’aide des formules(3) pour b
~: oet 1,.£
= I, onpeut
déterminer I3e àpartir
durapport
entre le coefficient relatif d’un réseau
ferroya-gnétique
et celui d’un réseauamagnétique.
Cecipermet
de calculer ,uL.Sur les
figures
2 et 3, les valeurs de ainsitrouvées,
sont
indiquées
par des cercles non hachnrés. Lescercles hachurés
représentent
les valeurs de r~~obtenues par la méthode
précitée
des fils de Lecher. Lafigure
2 contient aussi les résultats de mesures de G.Potapenko
et R.Sânger [12],
ainsi que ceux deHoag
et Jonas[13]
obtenus à l’aide d’ondes entre-tenues par la méthode du fil de Lecher. D’autresmesures effectuées par de nombreux chercheurs
(Linmann
Glathart[rSJ,
Hoag
et (~ottlieb[16])
à l’aide de méthodes dont un aperçu
d’ensemble
a étédonné récemment par
Allanson [17]
confirment
l’alluredes courbes de et de des
figures
3 et3,
excepté
l’inflexion de la courbe de FR pour le fer à 20 cm
(fig.
2)
admise par ~r. Arkadiev et laissé de côtépar C. Kittel
[18].
Comportement
desferromagnétiques
dansle domaine des ondes
centimétriques.
- Afinde
compléter
l’étudeexpérimentale
qui précède,
nous allons donner un aperçu de l’état actuel des
connaissances sur le
comportement
desferromagné-tiques
aux ondescentimétriques.
Il
n’y
a pas lieu d’énumérer ici les diversesinter-prétations
ducomportement
desferromagnétiques
dans les
champs
alternatifs.Rappelons
toutefois que l’ancienne théorie des aimantsélémentaires
énoncée par V. Arkadiev, en
I g 1 3
[10],
adepuis
étévérifiée
expérimentalement
par lui et ses nombreuxélèves,
dans diverses bandes defréquence
Cependant
elle n’a pas reçu uneinterprétation
satis-faisante dans le cadre des connaissances actuelle sur
les
ferromagnétiques.
Mais,
si pourinterpréter
les résultatsexpéri-mentaux en basse
fréquence,
il est nécessaire de déceler une éventuellehétérogénéité
macrosco-pique (’),
il faut tenircompte
en hautefréquence
del’hétérogénéité
microscopique
due aux domainesélémentaires dont les dimensions sont de l’ordre
de 10-4 à I o-3 cm.
Déjà,
Arkadiev[20]
et Becker[21]
ont attiré l’attention sur l’influence des dimensions des domaines sur la
répartition
des courants de Foucault en hautefréquence.
Mais pour
comprendre
lecomportement
desferromagnétiques
dans le domaine des ondescenti-métriques,
il faut noter que lapellicule
depéné-tration du
champ,
« la coque fictiveô
=2013
t / 2013 )
’ "
B 2 7: V
/
due à l’effet
pelliculaire,
est inférieure à la dimensionsd’un domaine de Weiss.
Ainsi,
pour un feravant
uneconductibilité de 9. I016 U. E. S. et une
perméabilité
de
i oo, a
est de l’ordre cm,.La théorie de Becker
[22]
est basée sur l’actiondes courants de Foucault
microscopiques; d’après
C. Kittel[I8]
et K. Polivanov[23],
elle n’est pasapplicable’
aux ondescentimétriques
car Becker suppose que les courants de Foucaultmacrosco-piques agissent
dans un milieuhomogène.
Depuis,
des modèles derépartition
des domaines de Weiss à la surface duferromagnétique
ont étécalculés. Dans un travail de Strutt et Knoll de
Igàjo
[24],
il adéjà
été faitappel
à un modèleproposé
par G. Heller(2).
Il suppose que la couchesuperficielle
duferromagnétique
est constituée de domaines de W eiss dont laplus grande
dimension,
ainsi que la direction de l’aimantation sont
parallèle
à cette surface. Chacun de ces domaines est aimanté à saturation etpossède
ainsi uneperméabilité
li. = 1 ià l’intérieur. Par
contre,
laparoi
desépa-ration entre deux
domaines
possède
uneperméa-bilité très élevée et une
épaisseur
de l’ordrede 3 o atomes
(io-1
Depuis,
K. Polivanov[23]
a effectué en1946,
des calculs sur un modèleanalogue
à celuiproposé
par G. Heller. Un autre modéle a été calculé à la même
époque
par C. Kittel[18]. Malgré
les différences des modèles et de la méthode decalcul,
etmalgré
les nombreusessiniplifi-cations,
K.Polivanov,
enprenant
pour épais-seur du domaine io-1 cm, et C. Kittel enpre-nant pour cette
épaisseur
2,5.
cm, trouvent descourbes
théoriques qui
ont la même allure que les courbesexpérimentales
desfigures
2 et 3.(r) Voir 1. EPEL13OÏM [4J. Depuis l’hypothèse d’une répar-tition non uniforme des propriétés magnétiques a été confirmée par une étude en profondeur de l’état cristallin des rubans ferromagnétiques effectuée aux rayons X au Laboratoire de Minéralogie de la Sorbonne sous la direction de M. le Pro-fesseur Wyart [J. Wyart et I. Epelboïm (inédit)].
(2) Malheureusement, les calculs de G. Heller n’ont pas été publiés car il est mort en Allemagne dans un camp de
L’état de
polissage
de surface et lechangement
decomposition
chimique
de la couchesuperficielle,
doiventjouer
ungrand
rôle dans lecomportement
desferromagnétiques
aux ondescentimétriques.
Des mesures récentes de E. Maxwell[ I 8]
effectuéesaux ondes de
1,2 5
cm, tout en confirmant les courbes d’Arkadiev de lafigure 2
pour l’acierlaminé
àfroid,
marquent
des variations considérables entre leséchantillons
préparés
par des méthodes différentes.Pour le nickel les valeurs trouvées par E. Maxwell
sont
plus grandes
que celles déduitesd’après
les courbes de Arkadiev de lafigure
3 dont l’allure a été confirmée récemment entre 20CID, 1 et 3CID,2 parI. Simon
[25].
"Aussi la
reprise
des anciennes mesures à l’aide deprocéd.és
nouveaux :lignes
coaxiales,
guides
d’ondes,
etc., et l’utilisation detechniques
modernescomme celles des rayons X pour l’étude de la
structure en
profondeur
dupolissage
électrolytique
et du
microscope électronique
pour l’étude de l’état desurface,
perm,ettront
de calculer avecplus
deprécision
l’influence des courants de Foucault sur lescaractéristiques
de laperméabilité
aux ondescentimétriques.
Le fait que la
fréquence
de Larmor desspins
atomiques
desferromagnétiques
se trouve dans ledomaine des ondes
centimétriques
et que la variationde la
perméabilité
avec lafréquence
en estinfluencée
j~6],
surtout sous l’action d’unchamp
continu
superposé,
donne à l’étude de ces courbes un intérêt encoreplus grand,
et la relie à d’autresproblèmes
d’actualité[27],
[28]
et[29].
Conclusion. - La théorie
approximative
des réseauxamagnétiques
peut
êtregénéralisée
au casdes fils
ferromagnétiques,
à l’aide de la notion deperméabilité complexe.
Les mesures sur des réseauxferromagnétiques
ontpermis
pour lapremière
foisde déterminer l’allure de la variation de la
perméa-bilité aux ondes
centimétriques,
variation confirméepar la suite par d’autres méthode.
Mais le
comportement
desferromagnétiques
estalors
compliqué
par suite d’unehétérogénéité
inhérente à l’existence des domaines élémentaires.Aussi,
lapoursuite
des mesures sur des matériaumagnétiques
par desprocédés
modernes estsuscep-tihle de résoudre divers
problèmes,
et, entre autres,pourrait
apporter
des éléments nouveaux à larecherche de la structure réelle des domaines de Weiss.
Manuscrit reçu le 29 mars i 94~.
BIBLIOGRAPHIE.
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