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Influence des fluctuations des champs moléculaires sur
les propriétés magnétiques des corps
Louis Néel
To cite this version:
Louis Néel. Influence des fluctuations des champs moléculaires sur les propriétés magnétiques des
corps. Matière Condensée [cond-mat]. Universite, 1932. Français. �tel-00278201�
34
THÈSES
PRÉSENTÉESA
LA
FACULTÉ
DES SCIENCES
DE
L’UNIVERSITÉ
DE
STRASBOURG
POUR OBTENIR
LE GRADE DE DOCTEUR
ÈS
SCIENCESPHYSIQUES
PARM.
L. NÉEL
Ancien élève de l’École Normale
supérieure. Agrégé
de l’Université. Assistant à l’Institut de Physique.1re
THÈSE. 2014
INFLUENCE DES FLUCTUATIONS DU CHAMP MOLÉ-CULAIRE SUR LES PROPRIÉTÉSMAGNÉTIQUES
DES CORPS.2e THÈSE. 2014 PROPOSITIONS DONNÉES PAR LA FACULTÉ.
!
/
Soutenues le 1932 devant la Commission d’examen.
. PIERRE «EISS ... Président.
H.
L. Examinateurs.
P. SOLEILLET...
PARIS
ET
C~
LIBRAIRES DE
L’ACADÉMIE
DEMÉDECINE
120, BOULEVARD SAINT-GERMAIN
SÉRIE E Na D’ORDRE :
32
THÈSES
PRÉSENTÉES
A
LA
FACULTÉ
DES SCIENCES
DE
L’UNIVERSITÉ
DE
STRASBOURG
POUR OBTENIR
LE GRADE DE DOCTEUR
ÈS
SCIENCESPHYSIQUES
PAR
M. L.
NÉEL
Ancien élève de l’École Normale Supérieure. Ag’rég’é de
Assistant à l’Institut de Physique.
t ~~~’
THÈSE. -
INFLUENCEDES FLUCTUATIONS DU CHAMP
MOLÉ-CULAIRE SUR LES PROPRIÉTÉS
MAGNÉTIQUES
DES’
CORPS.
2e
THÈSE.
- PROPOSITIONS DONNÉES PAR LA FACULTÉ.Soutenues le 11 Mart 1932 devant ta Commission (rexamen
. PIERRE iVEISS ... Président.
H . OLLIVIER .... L. HACKSPILL.. P. SOLEILLET...
PARIs
ET
C’e-,
u,
,LIBRAIRES DE
L’ACADÉMIE
DEMÉDECINE
120, BOULEVARD SAINT-GERMAIN
DES SCIENCES DE
L’UNIVERSITE
DE
STRASBOURG
Dor~elt ...
E.ROTHE,
Professeur dePhysique
du Globe. .Doyens
honoraires. E.BATAILLON,
P. TH. MULLER.Professeurs
.’
rctires...
FRÉCHET,
G.FRIEDEL, GA1,TL’i, GIGNOUX.
H. VILLA T.G.
VALIRON ...Analyse supérieure.
.
. P.
b ...
Physique générale.
’
~
H. OLLIVIER...Physique générale.
i L.
HACKSPILL.... Chimie minérale./
E. TOPSENT.... :.Zoologie
et Anatomiecomparée.
i C. HOUARD ...Botanique.
E. TERROINE ...
Physiologie générale.
J. DELAPPARENT
Minéralogie
etPétrographie.
E. CHATTON ...
Biologie générale.
R. 1’HIR~’ ... , .
Mécanique
rationnelle. G. CERF... Calcul différentiel etintégral.
, G. DUBOIS...
Géologie
etPaléontologie.
-
G RIBAUD ...
Physique expérimentale.
P. FLAMANT ...
Mathématiques générales.
E. CORNEG... Chimie
générale
M. FAILLEBIN .... Chimie
organique.
A. DANJON... Astronomie.
. P.
DE BEAUCHAMP.
Biologie générale.
L. BOUNOURE....
Zoologie..
G. FOEX...
Physique générale.
j
H. CHERMEZON...Botanique.
)
G. REMPP ...Physique
du Globe.~ R. ROIANN ... Chimie
physique
et électro-chimie.t
J. LACOSTE...Physique
du Globe. H.Mathématiques.
1 CH. STAEHLING... Chimie
appliquée.
G. HUGEL ... Chimie du Pétrole.
H. WEtSS...
Physico-Chimie
du Pétrole P. SOLEILLET....Physique mathématique
R. BONNET...
Physique
et Chimiebiologiques.
JUNG...GéologieduPétrole.
’-/
rences ... °
A. ROUSSEL...
Mathématiques générales.
A.
CHRÉTIEN ...
Chimieappliquée.
J.
MARESQUELLE.
Botanique.
H. CARTAN...Mathématiques.
...
Minéralogie.
A Monsieur .PIERRE WEISS
Membre de l’Institut.
INFLUENCE DES FLUCTUATIONS
DU
CHAMP
MOLÉCULAIRE
SUR
LES
PROPRIÉTÉS
MAGNÉTIQUES
DES CORPS
’
Par L.
NÉEL
- INTRODUCTION
~
i.Théorie
duparamagnétisme. -
La théorie dupara-magnétisme
repose surl’hypothèse
fondamentale suivante :il
existe,
à l’intérieur d’une substanceparamagnétique,
desporteurs
de momentmagnétique
Leur momentmagnéti-que 1-1 est invariable. On
peut,
parexemple,
identifier lepor-teur et l’atome.
Langevin (1)
asupposé
que cesporteurs
possédaient
uneliberté
complète
d’orientation et que lastatistique
deBoltz-mann leur était
applicable.
Dans cesconditions,
l’aimanta-tion par
porteur,
dans unchamp
magnétique
H est donnéepar la formule :
Les
porteurs
sont alorsindépendauts ;
dans une substancedense,
il n’en est certainement pas ainsi. Weiss(2)
pose que les actions mutuelles entreporteurs
sontéquivalentes
à unchamp
magnétique
~: lechamp
moléculaireproportionnel
àl’aimantation :
(1)
Ann. de Chim. et dePhys.,
, I905,4, 70.
(Z}
J. dePhys.,
I907, 6, 666 .Dans des
champs
faibles,
la loi d’aimantation est de la forme :Pour
T
8 la substance restespontanément
aimantée(ferromagnétisme)
dans unchamp
extérieur nul.L’accord
général
de la théorie avecl’expérience
estremar-quable
et fournit une confirmation solide deshypothèses
debase.
D’autre
part, la
théorie deHeisenberg (1)
donne uneinter-prétation
satisfaisante des actionsmutuelles,
c’est-à-dire duchamp
moléculaire.~
2.
Quelques
faitsinexpliqués.
-Cependant,
il existe toute unecatégorie
de substances dont lespropriétés
restentinexpliquées
dans la théorie deLangevin-Weiss.
Ce sont lescorps à
paramagnétisme
indépendant
de latempérature,
c’est-à-dire la
plupart
des métaux nondiamagnétiques
etquelques
sels.De
même,
dans les métauxferromagnétiques,
on constate ’que la
température
dedisparition
de l’aimantationsponta-née,
c’est-à-dire lepoint
de Curieferromagnétique
necoïncide pas avec le
point
de Curieparamagnétique 6p,
défini par la relation
(2) :
’
Enfin,
l’interprétation
duchamp
coercitif et’del’hystérèse
est délicate et
nécessité
deshypothèses
supplémentaires.
§
3.
Les fluctuations duchamp
moléculaire.
-,4’priori,
est-ilrigoureux
deremplacer
les actions mutuelles entreporteurs
de momentmagnétique,
par unchamp
moléculaire(1)
Z.Phys.
, ~ga8,
49,
6Tg,
(2)
Ausujet
des deuxpoints
de Curie, consulterl’exposé
de M. FORRER, J. dePhys. I930,
1,
49.
3
simplement proportionnel
à l’aimantation ? Par suite del’agitation thermique,
à un instantdonné,
les actionsmutuel-les subissent des fluctuations d’un
point
à l’autre de lasub-stance,
et en unpoint,
elles varient d’un instant àl’autre,
Il faut étudier l’influence de ces
fluctuations
surl’aiman-tation.
D’ailleurs,
l’existence de ces fluctuations estindépendante
del’interprétation
duchamp
moléculaire.§
4. But de Ce travail. - Jeme propose, dans les
chapitres
suivants,
d’étudier deprès
le mécanisme duchamp
molécu-laire dans les corps solides et de montrer que laplupart
desdésaccords entre
l’expérience
et la théorie deLangevin-Weiss
disparaissent.
Dans la
première partie, j’étudierai théoriquement,
aussicomplètement
quepossible,
un corpsferromagnétique
etje
donnerai
quelques
brèves indications relatives auxalliages
et aux corps nonferromagnétiques.
Dans la seconde
partie,
,j’exposerai
quelques-unes
desexpériences
entreprises
pour élucider la nature duchamp
moléculaire.
Enfin,
dans la troisième et dernièrepartie,
je
confronterai
les résultats de la théorie avec
l’expérience,
spécialement
aua moment
magnétique
d’un porteur.~ aimantation moyenne par porteur.
~ aimantation d’un groupe de N atomes -
N;~.
2/? nombre des porteurs
voisins,
réagissant
sur unporteur
donné.
w
énergie
potentielle
de deux porteursantiparallèles
(l’énergie potentielle
de deux porteursparallèles
estnulle) .
K constante de Boltzmann.
P,
Q
dans unalliage,
titre,
rapporté
àl’unité,
des deux caté- .gories
de porteurs. Ttempérature
absolue.U
énergie
interne d’un groupe de N atomes.~
susceptibilité massique.
H
champ
magnétique.
9
point
de Curieparamagnétique
si les actions entre voi-sins existaient seules..
6f
point
de Curieferromagnétique.
6p
point
de Curieparamagnétique.
hm
champ
moléculaire sans fluctuations.n coefficient du
champ
moléculaire sans fluctuationshm == 12u.
~ aimantation
spontanée
par porteur.C constante de Curie,
rapportée
à l’unité de masse.CM
constante de Curieatomique.
N. B. - Dans les références
bibliographiques,
lepremier
PREMIERE
PARTIE
CHAPITRE
PREMIER
Les
Hypothèses.
~ 5.
- Leshypothèses
fondamentales. -
Ce sont lessui-vantes :
a)
Lesporteurs
de momentmagnétique
sont situés auxnoeuds d’un réseau
spatial
indéformable. Ilspossèdent
unmoment
magnétique
~.,invariable,
caractéristique
de lasubstance et de son état cristallin.
De la sorte,
je
laisse de côtétous
lesphénomènes
liés àla
magnétostriction.
-L’état
magnétique
de la substance est définilorsque
l’orientation de tous les
porteurs
est donnée. Sont apriori
possibles
toutes lesconfigurations
géométriques
que l’onpeut
créer en orientant lesporteurs
de toutes lesfaçons
pos-sibles.
b)
L’énergie potentielle
totale d’uneconfiguration
quel-conque, se calcule en additionnant les
énergies
potentielles
relatives des
porteurs,
pris,
deux àdeux,
de toutes lesfaçons
possibles.
L’énergie potentielle
relative de deuxporteurs
dépend,
de la nature des deuxporteurs,
de leur distance et de leur orientation relative.Je ne fais aucune
hypothèse
surl’origine
del’énergie
potentielle
entre deuxporteurs,
je
supposesimplement qu’elle
6
Etant donnée
l’énergie
potentielle
de toutes lesconfigura-tions
possibles,
le théorème de Boltzmannpermet
decalcu-ler la
probabilité
d’uneconfiguration
quelconque.
§
6.- Difficulté
duproblème. -
La fonction ~ estcom-plètement
inconnue.
Vraisemblablement elle varie très
rapidement
avec ladis-tance des deux
porteurs.
Enschématisant,
disons que les actions mutuelles sont notableslorsque
la distance des déuxporteurs
est inférieure à une distance r, etqu’elles
sont trèsfaibles
lorsque
lesporteurs
sontplus éloignés.
Onpartage
ainsi les voisins d’unporteur
donné en deux groupes : ceuxdont la distance au
porteur
central est inférieure à r, et ceuxqui
sontplus
éloignés.
Lepremier
groupe aura une forteaction moyenne sur le
porteur central,
mais comme ilcom-prend
peud’atomes,
les fluctuations depart
etd’autre
de la moyenne seront fortes. Aucontraire,
l’action moyenne du second groupe seraplus
faible,
mais comme ilcomprend
unplus
grand
nombred’atomes,
l’importance
relative
desfluc-tuations sera
beaucoup plus
faible.§
7. - Actions mutuelles à courtedistance.
-
Actions
mutuelles
àlongue
distance.
- Cepartage
des actions mutuelles en deuxcatégories,
àpremière
vuearbitraire,
cor-respond
au fait fondamental suivant : des actions mutuelles àlongue
distanceenglobent
nécessairement une trèsgrande
quantité
deporteurs,
onpeut
doncremplacer
l’actioninstan-tanée de ces
porteurs
par sa moyenne dans letemps :
lathéo-rie du
champ
moléculaire de Weiss est entièrementappli-cable.
-Au
contraire,
dans les actions à courtedistance,
lenom-bre des
porteurs
agissant
estfaible,
il faut faire une théorierigoureuse
des fluctuations.7
ne sont pas
spéciales
aumagnétisme.
En théoriecinétique
des gaz on estplacé
devant desproblèmes analogues
e.).
~ 8.
-Hypothèses simplificatrices.
- Pour rendrele pro- ,
blème abordable au
calcul,
je
propose le schéma suivant :c)
Les actions mutuelles à courte distance serontreprésen-tées par des actions entre un
porteur
et ses voisins lesplus
proches.
Le nombre de voisins ainsidéfini,
estcomplètement
déterminé par le réseau : dans le
système
du cube à face centréechaque
porteur
possède
12 voisins. J’étudierai la loi°
d’aimantation d’un corps
qui
nepossède
que cettecatégorie
d’actions
mutuelles,
etje remplacerai
l’action des autresporteurs
par unchamp
moléculaire au sens de Weiss.d)
Telquel,
leproblème
est encoretrop
compliqué
etje
lesimplifierai
encore, ensupposant
quechaque
porteur
nepeut
occuper que deux
positions privilégiées
parrapport
auchamp
magnétique
extérieur :position parallèle
etposition
antipa-rallèle.
C’estl’hypothèse
de Lenz(2).
Je me propose, dans le
chapitre
II,
d’étudier leproblème
dans ces conditions. Dans la
suite,
je
discuterai dansquelle
mesure ces
hypothèses simplificatrices
sontlégitimes.
Ellesne sont
faites,
eneffet,
qu’à
titreprovisoire.
~
En
particulier, je préciserai
la distinction entre actions àlongue
distance et actions à courte distance.On
verra, d’autrepart,
quel’hypothèse
de Lenz doit êtrerejetée
dans larégion
des bassestempératures.
(1)
Voir à cesujet :
FOWLER, Mechanical statistics,Cambridge
University
Press, , Igag..Le
problème
des fluctuations.
dans un réseau linéaire.
~ 9.
- Position duproblème.
- Je medonne
un réseaucristallin. Au
point
de vue de lamécanique
statistique,
je
n’ai à tenircompte
que desénergies
entre voisins immédiats.- Deux
porteurs
voisins nepeuvent
avoir que deuxpositions
relatives différentes
(i) :
dansl’une,
lesporteurs
sontparal-lèles,
leurénergie potentielle
est wi ; dansl’autre,
ils sontantiparallèles,
leurénergie
potentielle
est w2. Je pose :
-L’énergie potentielle
dusystème, provenant
des actions mutuelles entreporteurs,
ou,plus
brièvement,
énergie
deliaison,
est calculablequand
on connaît l’orientation desporteurs.
-Chacun des N
porteurs
peut
présenter
deux orientationsdifférentes : il y a
ainsi,
autotal,
2N configurations
distinctes.Si 31 est le moment
magnétique
total d’uneconfiguration,
compté
dans la direction duchamp magnétique
extérieur;
si W estl’énergie
de liaison de la mêmeconfiguration
ajou-tée à
l’énergie
potentielle
magnétique qui
provient
de ce queles moments ;~ sont dans un
champ magnétique
extérieurH,
(1)
C’est laconséquence
immédiate del’hypothèse
d).
Jenéglige
aussi l’orientation par rapport à laligne qui
joint
les
9
dans ces
conditions,
l’aimantation,
parporteur,
est donnée par la formule suivante :Le
signe
L est étendu aux 2Nconfigurations
définiesplus
haut.§
10. Nécessité d’unesimplification.
-Lorsqu’on
essaye dedévelopper
lecalcul,
dans le cas, parexemple,
du réseaucubique
à facecentrée,
on est vite arrêté par sacomplica-tion.
Fig.
I .Il est
indispensable
de trouver unesimplification
légitime.
Or l’allure des
phénomènes
doitdépendre plutôt
du nombredes voisins de
chaque
porteur,
que de leurposition
géomé-trique.
C’est,
eneffet,
le nombre de voisinsqui joue
un rôleessentiel dans ce
problème
de fluctuations. Il est intuitif que,chaque
fois que l’onaugmente
d’une unité le nombre desvoisins,
l’importance
relative des fluctuations diminue de moitié. On doit donc considérer commeéquivalents
les deuxgroupements
de lafigure
i, oùchaque
porteur
possède
qua-tre voisins.D’ailleurs,
enanticipant
sur le résultat descalculs,
les valeursde
lasusceptibilité,
au-dessus dupoint
deCurie
paramagnétique,
calculéesrigoureusement
dansl’exemple
II,
coïncident avec les
développements
obtenus par une méthodeapprochée, qui
ne fait aucunehypothèse
sur laposition
desvoisins,
etqui,
parsuite,
est valable aussi bien dansl’exem-ple
1 que dansl’exemple
II. C’est en faveur de cette manièrede voir.
-~ -~
ii. Schémaproposé.
- D’unefaçon
plus précise, je
peuxremplacer
l’étude d’un réseau à troisdimensions,
danslequel
chaque
porteur
est entouré de 2pvoisins,
par l’étude d’une file linéaire deporteurs,
dirigée
comme lechamp
extérieur,
dans
laquelle je
tiendraicompte
desénergies
de liaison dechaque
porteur
avec les pporteurs
qui
leprécèdent
et les pqui
le suivent dans la file. Toutes ces liaisons serontconsidé-rées comme
équivalentes,
et caractérisées par uneénergie w
définie comme au
paragraphe
9.C’est ce
problème
queje
me propose de résoudre dans lesparagraphes
suivants. L’énumération desconfigurations
etle calcul de leur
énergie potentielle
est alorsbeaucoup plus
facile que dans le cas d’un réseau
spatial.
§.
i2.
Enumération desconfigurations.
- Pour construiretoutes les
.configurations possibles, j’aurai
recours àl’arti-fice suivant :
je
partagerai
la file en groupes élémentairesde p
porteurs
consécutifs.Comme
chaque
porteur peut
présenter
deuxorientations
rdifférentes,
il existe q = 2P grou pes élémentaires différents,Je numérote les groupes de 1 à q. Dans ce
qui
vasuivre,
un groupe
quelconque
sera caractérisé par l’indicei,
ou parl’indice j :
/et j
peuvent
prendre
toutes les valeurs entièresde
i à q.Pour
reproduire
toutes lesconfigurations,
il fauteffectuer
tous les
arrangements
possibles
entre les groupestaires.
II
énergies
potentielles
internes des groupes eux-mêmes et desénergies
potentielles
de liaison entre deux groupesconsécu-tifs.
Grâce à l’artifice
qui
consiste àprendre
des groupesde p
porteurs,
iln’y
a pas à considérerd’énergie
de liaison entredeux groupes non consécutifs.
Je
désignerai
par l’indice doubleij
la liaison entre deuxgroupes
consécutifs,
lepremier
d’espèce
i,
le secondd’es-pèce
j.
Uneconfiguration quelconque
estcaractérisée,
aupoint
de vueénergétique,
par le nombre des liaisons decha-que
espèce qu’elle
contient.
J’appelle :
le nombre des
configurations qui
possèdent
lespropriétés
suivantes : elles commencent par ungroupe i
et finissent par un groupek ;
elles
comprennent
chacune
nuliaisons
11.n~2 liaisons 12, ...
n~~ liaisons ij
..., etc...
§
i3.
Calcul
de X.
- Poureffectuer
toutes lesconfigura-tions
possibles
qui
possèdent
autotal
m + iliaisons,
je
peux
ajouter
une liaison auxconfigurations
de m liaisons. Je peux ainsi écrire immédiatement la formule de récurrencesuivante :
.Je pose :
D’après
la relation de récurrence(4),
si la formuleest vraie pour m
liaisons,
elle est aussi vraie pour m + iliaisons,
donc pour m aussigrand
que l’on veut.D’après
lanature
physique
duproblème,
puisqû.e
je
ferai tendre lenombre total des liaisons vers
l’infini,
je
peux, sans rienchanger
aurésultat,
disposer
arbitrairement des mpremié-res liaisons
(m
fini),
et enparticulier
je
peux leur attribuer uneénergie
potentielle
arbitraire. C’est-à-dire queje
peuxposer, a
priori,
que la formule(5)
est exacte pour m liai-sons.Ainsi,
la formule àlaquelle j’arrive
pour X
estindépen-dante des indices i
k,
c’est-à-dire de la nature du groupe initial et du groupe final. C’est d.’ailleurs évident apriori,
.J’en
conclus,
finalement,
que laprobabilité
d’unecom-plexion qui
comprend :
n11 groupes i ~, ni2 groupes 12, etc...est :
A est un coefficient
numérique qui dépend de q
et dunom-bre total N des
porteurs.
~
14.Equations
générales
duproblème.
-D’après
lamanière même
employée
pour construire lesconfigurations,
aux q relations :I3 il faut
ajouter les q
relationsanalogues :
ni, n j sont
respectivement
le nombre des groupesd’espèce
i etd’espèce j,
et lespremières
relationsexpriment
simplement
que le nombre des liaisons
qui
aboutissent à ungroupe j
est égal
aunombre
.
des groupes de cette
espèce.
De mêmeles relations
(7) expriment
que
le nombre des liaisonsqui
partent
d’un groupe i estégal
au nombre des groupes de cetteespèce.
Comme le nombre total des groupes est
égal
àN p,
il faut écrire aussi :Il faut
exprimer
maintenant quel’énergie
totale de lacom-plexion
estégale
à U.Soit wi
l’énergie
d’ungroupe 1
(1),
wta
l’énergie
de liaisonde deux groupes consécutifs i et
j,
on a :Dans ce
qui
vasui;re, je
vais poser: w~~ =.~ tvi -.~- 2
w~les wi
disparaîtront
ainsi des calculs.Je fais
partout
leschangements
de variable :Je
prends
lelogarithme
des deux membres del’expression
5bis,
et comme ils’agit
degrands
nombresj’applique
laformule de
Stirling
réduite à ses deuxpremiers
termes :(1)
Cetteénergie
Wicomprend
non seulementl’énergie
interne de
liaison,
mais aussil’énergie
des momentsj’obtiens
ainsi les relations suivantes :L’état le
plus probable
correspond
au maximum de W.On a donc :
D’autre
part,
lesôri
et les03B4xij
sont reliés par leséqua-tions
suivantes,
obtenues en différentiant leséquations
de
condition :
§
15.Solution
duproblème.
- J e résoudrai ceproblème
par la méthode des
multiplicateurs
deLagrange, je
multi-plie
l’équation
i ~ par -log
S,
leséquations
15respective-ment
par (I 2
+log
fl-J)
et(1
+ etl’équation
16I5
J’écris que les coefficients des
ôxi
et des sont nuls etj’obtiens
leséquations
suivantes :J’ai q2
+3q
+ 2équations
entre lesq2
+3q
+ 2incon-nues Xij, P-J’
S,
ce.Avant d’aller
plus
loin,
je
vais donner lasignification
phy-sique
du coefficient a.D’après
leséquations
écritesplus
haut,
on voit que si W
représente
laprobabilité
de lacomplexion
la
plus probable
pourl’énergie
U,
la variation de cetteprobabilité,
quand l’énergie
varie de8U,
toutes choseségales
d’ailleurs,
est donnée par :L’entropie
est par définition(Boltzmann) :
’
et
d’après
leprincipe
de Carnote) :
De ces trois relations
je
tire :Le coefficient « définit la
température
dusystème.
_ z~
En
posant
at; = e,
leséquations
1 g et 20s’écrivent :
(1)
On met lesystème
en contact avec un thermostat et onsup-pose seulement des
échanges
de chaleur. Voir à cesujet :
Bril-louin : Lesstatistiques quantiques,
p. I02.et en
portant
ces valeurs de xi, Xij, dans leséquations
i I et13,
on a :-25 et 26 forment deux
systèmes
linéaires ethomogènes
.
d’équations
en Ài
et Pour avoir unsystème
de solutions nonnulles,
il faut que le déterminant commun aux deuxsystèmes
soit nul :C’est une
équation
duqième degré
en S. Si nousdésignons
par
Aij
le mineur de 0394 relatif au terme de la iièmeligne
et de lajième
colonne,
il existe entre leshj
et les pi, les relationssuivantes :
et : o
En
portant
dans 25 et 26 les valeurs de),r,
tirées desrelations
précédentes,
on a :mais
d’après
lespropriétés
connues des mineurs desI7
L’équation
3o s’écrit sous la formeplus
symétrique :
A l’aide des relations
28,
2g et 3 !, les valeursde xi
xijdon-nées par les
équations
22 et 23 s’écrivent :Ces formules résolvent le
problème.
Remarquons qu’on
peut
écrire :et
puisque le
déterminant 0 esthomogène
en aij et en SLes formules 32 et 33 se transforment en
§
i6.
Cas de deuxporteurs d’espèces
différentes.
-Les
résultats
précédents
s’étendent facilement au cas d’unmélange
deplusieurs
porteurs.
Chaque
groupe de pporteurs
comprendra,
parexemple, x
porteurs
del’espèce
P,
et ~
del’espèce
Q.
L’équation
13 estremplacée
par les suivantes :avec : .
P et
Q
sont lesproportions
des atomes des deuxespèces
pré-sents dans le
mélange.
L’équation
1 7 estremplacée
par les suivantes :En les
multipliant
par -log
S et ~--log
c et en lesajou-tant aux mêmes
équations
que tout à l’heuremultipliées
parles mêmes
coefficients,
on a en annulant lescoefficients
des~xi
et des :.
En
portant
ces valeurs dans leséquations
decondition,
nous obtenons deux
systèmes
d’équations
linéaires enÀi
~.idont le déterminant commun A doit être nul :
’
Etant donné un
système
de valeursS,
?, annulant ledéter-,
-
minant
d,
les valeurs dessont ;
.En
portant
ces valeurs dans leséquations
36 on a :, Les
équations
38,
39
et4o permettent
de calculer
S,
a, K.’
§
i7.
Energie
interne.
Entropie.
Aimantation.
- Dans leI9 mais :
et
puisque ~ -
o :donc :
L’entropie
est donnée par la formuleQuant
àl’aimantation,
on a :étant le moment
magnétique
d’une liaison(1).
De la même
façon
queplus
haut,
cette relation setrans-forme en la suivante :
car
potentielle
relative à la liaisonij
est de la forme :en
explicitant
l’énergie
magnétique.
(~)
Il est bien entenduque
la liaison nepossède
pas demoment
magnétique,
mais pour la facilité des calculs il estcommode de reporter le moment du groupe sur ses deux
Dans le cas d’un
mélange
de deuxporteurs,
onaboutit
àdes relations
analogues :
§
i8.
Etude du cas de deuxvoisins
(1).
- Je vaisappliquer
les formules
précédentes
au casparticulièrement simple
dedeux voisins. Le cas de huit ou de douze
voisins,
serappro-cherait bien
davantage
de laréalité,
maisl’équation
en Scor-respondante,
donnée par la théorieprécédente,
serait du 8eou du 12e
degré.
Deplus;
on ne l’obtiendrait que par ledéveloppement
d’un déterminant du 8e ou du I2e ordre. Lacomplexité
du calcul rendrait vain tout essaid’application
numérique.
D’autre
part,
à mesure que le nombre de voisinsaug-mente, les résultats se
rapprochent
de ceux que l’on obtient ennégligeant
les fluctuations. Le cas extrême de deux voi-sins estintéressant,
parcequ’il
exagère
les modifications que les fluctuationsapportent
aux résultatsclassiques.
Les
quatre
liaisons différentes que l’on a à considérer sontreprésentées schématiquement
ci-dessous :Supposons
que lechamp magnétique
extérieuragissant
H soitdirigé
suivant la file desporteurs.
A une constante
près,
lesénergies potentielles respectives,
parliaison,
sont :(1)
Pendant la correction desépreuves, ,j’ai pris
connaissanced’un mémoire de
Ising (Zls. f. Phys., Ig25,
3~,
253)
qui
traite ce cas par une méthodeparticulière
et arrive à la formule47-21
Le déterminant en S s’écrit :
c’est-à-dire :
Cette
équation
du seconddegré
en Spossède
deux racinesw - pt-H
positives,
l’unecomprise
entre o et e ~T et l’autreplus
grande
que e~T .
D’après
lasignification
physique
desmineurs du déterminant
A,
ils doivent être tous de mêmesigne ;
or le déterminantadjoint
de A est :La seule racine
acceptable
est donc laplus grande :
D’après
la formule42, j’ai:
’
Cette formule donne l’aimantation d’une file de
porteurs,
placée
dans unchamp
magnétique,
quand
on ne considère~
i9. Cas
dequatre
voisins.
- Commeapplication
de laméthode,
je
vais encore traiter le cas dequatre
voisins. Dansce cas, p - 2, q
- t~,
il y
a 16liaisons ij
à considérer et.
l’équation
en S s’écrit :
Cette
équation
sedéveloppe
sous la forme suivante :avec : ~
-En l’absence de
champ
extérieur(H
=o),
la seule racineconvenable est la
plus grande
racine de A = o :Quand
lechamp
magnétique
extérieur estfaible,
onpeut
23
E est
petit
et est déterminé par :Bo
est la valeur de B pour H= o.La formule
qui
donne l’aimantation est alors :Aux hautes
températures,
onpeut
écrire :et par suite :
2W 6 ., . ..
en
posant
w :I, ,
J’ai
:et : :
Ces derniers calculs montrent à
quel point
croît lacom-plexité
duproblème,
lorsqu’on
veut tenircompte
del’action
CHAPITRE III
~
Etude de
la
susceptibilité
initiale.~
20.
But de cechapitre.
- Au cours duchapitre
précé-dent, moyennant
certaineshypothèses
desimplification,
j’ai
fait une étude
rigoureuse
d’un réseau à deux voisins et d’un réseau àquatre voisins,
etj’ai
obtenu les formules del’ai-mantation,
del’énergie
interne,
etc... Je vais maintenantdiscuter les résultats au
point
de vuephysique.
Je serai amené à traiter d’une manière
approchée
le pro-blème de lasusceptibilité
initiale,
quand il y
a unnombre,
2p,
quelconque
de voisins. Les résultats obtenusplus
haut,
dans les cassimples
p =1, p - 2, me serviront à fixer les
limites entre
lesquelles
seront valables lesapproximations
de mon nouveau calcul.§
2i.
Susceptibilité
initiale dans le cas de deux voisins.-Lorsque H KT
estpetit,
la formule7
s’écrit :Je pose w =
KO,
j’introduis
lasusceptibilité /
etj’ai :
J’ai
représenté
sur lafigure
2, courbeA,
lavariation
de1 N ~.~ . T
Z Ka , en fonction de 03B8
La courbe a pour
asymptote
la droite 0Fd’équation :
La distance de la courbe à
l’asymptote
varie commea
T
, l’approche
est peurapide.
Au zéroabsolu,
la courbeest
tangente
à l’axedes températures ;
I ~
ne s’annulequ’au
zéro absolu. Il
n’y
ajamais
d’aimantationspontanée.
L’ai-mantation devient seulementbeaucoup plus
facilelorsque
la
température
s’abaisse.Au
contraire,
sij’avais
négligé
lesfluctuations,
j’aurais
obtenu,
au lieu de la courbeA,
la droite 0F. Dans ce cas,I ~
s’annule en0 ;
il y a unerégion
detempérature
O0398,
où existe une aimantationspontanée.
Lorsqu’il n’y
a pas d’actionsmutuelles, w
= o, et lafor-mule
47
se réduit à :C’est la loi même d’aimantation donnée par Lenz.
~
22.
Calculapproché
de lasusceptibilité
initiale,
valablepour
T>
0. - Je vais maintenantdévelopper
uneméthode
approchée,
valable pour un nombrequelconque
de voisins.C’est,
aufond,
unepremière approximation
dans le calculdes fluctuations.
L’approximation
consistera à supposer queles
porteurs
voisins d’unporteur
central ont desprobabilités
d’orientation
indépendantes.
Dans la
substance,
chaque
porteur,
de moment p, est entouré de 2jo voisins.L’énergie
mutuelle relative de deuxporteurs
parallèles
est- 2
etl’énergie
mutuelle de deuxporteurs
antiparallèles
est-~- .
.-27 Sous l’action d’un
champ magnétique
extérieurH,
la substanceprend
une aimantation c), et enadoptant toujours
l’hypothèse
deLenz,
il y +e)
porteurs
orientés dans le sens duchamp
-e)
porteurs
orientés en sensinverse,
de sorte que :Il y a
~2p
2p 1 ~~,q~
, manières différentes deprendre, parmi
les 2p voisins duporteur considéré,
2p - qporteurs
orientés dans le sens duchamp
et q orientés en sens inverse.La
probabilité ~
de l’unequelconque
de cesrépartitions
est, si l’on admet
l’indépe.ndance
desprobabilités
d’orienta-tion des
porteurs
voisins(1) :
.Pour cette
configuration
desporteurs voisins,
l’aimanta-tion du
porteur
central est :Quand
il estdirigé
dans le sens duchamp magnétique,
sonénergie
est en effet :et cette
expression
changée
designe, quand
il estdirigé
en sens contraire.J’obtiens l’aimantation
totale,
en faisant la somme de cesaimantations
partielles,
relatives aux différentesconfigura-tions des
voisins,
chacune avec leurpoids statistique :
(1)
Cettehypothèse
est d’autantplus
légitime
que laCette
relation,
jointe
à(52),
permet
de résoudre parrap-port
à s et de trouver la loicomplète
d’aimantation.Je
me
propose d’étudier seulement lasusceptibilité
initiale ;
donc ~ est aussi
petit
que l’on veut, et onpeut
réduire(t
+q
~~
-~)q
aux deuxpremiers
termes dudévelop- .
pement
en série. De même, lechamp magnétique
H étantpetit,
onpeut
développer
latangente
hyperbolique
en série deTaylor :
~’obtiens ainsi :
-Pour
simplifier, je développe
en sérieles
tangentes
-hyper
boliq ues,
ennégligeant
les termes en~’~~K~T~
‘~‘a et lessuivants ;
les
développements
ne seront valables que si T estgrand,
commeje
préciserai
plus
loin.J’utilise les relations connues :
Je pose e =
Ç/l
, et, tous calculs
faits,
l’inverse I 03B3
de la"
X
susceptibilité
est donnée par la formule suivante:coïn-29
cide
jusqu’au
terme en~3
avec ledéveloppement
suivantobtenu par la méthode
rigoureuse
duchapitre
II : :Il concorde
également .pour
p = 2, avec lespremiers
ter-mes du
développement
rigoureux.
Il est intéressant de le
souligner,
car le raisonnementpré-cédent ne fait pas intervenir la
position
desvoisins,
maisseulement leur nombre.
§
23.
Calculapproché
de lasusceptibilité
initiale valable pour T ~J. - Lesdéveloppements précédents
ne sontvala-bles que si :
®
I.Au-dessous
dupoint
deCurie,
il fautraisonner d’une manière différente.
Lorsque l’agitation thermique
estfaible,
lesporteurs
ten-dent à s’associer
parallèlement.
En suivant la file des por-teurs, on rencontre nporteurs
orientés dans un sens,puis
n’porteurs
orientés en sensinverse,
etc..., n et n’ sontgrands :
autrementdit,
le nombre desporteurs
estgrand
devant le nombre des interversions(1),
de sorte que deux. interversions consécutives sont
séparées
par ungrand
nom-bre de
porteurs.
Aupoint
de vueénergétique,
tout se passe comme si deuxporteurs
voisinsparallèles
intervenaient avec uneénergie
nulle et deuxporteurs
voisinsantiparallèles
avec uneénergie
2 ’
~ w,énergie potentielle
del’interversion.
Il
suffit,
pour avoir la loi d’aimantation dans cescondi-tions. de
remplacer
w parp{p + ~~ w
dans la formule 50.A basse
température j’ai
ainsi :(1)
J’appelle
interversion une liaison entre deux porteurs§
24. Discussion.
- Enrésumé,
les résultatsacquis,
dans l’étude de lasusceptibilité
initiale,
en fonction du nombre2p’
desvoisins,
sont les suivants : 1Fig.
2.Ces résultats sont en
accord,
aussi bien aux hautestempé-ratures
qu’aux
bassestempératures
avec les formulescom-plétes
obtenues pour p ==1 i et p = 2. D’autrepart
pourp = oo , les formules ci-dessus se réduisent à :
C’est ce
qu’on
obtient par la théorieclassique,
sans tenir3I
qu’avec
un nombre infini devoisins,
iln’y
a pas defluctua-tions ;
les résultats sont cohérents.Sur les
figures
2 et 3j’ai
tracéd’après
les formules 53 et~
54
les courbescorrespondant
à différentes valeurs de p.La
figure
3 est à une échellecinq
foisplus
grande
que lafigure
2.A mesure que p
croît,
les courbes serapprochent,
deplus
Fig.
3.en
plus,
de laligne
brisée 00F. Elles ont toutes la mêmeasymptote :
Mais le fait fondamental est le suivant :
quel
que soit p,£ ne
s’annulequ’au
zéroabsolu ;
iln’y
ajamais
d’aimanta-tion
spontanée.
Donc,
les actionsinteratomiques
à courtedistance,
prises
seules,
ne donnent pas l’aimantationspontanée.
Leméca-nisme de celle-ci doit être recherché
ailleurs ;
les actions àcourte
distance,
ontsimplement
pour effet derendre
l’aiman-p + i
e
tation
incomparablemeut
plus
facile : le termee
-p+I 2 0398 Ttend vers o très
rapidement
quand
paugmente.
~
25.
Cas d’uneénergie
de liaisonnégative. -
J’aisupposé
au cours des
chapitres
précédents
que w étaitpositif.
C’estFig.
4.
le cas des corps
ferromagnétiques.
Les mêmes raisonne-ments et les mêmes calculss’appliquent
pour une valeurnégative
de 03C9 et conduisent à la formule(dans
le cas de deuxvoisins) :
.
J’ai
représenté
surla figure
4
la variationde I 03B3 N 2 K0398
en33
asymptote
à la droite BF. Cette droitereprésenterait
la variation de 1 si onnégligeait
les fluctuations. Aux bassestempératures,
lephénomène
est toutdifférent ;
Lprésente
Xun minimum pour T = 9. La
susceptibilité
devient nulle auzéro absolu.
Il
n’y
a pasd’exemples
d’une telle variation.L’hypothèse
de Lenz est icibeaucoup
trop
radicale. Jemontrerai au
chapitre
VIII que, si lesporteurs
de momentpeuvent
occuper toutes les orientations parrapport
auchamp
magnétique,
on aboutit à unparamagnétisme
constant,
versFerromagnétisme.
§
26.
Action desporteurs
éloignés.
- J’aiétudié,
dans lechapitre
III,
la variation de lasusceptibilité
initiale avec latempérature,
dans le casschématique
simple
d’actionsmutuelles
égales,
entre unporteur
et ses 2p voisins lesplus
proches.
En
réalité,
lesporteurs
plus éloignés
ont encore uneaction,
et une deuxième
approximation
consistera à diviser en deuxgroupes les
porteurs
qui
réagissent
sur unporteur
centraldonné : un
premier
groupe sera formé des 2p voisins dontj’ai déjà
tenucompte
et un deuxième groupe, des voisins dela deuxième couche et des suivantes. Comme cette deuxième
couche
comprend,
en gros,quatre
foisplus
deporteurs
quela
première, d’après
l’allure des courbesdéjà
tracées,
on voit
qu’il
estlégitime
d’ennégliger
lesfluctuations,
d’autantplus
que l’action totale en estbeaucoup plus
faible que lapre-mière.
Je
remplacerai
ainsi l’action des couches extérieures à lapremière
par unchamp
moléculaireproportionnel
àl’aiman-tation : ’
En toute
rigueur,
cettehypothèse
n’est valable que dans lecas où la substance
ferromagnétique
estplacée
dans unchamp magnétique
extérieur notable devant lechamp
coercitif.35
Les substances
ferromagnétiques
seprésentent
en effet sousdes
aspects
très différents.Dans des
champs magnétiques
faibles,
del’ordre
dequel-ques gauss, se manifestent les
phénomènes
d’hystérèse.
J’in-diquerai
auchapitre
VI un mécanismepossible
pour ceux-ci.Maintenant,
à unetempérature
donnée,
si onaugmente
lechamp jusqu’à
dés valeurs deplusieurs
milliers de gauss, on tend vers une saturation donnée par la loid’approche
sui-vante(1) :
~
a est
indépendant
de latempérature :
on a affaire à unphénomène
cristallin : il y a, à l’intérieur d’un cristalélémen-taire,
deschamps
structuraux(2), équivalents
à deschamps
magnétiques
dequelques
centaines de gauss,qui
facilitent l’aimantation suivant tel ou tel axe du cristal. Pourdiriger
comptètement
l’aimantation,
il faut surmonter ceschamps
structuraux.Délibérément,
j’ai
laissé de côté cesphénomènes.
Je fais
simplement
remarquer que leurinterprétation
rentre,
naturellement,
dans le cadre des idéesexposées
plus
haut.En
effet,
d’après
meshypothèses
fondamentales,
les deuxcouples
deporteurs
figurés
ci-dessous :possèdent
la mêmeénergie
potentielle.
J’ai fait cettehypo-thèse,
justement
pour ne pas faireapparaître
despropriétés
différentes suivant les différentes directions du réseau. Il n’en
est certainement pas ainsi et l’introduction d’une différence
(1)
)
P.de-.Phys.,
,Ig~o, 9; 3~3. -
- _entre les deux
énergies
potentielles
introduit unchamp
struc-tural.
La
place
me manque pourdévelopper
cepoint
de vue,aussi
supposerai-je,
que l’onopère
suivant la direction defacile aimantation et
je
meproposerai simplement
de rendrecompte
de l’aimantationspontanée
(1).
§
27.
Energie
de désaimantation. - Enanticipant
sur lesrésultats du
chapitre
V,
l’énergie
àfournir,
parporteur,
à la substance pour ladésaimanter,
ou mieux
pour passer du zéro absolu à unetempérature plus grande
que8,
est :ceci pour un
champ
moléculaire à fluctuations. Dans le casd’un
champ
moléculaire sansfluctuations,
elle est(~) :
Donc,
par suite de lasuperposition
des deuxtypes
dechamp
moléculaire,
l’énergie
totale dedésaimantation,
parporteur,
est :Soit une substance
possédant
un nombrequelconque
devoisins. En
supposant
un instant quehm
n’existe pas,-y-
estreprésenté
en fonction de latempérature
par la courbe C dela
figure
5.Si
j’introduis
maintenant on a :(’)
Aimantationspontanée
et non pas aimantation rémanente.37
et la nouvelle valeur de la
susceptibilité ~’
est donnée enfonction de l’ancienne par la relation :
Il suffira de
garder
la courbe Cdéjà
tracée,
et dep~~endre
unnouvel axe des
températures,
O’T’,
tel que 00’ = n. Il coupel’asymptote
8F en6p, qui
est lepoint
de Curieparamagné-Fig.
5.tique
de lasubstance,
et,puisque
le coefficientangulaire
del’asymptote
estK c
, j’ai :
ce
qui
s’écritd’après (58)
et(5g) :
Le
point
de Curieparamagnétique
nedépend
que del’énergie
totale de désaimantation. On
peut
dire aussi quel’énergie
de