Courbes d'aimantation sous l'influence d'un champ alternatif et leur application à la détermination du champ coercitif des couches minces de fer et des couches superficielles

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Courbes d’aimantation sous l’influence d’un champ

alternatif et leur application à la détermination du

champ coercitif des couches minces de fer et des couches

superficielles

St. Procopiu

To cite this version:

COURBES D’AIMANTATION SOUS L’INFLUENCE D’UN CHAMP ALTERNATIF

ET

LEUR APPLICATION

A LA

DÉTERMINATION

DU

CHAMP COERCITIF DES COUCHES

MINCES

DE

FER

ET

DES COUCHES SUPERFICIELLES

Par ST. PROCOPIU.

Laboratoire d’Electricité. Université de

_lassy.

Sommaire. 2014 On a étudié les courbes d’aimantation de fils de fer et de couches minces de fer soumis à un _{champ magnétique} constant _auquel on _superpose un _champ alternatif _{d’amplitude} variable. On a expliqué et calculé les différentes branches de ces courbes : une branche

_{irréversible,}

un maximum et une

branche réversible.

On a _appliqué ces courbes d’aimantation à la détermination du champ coercitif de couches minces de

fer, déposées par électrolyse et _ayant des _épaisseurs de _plusieurs microns à 47 millimicrons; et à la

déter-mination de l’existence de couches _{superficielles} et de leur _champ coercitif.

1. Aimantation sous l’influence d’un

_champ

magnétique

alternatif de basse

_fréquences

Si l’on soumet une substance

_{ferromagnétique}

à l’action ° d’un

_{champ magnétique}

constant,

auquel

on _superpose un

_champ

alternatif de basse

_fréquence

et

_{d’amplitude}

croissant

_depuis

_zéro,

on _{constate que l’intensité}

d’ai-mantation de la

substance,

de la valeur initiale

Jo,

pour le

_champ

_Ho,

_augmente

d’abord avec

h,

_amplitude

du

champ

alternatif,

passe par un maximum

:lm,

puis

décroît et tend vers

_zéro,

_quand

h continue à

augmen-ter

_(1).

L’amplitude h,

qui

rend maximum

_{l’aimantation,}

est

égale

à la valeur du

_champ

coercitif normal de la

subs-tance,

à _{condition que le}

_champ

constant

_auquel

est soumise la substance soit de l’ordre de

_grandeur

de ce

champ

coercitif.

Si l’on fait décroître le

_champ

alternatif vers

zéro,

avant

_qu’il

ait

_produit

le

_maximum,

_(h

_IJe),

l’aiman-tation

_garde

la dernière valeur

_{obtenue ;}

mais si l’on diminue ce

_{champ, après}

le maximum d’aimantation

(h ~

HJ,

l’aimantation repasse par les mêmes valeurs

jusqu’au

maximum,

qu’elle

dépasse

un _peu,

_{puis garde}

cette nouvelle valeur

_{(J’"~ ~}

_Jm),

_quand

le

_champ

alternatif

_{diminue jusqu’à}

zéro.

Le but de ce travail est

_{d’expliquer}

les différentes

régions

de la courbe d’aimantation sous l’influence du

champ

alternatif,

et d’établir une relation entre

JO,

Ensuite,

je

cherche à

_appliquer

à la détermination du

_champ

coercitif des couches minces de fer une

méthode, basée

sur la mesure de

_{l’amplitude}

du

_champ

alternatif

_{qui produit}

le maximum d’aimantation de

ces couches.

_Enfin,

de la variation de l’aimantation maxima Jm à une valeur

_plus

_{grande on}

a cherché à tirer des

conclusions’sur

l’existence,

à la surface des substances

_{ferromagnétiques,}

d’une couche

superfi-cielle,

de

_propriétés

_{ferromagnétiques}

différentes. Les mesures d’aimantation étaient faites au

magnéto-mètre. comme dans un travail antérieur

_(2).

Lp

magné-NROCOPIO, J. _Phys. 1930, 1, p. :16b.

(2) St: PRocopm et :1. FLOMscc, J. _{Phlls. (1933), 4} p. 251.

tomètre était pourvu, en

_plus

de la bobine compensa-trice pour le courant

continu,

encore d’une bobine

compensatrice

pour le courant alternatif. Cette dernière bobine était

_{nécessaire, quand}

on

_employait

de

forts

courants alternatifs. En

_outre,

il était nécessaire d’être attentifs à la

_compensation

en courant

_continu,

_jusqu’à

la fin de

_{l’expérience,}

car, par suite de l’échauffement des

_bobines,

il

_pouvait

_{arriver que cette}

_compensation

varie de

_quelques

mm.

_Or,

la variation du maximum de l’aimantation

J’m

-

tfm,

sur

_laquelle

on basait

l’existen-ce d’une couche

_{superficielle}

sur le

_fer,

est

_justement

de cet ordre de

_grandeur.

2.

_Explication

des courbes d’aimantation en

champ

alternatif. -- Considérons les courbes de la

figure

1,

représentant

la variation de l’aimantation X

Fig.1

en mm, en fonction de

_{l’amplitude}

li du

(,ha rap

alterna-tif,

or

_{fréquence 50,}

pour un

faisceau

de 2 fil:; de fer de mm de diamètre

chacun.

Les deux courbes se

rapportent

aux

_-rharnps

constants

Ho

= 3 gauss _Pt

’

200

~ =1,5

gauss. On constate que pour

Ho

~ 3 gauss,

l’ai-mantation arrive à son maximum

_(Im

= 79

_mm)

_pour

l’amplitude h

~

H~

==

4,1

_{gauss. Si l’on réduit à zéro}

le

_champ

alternatif,

avant d’avoir

_produit

le

maximum,

l’aimantation

_garde

la dernière

_valeur;

par

suite,

cette

région

do

3mest

une

_région

irréversible d’aimantation en

champ

alternatif. Par

contre,

si le

_champ

alternatif est réduit à

_zéro,depuis

des valeurs

_{plus grandes}

_{que celles}

qui produisent

le maximum

_(h

>

l’aimantation repasse par ses valeurs

antérieures,

et pour zéro elle

prend

une valeur

J’m

plus grande

que xm. La

_{région J’}

Jm

:J’m est

une

_région

ré,.ersible d’aimantation en

_champ

alternatif.

Pour voir comment varie

_{J’m, lorsqu’on}

vient à zéro

depuis

diverses valeurs de

_{h, je}

donne le tableau sui-vant

Le tableau montre que la

valeur Jm

est

définitive,

85 mm,

depuis

h = 8 gauss.

Pour

_expliquer

l’aimantation irréversible

Jo Jm,

le maximum z, l’aimantation réversible et la varia-tion

_5’m

2013 ~

du

maximum,

j’aurai

recours aux deux

hypothèses

suivantes :

~° Par le

_champ

_alternatif,

le moment

_magnétique

des

_particules

élémentaires de la substance subit des

oscillations,

qui

sont des retournements

irréversibles,

si

_{l’amplitude}

du

_champ

est

_égale

au

_champ

coercitif de

la

_particule,

et des rotations réversibles si les

_particules

ont été

_déjà

retournées et le

_champ

alternatif a

_dépassé

la valeur du

_champ

coercitif de la

_{particule ;}

~° Une substance

_{ferromagnétique}

est constituée par des

_particules

élémentaires

_aimantées,

dont le

_champ

coercitif n’est pas le même _{pour toutes les}

_particules,

mais ce

_champ

coercitif

_peut

_prendre

toutes les valeurs

depuis

zéro à une valeur limite

_finie,

et

_peut-être

la

répartition

se fait autour d’une valeur

_{moyenne,d’après}

la formule de Maxwell.

A

_l’appui

de la

_{première hypothèse}

est le fait sui-vant : si l’on fait passer un courant _{alternatif par} un

fil de fer ou de

_nickel,

et autour du fil _{il y} a une

_petite

bobine de

_spires,

en relation avec un

_{amplificateur}

et un circuit

_{détecteur-galvanomètre,}

on constate au

gal-vanomètre une forte

déviation,

lorsque

le courant alternatif

_prend

une

valeur,

donnant dans le fil un

champ magnétique égal

au

_champ

coercitif du fil. La déviation est due aux inductions des

_particules

élémen-taires du

fil,

renversées par le

champ

alternatif

circulai-re, et ce renversement se fait à ce moment-là dans tous

les azimuths. C’est un effet circulaire

_Barkhausen,

_que

j’ai

observé en 1930

_{(’ ).}

Si on

_ajoute

un

_{champ magnétique}

_constant,

_parallèle

au

_{champ alternatif,}

les

_particules

aimantées de la substance

_{ferromagnétique,}

_{renversées par} ce

_{dernier, ,}

sont maintenues _{orientées par Je}

_champ

_continu,

et

l’orientation

_{persiste lorsque}

le

_champ

alternatif est réduit à zéro. On a la branche irréversible lao lfm de l’ai-mantation en

_champ

alternatif.

’

Afin de

_{comprendre pourquoi}

le

_champ

alternatif fait renverser les

_particules,

_{avant que} sa valeur

atteigne

le

_champ

coercitif

_{normal H,}

de la

substance,

il faut admettre la seconde

_hypothèse,

suivant

_laquelle

les

_particules

ont tous les

_champs

coercitifs

depuis

zéro à la valeur normale. J’ai

_déjà

admis _{que les}

_particules

n’ont pas toutes le même

champ

coercitif

(J.

Phys.,

i,

1930,

p.

368).

D’après

v. Auwers et Kühlewein

_(2),

certains faits d’aimantation demandent une

_répartition

de forme

_{maxwellienne,}

_{pour les}

_champs

coercitifs des

_particules.

Pour avoir une indication sur la

_répartition

des valeurs du

_champ

coercitif entre les différentes

parti-cules,

j’ai

fait des mesures, pour trois sortes de fils de

_fer,

du

_champ

coercitif et de sa variation

_lorsqu’on

fait varier le

_champ

_{magnétisant,}

et _{par suite} l’aiman-tation.

Dans le tableau suivant sont les données obtenues

avec un fil de fer de

0,25

mm de diamètre et ~Z~ cm de

longueur, ayant

un

_champ

coercitif normal

_He

== 2,9

gauss. Dans une

_première

colonne est le

_champ

magné-tisant

_H,

dans la deuxième l’aimantation J en mm, . l

1 t ,

1 à J .

t 1 t.

dans la troisième on a

calculé ,,

_qui

est la

suscepti-bilité

magnétique

différentielle,

et dans la dernière colonne on a inscrit le

_champ

coercitif

Hc

mesuré pour

chaque

valeur du

_{champ magnétisant.}

(1)

St PROCOPIU, J.

_Phys.

1930, i, p 308. L’effet circulaire des discontinuités _{d’aimantation, provoqué ici par} un courant alter-natif _{axial, peut} être obtenu aussi bien par la variation d’un courant continu axial; de cette dernière manière, il a été étudié

en _{1932 par BOZORTH et DILLLNGER} sous le nom d’effet transversal

Barkhausen, Phys liev. _{(1932), 4i,} p. 345.

Admettons que l’aimanlation àf

_proviendrait

dans sa

plus grande partie

du retournement irréversible des

particules

qui

possèdent

un

_champ

coercitif

_{plus petit}

L1J

que H. Dans ce cas, il y a

_{proportionnalité}

entre

6.11

et le nombre n de

_particules

_qui

_possèdent

un

_champ

A J

coercitif

_{plus petit}

_que

_{H (en}

réalité à

est

_{plus grand}

que n par suite du

phénomène

réversible).

D’après

le

r

tableau on constate

que 68

est le

_{plus grand, quand}

le

champ

H a une valeur de 3 _{gauss, c’est-à-dire} de l’or-dre de

_grandeur

du

_champ

coercitif de la substance. Si

ce

_rapport

_peut

être considéré comme

_{proportionnel}

à ~2, on _{voit que les nombres n de}

_{particules qui}

pos-sèdent des

_champs

coercitifs

He différents,

se

répar-tissent autour d’une _{moyenne, suivant} une courbe de la forme de

Maxwell,

limitée du côté de la valeur normale

He.

Appliquons

ces résultats à

_{l’explication}

d’une courbe d’aimantation en

_{champ alternatif:}

le

_champ

alter-natif

_{h, depuis}

la valeur zéro à la valeur h =

Il,

étant le

_champ

coercitif

limite,

produit

le renversement irréversible de toutes les

_particules

_ayant

un

_champ

coercitif

_{plus petit}

_{que cette valeur limite. Le}

_champ

continu maintient l’orientation irréversible de ces

par-ticules. On a la

_{branche Jo}

_{Jm. Quand}

arrive à une valeur

_égale

au

_champ

coercitif limite

H,,

le

_{plus grand}

nombre n de

_particules

sont renversées el on a le maxi-mum de l’aimantation en

_champ

alternatif. Si

l’ampli-tude h du

_champ

alternatif

_dépasse

le

_champ

coercitif

He,

les

_particules

sont mises en

_oscillation,

_phénomène

réversible,

et l’aimantation en est diminuée de à

_1’,

qui

tend vers zéro

_lorsque

la est très

_grand.

Si on di-minue à

_présent

_{l’amplitude h}

vers

_zéro,

l’aimantation

reprend

ses valeurs antérieures et sa valeur

_{maxima J,,;}

₅

on est sur la branche J’

_J,,,.

De

fait,

même sur la

_{branche Ja Jm}

_{il y} a des

phéno-mènes

_{réversibles,}

_{dès que}

_{l’amplitude}

fi

_dépasse

les valeurs du

_champ

coercitif

_{plus pelites}

_{que la valeur} limite

₁₁₀

et un

_petit

nombre de

_particules

_sont,

_par

suite,

soumises à des oscillations réversibles. Il en ré-sulte que le

maximum 3171

se trouve diminué d’une faible

aquantité, qui

sera

_reprise

seulement

_lorsqu’on

réduit le

_champ

alternatif à zéro. Aussi le

m,,tximum -Y,,

en

prend

une valeur

_{plus grande}

:J’111’

La différence

représente

le

_phénomène

réversible,

depuis

le

_champ

zéro

_jusqu’à

une valeur de

_{champ égale}

au

_champ

coercitif de la substance. °

Cette même différence

_pourrait

encore

_provenir

des

particules qui,

dans la substance

_{ferromagnétique,}

possèdent

un

_champ

coercitif

_plus

_grand

_{que celui} nor-mal de la substance.

Cette cause sera

_prise

en considération lors de la discussion des

_expériences

sur les couches minces de fer et sur les couches

_{superficielles.}

Enfin,

une dernière

.

cause

_pourrait

être la non

_{pénétration}

du

_champ

alter-natif à l’intérieur du fil. C’est l’effet de « _peau o. Pour

les basses

_fréquences,

cette cause est

_pratiquement

négligeable (1).

_

3. Courbes d’aimantation en

_champ

alternatif

de haute

_{fréquence. -}

Les courbes d’aimantation d’un fil de

_fer,

soumis à un

_{champ magnétique}

cons: tant

_auquel

on _superpose un

_champ

alternatif de haute

fréquence

et

_{d’amplitude}

variable,

ressemblent aux

courbes tracées en basse

_fréquence,

avec la différence que le maximum d’aimantation est moins

_aigu

et

_qu’il

s’étale en

_palier,

d’autant

_plus

étendu et

_plus

_{bas que} la

_fréquence

est

_plus

haute.

Dans la

_{figure 2}

sont

_{représentées}

les courbes d’ai-mantation d’un fil de fer de

_0,25

mm diamètre

₍₂₄

cm

de

_longueur)

et de

_champ

coercitif

/Je == 2,9

gauss, soumis à un

_{champ constant Ho ==2,R}

_{gauss et à} un

champ

alternatif variant de zéro à 40 gauss environ.

Fi g. 2.

Les courbes se

_rapportent

à la

_fréquence

50 et aux

fréquences

3.tO~

_{(-,~-10000m),}

7 .,,1.10~

_{CA == 4}

_000m),

1~.10~

_(1,-

_ 1 200

_m),

50.10~

_(A

~ 600

_m~.

L’aimanta-tion maxima

!J’¡n

est la

_même,

52 mm, pour toutes les

fréquences,

si on revient à zéro

_depuis

une

_amplitude

lz de 4 gauss pour la

fréquence

50,

depuis

16 gauss pour la

_fréquence

3.104,

et

_depuis

25 gauss pour la

fréquence

25.101. Pour des

_{fréquences plus grandes, l’amplitude}

de 40 gauss que

pouvait

donner mon oscillateur n’était pas suffisante pour faire arriver l’aimantation à la même valeur de 52 mm.

Ici intervient comme

_explication

l’effet de « _peau »

du

_champ

alternatif de haute

fréquence.

Le

_champ

coercitif de la substance reste le même pour les hautes

fréquences,

mais,

le

champ

alternatif de haute

_{fréquence pénétrant plus}

difficilement à l’inté-rieur du

_fil,

on doit faire intervenir un

_champ

coercitif

apparent

lié au

_champ

normal

Il,

_par une relation que

j’ai

déduite antérieurement

_{(2)_:}

dans

_laquelle

rc est _{le rayon du}

_fil,

_u sa

_{perméabilité,}

(’) Yoir J. Les oscillations

_{électromagnétique.,.}

Gautliier-Yillars _{(1908), 1,} p. t 97.

202

o la conductibilité

_électrique

et

f

la

_fréquence

du

_champ.

On a _{trouvé pour}

_H’E

des valeurs

9,~

et 21 gauss pour les

_fréquences

:1.101 et 2~.10’

_(voir

_fig.

G,

p. 257 de l’article

_cité),

_{alors que les valeurs} de h

_qui

_apportent

ici l’aimantation maxima sont 16 et _{725 gauss, pour} ces mêmes

_fréquences.

Par suite, les courbes d’aimantation en

_champ

alter-natif de haute

_{fréquence n’apportent}

de nouveau _que

la considération du

_champ

coercitif

_apparent,

dû à l’effet de « _peau ».

4. Calcul des courbes d*aimantation en

_champ

alternatif

_(’1).

- Considérons _un fil de fer soumis _au

çhamp

constant

_No,

_pour

_lequel

il

_prend

l’aimantation

on _{lui superpose} un

_champ

alternatif

_{d’amplitude}

1t

=

H,,

l’aimantation devient

Jm.

Pour une variation dh autour de cette

valeur,

l’aimantation diminue de dài. Si l’on pose la

propoitionnalité

entre la variation d-1 et la différence et l’aimantation

_C,

on aura

Cette relation

₍₁₎

_représente

la

_{susceptibilité}

magné-tique

différentielle en

_champ

p alternatif

§ 1

_dh

_qui

est pro-p

portionnelle

au nombre de

_{particules qui}

s’introduisent par l’action du

champ

alternatif,

quand

l’amplitude

h est entre 0 et ou bien au nombre de

_{particules qui}

sont éliminées de

_{l’aimantation, quand /i}

est

_{plus grand}

que

//c

Le nombre de

particules

intéressées dans l’ai-mantation alternative

est,

par

suite,

proportionnel

à

l’énergie magnétique

alternative f(J

_(~h-H~).

Evidemment,

la constante Kde

_{proportionnalité}

aura

les dimensions de l’inverse d’une

_énergie.

En

_séparant

les variables en

₍₁₎

et en

_intégrant

entre

II,

et

h,

:Jm

et

3,

on aura

-Pour déterminer la constante

_7~

_multiplions

les deux

membres

de

₍₂₎

_{par dh et}

_intégrons

de 0 à x . On a

Le

_premier

membre

_{représente l’énergie magnétique}

moyenne en

_{champ alternatif, qui}

n’est _pas

_nulle,

_par

suite des

_phénomènes

irréversibles d’aimantation. Dans le _{second membre il y} a un facteur constant

iy,,;

l’autre facteur devra être le

_{champ magnétique}

cons-tant

_Ho,

le

_champ

alternatif

_n’ajoutant

rien à cette

valeur,

qui

reste la moyenne. Nous _pouvons donc écrire : --d’où on tire : (1) C. R. 1993, 196, p .. et la relation

₍₂₎

devient :

Elle

_représente

_{F équation}

de l’aimantation en

champ

alternatif.

Si on fait Il - U dans cette

relation , é’

devient Jo

donné

par ~~

-Avec les relations

la

==

li,

_I

_{et ji}

‘ 1

+

p/

=== 1

+ 4.7t"’J,.’,

la relation

₍₇₎

devient :

qui

nous donne la

_{perméabilité}

idéale

_[1/

d’une courbe

idéale d’aimantation

_(courbe

de

_Maurain,

ou de Stein-haus et

_Gumlich)

en fonction du

_chalnp

_magnétique

H, lorsqu’on

connaît la

_{perméabilité ordinaire}

et le

champ

coercitif

He

de la substance.

Les formules

₍₆₎

et

_{(7) peuvent}

être soumises au

con-trôle

_{expérimental.}

Les courbes de la

_figure

3 se

_rapportent

à l’ainan-tation d’un même fil de fer de

_0,25

mm de diamètre et 24 cm de

_longueur,

de

_champ

coercitif

_H~

-

_2,8

_gauss,

et soumis aux

_champs

constants

Ho

V

~1,~;

2,8;

5,6

et

1.1 _gauss,

_auxquels

on a

_superposé

un

_champ

alternatif

d’amplitude

h variant de zéro à 40 _{gauss. Avec} les données de ces courbes on

_peut

faire le tableau sui-vant :

Il résulte de ce tableau que l’accord entre

_{l’expérience}

et le calcul _{par la relation}

₍₇₎

est

_{satisfaisant,}

_{pour les}

champs

constants

Ho

de

2,8

à 14 _gauss, mais cet accord n’est pas bon pour des

champs

constants

trop

petits

par

rapport

au

_champ

coercitif de la substance. Des

expériences

effectuées sur des couches minces de fer ont _{conduit à des remarques}

_{analogues :}

le

_rapport

2013

calculé pour des

cham p s

//0,

trop

faibles en

_regard

0

du

_champ

est énorme

_comparé

au même

_rapport

donné par

l’expérience.

Le

_désaccord,

_{pour les}

_champs

_{Ho faibles, pourrait}

tenir au _{fait que le}

_champ

coercitif

_He,

_qui

doit entrer dans la

formule,

est celui trouvé sur les courbes d’ai-mantation de la valeur de

_{l’amplitude}

h du

_champ

alter-natif

_qui

fait le maximum de l’aimantation.

_Or,

cette

aux

phénomènes

réversibles

qui

interyiennel1t pour les

aimantations aux

_champs

_Ho

_{faibles ;}

de ce fait les

rela-tions(3)

et

₍₁₎

doivent Ptre

_corrigées

par un terme additif.

Fig. 3.

Application

à l’étude du

_champ

coercitif

des couches

mincf

s de fer et

des

cou-ches

_{superficielles.}

5.

_{Propriétés magnétiques}

des couches minces de substances

_{ferromagnétiques. -}

Les couches minces de

fer,

_déposées

_{électrolytiquement,}

ont été étudiées du

_point

de vue des

_courbes

_{d’aimantation,}

de la

_rémanence,

de la variation du

_champ

coercitif et des actions de

_contact,

_{pour la}

_première

_{fois par}

_Maurain(c)

en 1901. Ce

physicien

a _{trouvé que le}

_champ

_coercitif,

de la valeur 20 gauss pour des couches

épaisses,

aug-mente

_brusquement

lorsque l’épaisseur

descend

au-dessous de 80 m u. =10-’

_cm).

Les

_épaisseurs

de 80 _{pour le fer et de 200 pour le nickel seraient} des valeurs

_critique.

On avait d’ailleurs trouvé

égale-ment une valeur

_critiques

_pour conductibilité

élec-trique

des couches minces. Pour les couches

électroly-tiques d’argent

cette valeur

_critique

serait de l’ordre de 50 ln

_d’après

Vincent

_(2).

Les valours

_critiques

du

_champ

coercitif des couches minces de

fer,

nickel,

cobalt,

ont ensuite été étudiées par Sorensen

(~),

avec des _{couches obtenues par}

poration,

et trouvées être de 55 _{pour le cobalt} et

200 _{fi ;J. pour le nickel. A} ces

_{épaisseurs critiques}

le

champ

coercitif saute de la valeur de 45 à 100 gauss (~) > J. _Phys., 1901, 10, p. 123; 1902, 1, p. 90 et

Discussion de ces _expériences en _rapport avec le champ molé-culaire : P. _WEI-1,S, Ann. de _{Phys., 1914, 1,} p. 134.

(2) G. J. _Phys., 1900, 9, p 78. Plus récemment voir L. HAMBURGER Ann. Physik., 1931, 10, p. 7S0; A. FÉRY, Ann. de

Phys.

(10), 1933,19, p. 421.

(3) A J SORE;SEN, Phys. Rev., 24, p. 6’)8. Voir encore

R. L.

_EDWARDS,

_{Phys. f 921,} 29, p. 321.

brusquement.

Tyndall

i 1 a, on

_{i>>preiianl 1>s}

_expériences

sur les couches minces de fer

_déposées

électrolytique-ment,

trouve _{que lf’}

_champ

coercitif de ces couchés

augmente

d’une manière continue

_quand

leur

_épaisseurs

diminue,

sans indication de l’existence d’une valeur

critique.

Le

_champ

coercitif était

_toujours

déterlniné,

en

_traçant

un

_cycle

_{d’aimantation pour des}

_champs

allant

_jusqu’à

une _{centaine de gauss}

_et,

en suivant l’ai-mantation au

_{magnétomètre}

ou au

_balistique.

Mais les

mesures sont _{difficiles parce que les aimantations des}

couches ininces sont faibles. Aussi les données

expé-rÎlnentales ne _{conduisent pas à des conclusions}

_nettes,

~t les courbes de la variation de

H,

en fonction de

l’épaisseur 3

sont _{obtenues par des moyennes.} C’est ce

qui

ln’a fait

_reprendre

la détermination du

_champ

coercitif des couches minces cle

fer,

par une autre

méthode tirée de l’étude des courbes

d’aimantation

en

_champ

alternatif.

6. Méthode de mesure du

_champ

coercitif par

l’amplitude

du

_champ

alternatif

_qui

donne le maximum de l’aimantation. - Le

_champ

coercitif

peut

être déterminé par les trois méthodes suivantes : 11 par le tracé d’un

cycle statique

d’aimantation;

c’est la méthode

_habituelle;

_{2° par la courbe de}

_première

.

t t. l ’ t .

t 1 .

d Ai .

aimantation,

en déterminant le maximum de

qui

paraît correspondre

à une valeur de

_{H égale}

à

_Il,.

_{3° par} la détermination de

_{l’amplitude}

du

_champ

alternatif,

qui ajouté

à un

_{champ magnétique}

_constant,

_produit

le maximum de l’aimantation de la substance

ferro-magnétique,

Cette méthode est

_plus

_{sensible que celle}

des

_cycles

_{d’aimantation,}

_{car, par la}

_{superposition}

d’un

champ

alternatif à un

_champ

_constant,

l’ailnantation

augmente,

et les déterminations en sont

_plus

aisées. Le

_déplacement

du

_champ

coercitif vers lets

_grandes’

valeurs,

quand l’épaisseur

des couches de fer

diminue,

est bien

_plus

net et

_{plus régulier}

_{que dans les}

expé-riences de

Sorensen, Edwards,

Tyndall.

Le contrôle de cette dernière méthode : on a des couches minces de

_fer,

_{d’épaisseur}

_{ô (mesurée}

ii,

rny, par sur des tubes de laiton

₍₂₄

cm de 1«1>

gueur et 1 cm de

_diamètre)

et on a déterminé le

_champ

coercitif un

_cycle

d’aimantation

_{jusqu’à 114}

gauss

(1 re

méthode),

est _{ensuite par l’aimantation} en

_champ

alternatif, superposé

à un

_champ

constant

H,,,

d’(l

l’amplitude

qui produit

le maximum

_(2~

méthode). Le tableau suivant

_{(p. 20i)}

_permet

la

_comparaison.

On voit

_d’après

ce _{tableau que la méthode de} l’aiman-tation en

_champ

alternatif

_permet

une bonne détermi-nation du

_champ

_coercitif,

_{à condition que le}

_champ

constant

~lo

soit de l’ordre (le

_grandeur

de

~1~,

Le

_{dépôt électroly tique}

des couches minces de fer se fait sur des tubes de laiton de 24 cm de

_longueur

et

1 cm de diamètre. Le tube de laiton est

_cathode,

et

l’anode est

_{un cylindre concentrique}

de tôle de

fer,

bien (1) E. P. T, _{TYNDALL, Rel’., H}21, 30, p. 6~ 1. Voir} encore

204

décapé

et séché avant

_chaque

_expérience.

La solution contient 25 _{g oxalate double de fer et}

_{d’ammonium,}

20 g

oxalate

_{cl’ammonium,}

et un litre d’eau. Le

_dépôt

est fait avec

_0,4

_ampère,

ce

_qui

donne 5

_{milliampères}

par cm2 de cathode.

La couche de

fer,

calculée par la loi de

Faraday

(avec

7,85

pour la densité du

fer)

ne

_correspond

_{pas à la}

valeur trouvée par la

pesée

(qui

est _{d’environ 47 pour} 100 de celle

_calculée),

_parce

_qu’une

_partie

du fer

dé-posé

passe en solution. D’autres

_expériences

m’ont

montré _que le

_rapport

entre la

_{quantité déposée}

et celle calculée reste le même

_quel

_{que soit le}

_temps

_que dure

l’électrolyse.

Mais,

lorsqu’on

retire la cathode du

bain,

il faut

_qu’on

la sèche

_{immédiatement,}

autrement la couche de

_{liquide qui}

adhère à la

_cathode,

et

_qui

pro-bablement contient une couche

_{d’hydrogène}

en état de

remplacer

le

_fer,

continue à dissoudre celui-ci. Si on

oublie la cathode non séchée et si la couche de fer est

assez

_mince,

le

_dépôt

de fer

_{disparaît complètement}

après

quelque

temps.

Une fois la couche de fer

_déposée,

au bout de 30

heures

elle est soumise aux mesures au

_{magnétomètre.}

Les mesures étaient

_toujours

faites

_après

minuit. 7. Résultats

_{expérimentaux :}

le

_champ

coerci-tif

_{augmente continuellement,}

_quand

_{l’épaisseur}

de la couche diminue. - On a mesuré le

_champ

coercitif de couches de

fer,

depuis l’épaisseur

de 3~

microns,

pour

laquelle

H~

= 20 gauss,

_jusqu’à

47

milli-microns,

pour

laquelle

H, - 143

gauss. Dans la

figure

on a

_représenté

les courbes d’aimantation en

_champ

alternatif

_(superposé

au

_champ

constant

Ho

==23 gauss, pour deux couches de fer

seulement,

de 100 mlJ, et de 49 mNd. On voit que le maximum de l’aimantation se détermine encore nettement.

Evidemment,

pour des couches de l’ordre du micron les courbes sont bien

plus

commodes,

car les déviations au

_{magnétomètre}

sont de l’ordre des centaines de mm.

Une série de mesures,

particulièrement

soignée,

a donné les valeurs suivantes pour le

champ

coercitif

ff,

de couches de fer

_{d’épaisseur}

_a,

_{déterminées par la}

pesée :

Les couches

_{d’épaisseur}

_{au-dessous de 47 mp.} étaient difficiles à

utiliser,

parce

qu’elles

donnaient des induc-tions

_trop

faibles. Pour

_augmenter

la

_quantité

de

ma-tière,

on

_{pourrait employer plusieurs}

tubes de laiton

concentriques

et avec une couche de fer de même

épais-seur. On

_pourrait

de cette manière descendre au-des-sous de 40 _mp. Il faudrait encore _que le

_champ

cons-tant

_Ho

soit

_{plus grand,}

mais alors la

_compensation

au

magnétomètre

est

_plus

difficile à _{maintenir par suite} de l’échauffement des bobines.

Fig, 4.

Par les données

ci-dessus,

on

_peut

faire

_passer

une

a

courbe

_empirique

de la forme

_H,

= Et on a calculé de cette

_façon

la courbe :

valable entre 47 m~ et 1550 fi [1.. Cette courbe est

in-diquée

dans la

_figure

_5,

où on a

_{pris l’épaisseur a}

en

Fig. J.

abscisse elle

_champ

coercitif He en

ordonnée. Cette for-mule

_empirique

montre _que

_8.

est

_{négatif (égal}

à

_11,7),

par suite il

n’y

a _{pas de valeur}

_critique,

ou

_quelque

discontinuité,

jusqu’à l’épaisseur

de 47 m y. Ce résultat est en accord avec celui de

_Tyndall.

l’épaisseur

a,

on admet

_{généralement}

_{que le}

champ

coercitif des couches minces de fer est

_{plus grand}

_que celui du métal

_massif,

par suite de tensions survenues

à leur

_dépôt

par

l’électrolyse(1).

Et on a admis

_qu’il

_y a

proportionnalité

entre

H,

et les tensions intérieures

_(2).

Mais il est

_possible

_qu’il

intervienne encore une

autre cause, les

propriétés spéciales

des

couches minces dues à

_{l’énergie superficielle}

et à

_{l’absorption}

de _gaz des couches

_{superficielles.}

Si les

_propriétés

superfi-cielles d’une couche mince

_peuvent

être mises en cause,

elles doivent

_persister

sur un métal massif.

Aussi,

_plus

bas,

je

me _{propose de prouver l’existence de couches}

superficielles

à la surface des _corps

_massifs,

et

_ayant

un

champ

coercitif de l’ordre de celui des couches minces. Couches

superficielles

de fer. -a Considérons _un

fil de fer

_{qui possède}

à sa surface une couche

superfi-cielle de

_champ

coercitif

_{plus grand}

_que celui de l’in-térieur. Soumettons le fil de fer à un

_champ

_constant,

auquel

on _superpose un

_champ

_alternatif,

_{d’amplitude}

croissante

_depuis

zéro. _{L’aimantation passe par} un maximum

_5m,

pour une

_{amplitude h}

.-

R,.

A cette

valeur

_Jm,

les

_particules

de la couche

_{superficielle}

n’ont pas

pris part.

Si on

_augmente

encore le

_champ

alter-natif à des

valeurs hi

et

h2,

qui comprennent

entre elles le

_champ

coercitif de la couche

_{superficielle}

consi-dérée,

lorsqu’elles

sont ensuite réduites à

zéro,

l’aiman-tation

_reprend

des valeurs

_{plus grandes}

La différence entre ces valeurs

_représente

approximative-ment l’aimantation due à la couche

_{superficielle.}

Si le métal a

_{l’épaisseur d,}

la couche

_{superficielle}

aura une

épaisseur

0,

donnée par :

pour un

_champ

coercitif entre

hi

et

_h2.

Le raisonnement est

_juste,

à condition _que

l’augmen-tation

de Jm

soit due à la couche

_{superficielle}

et non pas à la dissémination dans la masse _{du métal de}

par-ticules,

ayant

un

_champ

coercitif

_{plus grand}

_que celui normal de la substance. Je donnerai deux preuves que

l’augmentation

de l’aimantation maxima Jm est due à l’existence d’une couche

_{superficielle,}

de

_champ

coercitif

plus grand:

1 0 la difféfence être

_anéantie,

si on

_dépose

une couche

_{électrolytique}

mince de cuivre

sur l~, couche

_{plus épaisse}

de

_fer;

2° la différance diminue ou

_disparaît

si on étudie une couche

_épaisse

de fer dans le vide.

Les

_quatre

_expériences

suivantes nous montrent

comment se

_présente

le

_phénomène.

Expériences. -

1° Couche

_{électrolytique}

de fer

d’épaisseur d -

250 m p., et de

He ==

42 gauss. Pour

Ho = ~3

gauss, et en

_champ

alternatif h on obtient :

(1) Mc KEEHAN,

_Phys.

Rev. (2) i 925, 26, p. 274. TYNDALL, loc. cit.

~1) R. BECKER, Physik. Z. 1932, 33, p. 912. ELLENBAAS 10C. cit.

Par

suite,

une couche

_{superficielle,}

possède

un

_champ

coercitif entre 84 et

_210,

ou en

moyenne 150 gauss. Alors que les mesures directes sur des couches

_{minces, rapportées plus}

_haut,

nous ont

donné

He ==

143 gauss

pour 8

= 47 millimicrons.

2°

_{Coucheélectrolytique}

de

_{fer d’épaisseurd= 500 mp..}

Quatorze

jours après

la

formation,

on a

_{//c =}

_{48 gauss.}

En

_{champ alternatif, (avec}

_Ho

‘ 23

_gauss)

on trouve

Par

_suite,

une couche

_{superficielle,}

possède

un

_champ

coercitif entre 210 et

630,

ou en

moyenne 400 gauss.

3° Couche de fer

_{d’épaisseur d =}

_{4000 mu. et} 17 _{gauss. En}

_champ

_alternatif,

on trouve :

Il y a une couche

_{superficielle,}

dont le

_champ

coercitif est de _{l’ordre moyen de} 123 _gauss.

Plongeons pour 5 secondes,

le tube avec la couche de

_fer,

dans une solution Sans

_{électrolyse,}

le

cuivre de la

solution

_remplace

une certaine

_épaisseur

de

la couche

_{super ficielle}

de On trouve que

He

reste le

_même,

_{I~~ =17}

_gauss.

L’aimantation en

_champ

alternatif donne

Par suite le cuivre a

_remplacé

le fer _pour une

épais-seur B _{donnée pour 8}

--c’est-à-dire pour une

_{épaisseur plus}

_grande

_{que celle}

de 128 m ~

qui

était la couche

superficielle

de

_champ

coercitif 125 gauss. Cette couche

_{superficielle}

dispa-raissant,

la variation d’aimantation

3Jn,,

s’y

rappor-tant,

a

_disparu

aussi. C’est une

_première

_{preuve de} l’existence des couches

_{superficielles.}

4° Couche

_{électrolytique}

de 2000 mp.. En

champ

alternatif,

on a si

206

m tj.

possède

un

_champ

coercitif d’environ 250 _gauss.

Le tube de laiton avec cette couche

_{électrolytique}

de

fer

est dans lUi de _verre, dans

lequel

on

lait

un vide de

0,1

mm de mercure,

pendant

une

journée.

Ensuite on fait les mesures d’aimantation en

champ

alternatif. On

trouve,

dans le

_vide,

dans les mêmes conditions _que

_plus

haut,

si Ia v arie , de 200 à 300 gauss et à

zéro, ~~ y = 0, ~

mm, au lieu de la

diffé-rence

_précédente

de

2,5

mm. l’ar

_site,

la couche

superficielle

influencée _{par l’air} est

_{d’épaisseurs}

Le vide a une influence sur la couche

_{superficielle}

du fer. C’est une _{seconde preuve de l’existence d’une}

telle couche

_{superficielle.}

Observations. - Les couches

_{superficielles}

existant

sur un fil de fer ne

_peuvent

être mises en évidence par cette

méthode,

mais seulement les couches

superfi-cielles des couches

minces,

ne

_dépassant

_pas

_quelques

microns. En

_effet,

si la substance

_{ferromagnétique}

est un fil de rayon r, l’aimantation étant

proportionnelle

à

la

_quantité

de substance

intéressée,

elle sera

propor-tionnelle aussi à la section du

fil,

c’est-à-dire à î~-1. Toute variation due à la couche

_{superficielle, apportera}

une variation de l’aimantation donnée par

Pour un fil de fer, de rayon ~~

_{--- 0, 1 ~2.5}

_mm,

_qui

nous

a donné

vm

= 85 mm

_(voir

_paragr.

_2),

une _couche

super-ficielle _{8 = 100 m u.} ou d/’ =

_0,0001

_{mm va}

_produire

une variation de

_{l’aimantation,}

au

_{magnétomètre}

c’est-à-dire tout à fait

_{inappréciable}

car

_je

ne

_pouvais

apprécier,

au

_{magnétomètre,}

moins d’un

demi.milli-mètre.

En somme, ces

_quatre

séries

_{d’expériences}

ont

con-duit aux conclusions suivantes :

_I)

il existe sur le fer

une couche

_{superficielle,}

de

_{propriétés magnétiques}

différentes,

qui peut

être influencée _par l’air ou _par un

dépôt

de

cuivre ;

et

_II)

cette couche

_{superficielle,}

_pour

une

_épaisseur

considérée de l’ordre de 20 m p. doit

pos-séder un

_champ

coercitif de l’ordre de fi00 gauss.

9.

_Importance

d’une couche

_{superficielle. -}

La couche

_{superficielle}

sur le fer

_possède

un

_champ

coer-citif d’autant

_plus

_grand

_que son

_épaisseur

considérée est

_plus

faible. D’autres

_{propriétés magnétiques}

varie-ront d’une manière

_analogue.

Le

_champ

coercitif et la

perméabilité magnétique

varient d’ordinaire à l’inverse l’un de l’autre. Par suite, les couches minces de fer doivent avoir une

_{perméabilité}

d’autant

_plus

_petite

que

l’épaisseur

est

plus

faible. Et en outre, les couches

superficielles

sur le

fer,

doivent avoir une

_{perméabilité}

d’autant

_plus

_petite

que celte couche

superficielle

con-sidérée est

_{plus petite.}

Or,

l’existence d’une couche

superficielle,

de

_{perméabilité}

_magnétique

tendant vers

l’unité,

a été _{admise par Max vVien}

_(’)

et R.

_Michels,

pour

interpréter

les

_expériences

de

_{perméabiliié}

du fer

aux hautes

_fréquences,

en accord avec une théorie de

Fôrsterling.

L’existence d’une couche

_{superficielle}

a

été mise en cause aussi dans la conductibilité

élec-trique (2).

On _{voit par suite}

_{l’importance}

de l’étude _des

pro-priétés magnétiques

des couches minces et des couches

superficielles.

Des mesures sont en cours en ce Labo-ratoire _pour d’autres

_propriétés

_{que le}

_champ

coercitif des couches minces.

10. Conclusions. - ~.° La courbe d’aiinanlation d’une substance

_{ferromagnétique,}

soumise à un

_champ

constant,

en fonction de

_{l’amplitude}

variable d’un

champ

alternatif

_superposé

au

_champ

_constant,

pré-sente une

_{première partie}

ascendante

irréversible,

passe par un

_maximum,

_pour une

_{ainpliludc égale}

au

champ

coercitif de la

substance,

et ensuite

présente

une

_partie

descendante réversible.

2° Entre l’aimantation

_initiale,

l’aimantation

maxima,

le

_champ

coercitif et

_{l’amplitude}

du

_champ

alternatif il y a les relations

_(G)

et

_(7).

3~~ L’aimantation en

_champ

alternatif a servi comme méthode pour la détermination du

_champ

coercitif des couches minces de

fer,

déposées électrolytiquement.

Depuis plusieurs

microns

_jusqu’à

41

millimicrons,

le

champ

coercitif

_augmente

continuellement,

sans

pré-senter une valeur

_critique

de variation

_brusque.

4° La variation de l’aimantation maxima en

_champ

alternatif a servi à prouver l’existence de couches

su-perficielles,

de

_champ

coercitif

_{plus grand}

_que celui du métal massif

₍₄₀₀

_{gauss pour} une couche considérée de 20

_{111illimierons).}

Ces couches

_{superficielles}

_peuvent

être influencées _par un

_dépôt

de

_cuivre,

ou _par l’air.

Pendant ces mesures _{et pour le}

_dépôt

des couches

minces,

j’ai

été _{aidé par 11.}

Flores u,

assistant au Laboratoire d’Electricité, que

je

tiens à remercier.

>

Ann. _{1931, 8, p. 899. R. MICHELS,} Aiin.

Physik,

1931, 8, p. 811 ; K. FÜRSTERLING, Anii.

Physik

(1913), 72,

p. 30.

LENNAN internat. rlectricilé, Paris 19~,-2, 2, p. Î 13)

a lrouvf que la résistance critique des _{supraconducteurs} diminue

pour les grandes fréquences, et SIEGER _Phys. Rev., 193~’, 44, p. 3U2