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Submitted on 1 Jan 1924
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Influence du champ magnétique sur les constantes diélectriques des cristaux liquides
M. Jezewski
To cite this version:
M. Jezewski. Influence du champ magnétique sur les constantes diélectriques des cristaux liquides. J.
Phys. Radium, 1924, 5 (2), pp.59-64. �10.1051/jphysrad:019240050205900�. �jpa-00205135�
INFLUENCE DU CHAMP MAGNÉTIQUE SUR LES CONSTANTES DIÉLECTRIQUES
DES CRISTAUX LIQUIDES (1.
par M. JEZEWSKI
Laboratoire de Physique de l’Université de Cracovie.
1. Historique. -- On a essaye de constater à diverses reprises 1"influeiice du champ magnétique sur les constantes diélectriques des solides et des liquides, mais sans résul-
tat. (~) Les expériences entreprises par divers savants démontrèrent que les constantes dié-
t(-ctriques du verre, de la paraffine, du soufre, de l’ébonite, du sulfure de carbone et de
quelques liquides organiques ne sont pas modifiées lorsque nous exposons ces substances à l’action d’un champ magnétique intense. En 190 i, MM. Cotton et Mouton découvrirent la
biréfringence magnétique des liquides purs (1). Ce phénomène conduit à considérer comme
possible l’influence d’un champ magnétique sur les constantes diélectriques des liquides.
Cotton et Mouton expliquent la biréfringence magnétique en admettant que les molé- cules des liquides soient anisotropes. Comme les axes des [molécules sont orientés dans toutes les directions de l’espace, cette anisotropie ne produit point d’effet sensible; un champ magnétique, au contraire, détermine une orientation des molécules et le liquide
devient anisotrope.
Langevin et Born se seryirent de Fhypothèse de l’anisotropie des molécules clans leurs rechercllea théoriques; le premier admit que la symétrie des molécules est celle d’un
ellipsoïde de révolution(’), le deuxième développa (J) une idée de M. Debyre d’après laquelle chaque molécule contiendrait un doublet électrique inyariable C’).
Dans ion liquide qui se trouve dans un champ magnétique, une seule direction de
l’espace est priyilégiée entre toutes, c’est celle des lignes de force du champ. Toutes les
autres directions sont équivalentes, c’est pourquoi le liquide prend les propriétés d’un cris-
tal uniaxe. Les indices de réfraction des cristaux uniaxes sont différents pour les ondes
polarisées parallèlement et pour celles polarisées perpendiculairement à l’axe. Suivant la
théorie de Maxwell l’indice de réfraction n et la constante diélectrique s sont liés par
l’équation
On sait toutefois que cette formule n’est yraie que pour le soufre arthorhombique(’).
Dans les cristaux uniaxes, les constantes diélectriques ~1 (parallèlement à l’axe optique) et
22 (perpendiculairement à l’axe) ont en général, des valeurs différentes l’une de l’autre le
rapport l - S2 étant quelquefois plus grand que le 2 nf2
(8) .
Et n2
Les liquides placés dans un champ magnétique ont les propriétés optiques des cristaux uniaxes. Puisque la différence n22
-est très petite, nous pouvons nous attendre à ce
que la différence cri
--S2 aussi soit très petite.
Les liquides étudiés par 0. Lehmann et appelés « cristaux liquides » acquièrent aussi, (l j Extrait du Bulletin de l’Académie Polonaise des Sciences el des Lettres, juillet 1923.
(2) SCHRODUGER. -Dielektrizi[at. llandbuch der Elektri:;itÜI und des Jlagnelisrnus, herausgeg. von L. Graetz,
Band 1, p. 22G.
(3) Biréfrin,-ence magnétique des liquides purs. Les progrès de la Physique J1foléculaire. Paris, Gauthier-Villars, (1914), p. 12-~.
(4) Le Radium, t. 9 (1910), p. 249.
(5) BoRx, Annalen der t. 55 (~1915), p. 2LL
(f5) DEBYE. Physikalische Zeilscitrift, t. 13 (1912), p. 9 i..
,(7) SCHRODIXGER. Loc. cit., p. 194.
(8) SCIIROI)INGEII. Loc. cil., p. 195.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019240050205900
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dans un champ magnétique, les propriétés optiques des cristaux uniaxes, ils deviennent biré-
fringents et leur biréfringence dépasse souven celle des cristaux solides les plus biréfrin- gents (’). En l’absence d’un champ magnétique, ces liquides sont isotropes à l’égard d’un champ électrique; pour les ondes lumineuses, ils se divisent en zones anisotropes d’orienta-
tions différentes dont les dimensions sont de l’ordre de c’est pourquoi ces liquides
sont troubles. Les zones anisotropes consistent probablement en des agrégations de molé-
cules dont les axes sont orientés parallèlement entre eux. La différence des liquides ordi-
naires et des cristaux liquides est donc la suivante : dans les liquides ordinaires, les zones
d’orientations différentes se composent d’une ou de quelques molécules, les dimensions de
ces zones sont quelques centaines de fois plus petites que la longueur d’une onde lumineuse.
Dans les cristaux liquides, les dimensions des zones sont colnparables à la longueur d’une
onde lulnineuse. Dans le champ magnétique, ces zones s’orientent de telle manière que leurs
axes optiques deviennent parallèles aux lignes de force; le liquide se comporte ainsi
comme un cristal unique homogène dont l’axe optique serait parallèle au champ. Puisque
la différence des indices de réfraction (de l’indice ordinaire et de l’indice extraordinaire)
atteint 0,3 à 0,4 pour les cristaux liquides nous pouvons espérer que leur anisotropie élec- trique sera nette.
J’ai entrepris des expériences pour répondre à la question suivante : les liquides biré- fringeiits, exposés à l’action d’un champ magnétique, deviennent-ils anisotropes pour des ondes électromagnétiques de longueur considérable, c’est-à-dire, leurs constantes diélec-
triques mesurées au moyen d’ondes électromagnétiques sont-elles différentes suivant que le
champ magnétique est longitudinal ou transversale se distinguent-elles de celles que l’on observe en l’absence du champ 1 J’ai employé les liquides suivantes : l’azoxyanisol (para), l’azoxyphénétol (para), le benzène, l’éther, le chloroforme, l’aniline, le nitrobenzène. Les deux premiers sont des cristaux liquides, les autres, excepté l’éther, sont biréfringents
lorsqu’ils sont placés en un champ magnétique (1). J’ai aussi étudié l’air liquide qui contient
de l’oxygène fortement paramagnétique, qualité qui prouve que les molécules sont ani-
sotropes.
’ ° ’
Il. Méthode. - J’ai employé la méthode de résonance électrique discutée dans un de
mes mémoires précédents (~). La longueur des ondes utilisées était de 720 mètres. Deux condensateurs de mesure ;étaient en laiton, de capacités différentes ; dans chaque conden-
sateur se trouvaient trois plaques. Les deux plaques extérieures formaient une boîte dans
laquelle on versait le liquide examiné; cette boîte était reliée à la terre. Un condensateur est représenté dans la fig. 1. a est une plaque en verre; b, nue baguette qui sert à intercaler le condensateur clans le circuit oscillant- L’autre condensateur ne différai[ du premier que par la distance des plaques.
Chaque condensateur se trouvait dans un vase en laiton (C, dans la fig. 1) dans lequel on
faisait pénétrer le liquide à l’état d’ébullition à une température élevée; ce procédé était indispensable, l’azoxyanisol et l’azoxyphénétol étant liquides à des températures supérieures
a ~18,J° C et t3fi,9° C. Le vase C était chauffé par un four électrique. Un électroaimant de Hartmann et Braun fournissait le champ magnétique. La distance des pôles, dans les expé-
riences sur l’azoxyanisol, l’azoxyphénétol et l’air liquide, était de 4 cm environ ; dans toutes les autres, elle était de 0, 5 CHI. Le diamètre des pôles était de 4 cm. On déterminait l’inten- sité du champ au moyen d’une spirale de bismuth de Hartmann et Braun, et d’une bobine
avec galvanomètre balistique. Pour éviter l’influence électrostaticlue de l’électroaimant sur
le circuit oscillant, on avait relié les noyaux de celui-ci à la terre. L’action de l’induction n’était pas nuisible.
( l ) Jf Les cristaux liquides. Les progrès de la physique p. 7!.
-F. sTUaiPF, Jahrbuch der RadioaktivitÜt und t. 15 (1918), p, 1.
(~) STUMPF. LOC. cil., p. 6.
(3) H. Mourox. £oc. cil., p. 144-149
("-’))1 JEzEI;aw. Bitll. de Polonaise rles Sc. et dps L. Cl. (les Sc. el série A.
(1920), p. 88. /ae Journrtl de Physique et le Raditini. série YI, t. 3 (1922), p. 293.
(1920), p. 88. /./r //.Me y?. série VI, t. 3 (1922) p. 293.
Le liquide remplissant une partie du condensateur, on devait déterminer la capacité de
celle-ci. Pour la trouver, on mesurait la capacité du condensateur vide et celle du condensa- teur rempli du liquide dont la constante diélectrique était connue. Soit C~, la capacité du
condensateur vide ; C". cette capacité lorsque le condensateur est rempli de liquide ; soit , la
constante diélectrique du liquide. La formule suivante donne la capacité cherchée.
IfI. Mesures. - Pour obtenir une température permettant la mesure de constantes
diélectriques de Fazoxyanisol et de l’azoxyphénétol, le yase C était rempli des liquides bouil-
lants aux températures exigées. Ces liquides étaient : trois fraclions de xylène technique
dont les températures d’ébullition étaient de i2’2°, 1:j5°, 1430 C et une fraction de Solvent-
pétrole dont la température d’ébullition était de C.
La phase trouble existe entre les températures 118, 51 et 5° C.
L’azoxyanisol a été fourni par la lnaison hahlbaum colnlne chimiquement pur. On
plaçait le condensateur rempli d’azoxyanisol fondu entre les pôles de l’électroaimant, de
telle manière cjue les armatures du condensateur étaient perpendiculaires aux lignes de force
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du champ magnétique (champ longitudinal). En faisant passer un courant dans les spires
de l’électroaimant, on constatait que la capacité du condensateur diminuait; la diminution
atteignait 3 pour 100 en un champ de 7 000 gauss. L’exactitude de la méthode employée
dans cette expérience et les suivante était de 0, 2 pour 1 OIJ. Le tableau 1 contient les résultats des mesures faites avec le champ longitudinal. Ac- désigne la variation de la constante diélec-
trique.
TABLEAU I.
Les courbes A et B de la figure 2 représentent les résultats expérimentaux ; la courbe A se
rapporte à la température 135° C ; la courbe B, à la température 122° C. Notre méthode permet
de déterminer la valeur de la constante diélectrique avec une erreur de 0, 2 pour cent: en considérant toutefois l’erreur inévitable dans la mesure du champ et la variation de la
1’ig. 2.
température, qui peut aller jusqu’à 0, 5’C, dans une série d’expériences, on ne peut attribuer
aux résultats une exactitude dépassant 0,3 à 0,4 pour 100. C’es[ pourquoi la courbe ~~. est tracée en pointillé, la valeur de 3c ne dépassant pas l’erreur des déterminations.
Dans le champ transversal d’intensité 4000 gauss. à une température de 122° C, on
ne constatait aucune variation de la constante diélectrique.
La phase trouble existe entre les températures 13G, 9° et tG7,;)0 C.
L’azoxyphénétol a été fourni par la maison lîahlbaum comme chimiquement pur. La
constante diélectrique diminuait, dans un champ de 7 000 gauss, à la température de 1430 C,
’de 6 pour iOO à peu près. Le tableau II contient les résultats obtenus avec le champ longitu-
dinal.
TABLEAU Il
Les courbes C et D de la figure :2 représentenl ces résultats. La courbe D se rapporte à
la température 1430 C; la courbe C, à la température C.
Dans un champ trausversal d’intensité de 1000 gauss, à la température de 1430 C, on n’a
constaté aucun changement dans la valeur de la constante diélectrique.
Pour les expériences sur l’air liquide, je me servais du condensateur avec une capacité plus grande. Le vase C était rempli d’air liquide qu’on versait pendant l’évaporation. Dans
un champ de Il 000 gauss, on n’a pas réussi à constater une variation de la constante diélec-
trique supérieure à 0, 001 de la valeur primitive.
’
Les déterminations dont il s’agira dans la suite ont été faites à la température ambiante.
On éloignait C, les pôles de l’électro-aimant pouvaient par conséquent être rapprochés
l’un de l’autre. Par là-même, on peut obtenir un champ d’intensité atteignant jusqu’à
25 000 gauss.
,Il était facile de prévoir que la variation de la constante diélectrique des liquides à
examiner serait très peu considérable; j’ai donc eu recours au procédé suivant. Je déter- minais en premier lieu la capacité du condensateur rempli de liquide, je choisissais ensuite les éléments de la courbe de résonance pour lesquels celle-ci monte le plus rapidement. Je
faisais alors passer un courant dans les spires de l’électro-aimant en observant le fil du galva-
nomètre de Einthoven employé. En procédant de cette manière, on pouvait constater une
variation de quelques dix lnillièmes de la valeur de la constante diélectrique.
Les constantes diélectriques des liquides varient sensiblement avec la température. Il
y avait donc lieu de craindre des variations soudaines de la température lorsqu’on faisait
passer un courant dans les spires de l’électro-aimant. A l’aide d’une batterie de 6 couples thermoélectriques de constantan est de fer, je m’assurais cependant que cette variation reste
toujours inférieure à 0,01° C.
Les résultats qui suivent ont été obtenus avec un champ longitudinal.
Un champ de 2 000 gauss ne provoquait pas une variation de la constante diélectrique supérieure à 0,000 6 de sa valeur primitive.
¥Le mêlne champ de 23 000 ne provoquait pas une x.ariationde la constante dié-
lectrique supérieure à 0,000 3 de sa valeur primiti;e .
n
lIL.!t ...,64
Le même champ ne provoquait pas une variation de la constante diélectrique supérieure
à 0,000 26 de sa valeur primitive.
Le même champ ne provoquait pas une variation de la constante diélectrique supé-
rieure à 0,000 2 de sa valeur primitive.
--. - , - , -.. -,
Le même champ ne provoquait pas vne variation de la constante diélectrique supérieure
à 0,000 16 de sa valeur primitive .
IV. Conclusion. - Ces résultats prouvent clue les cristaux liquides sont électriquement anisotropes. La différence s
-El augmente avec le champ, mais elle atteint une limite dans
un champ de ~ 000 gauss environ. La différence des conductibilités, parallèlement et per-
pendiculairement aux lignes du champ magnétique, suit une marche analogue (1). La diffé-
rence e - ci diminue lorsque la température s’élève. Dans le champ transversal, on ne pe’ut
constater aucune variation de la constante diélectrique. Si une différence E existe, elle
est inférieure à 0,002 s dans un champ de 4000 gauss.
La théorie de la biréfringence électrique et magnétique développée par 3IM, Langevin
et Born prévoit que les indices ordinaire et cxtraorclinairQ diffèrent de l’indice priinitil il
suivant la formule
Si les expériences confirmaient cette forillule, on pourrait s’attendre à ce que les cons- tantes diélectriques dans la direction parallèle et dans la direction perpendiculaire aux lignes
’
