HISTORIQUE

On sait depuis fort longtemps que le fer porté à haute température perd sa propriété d’être attirable à l’aimant. Cette particularité n'avait pas échappé à Gilbert [1] (!) ni à Newton ; mais Coulomb [4] fut probablement le premier physicien qui étudia d’une manière un peu systématique, les variations du magnétisme d'un barreau d’acier porté à différentes températures.

Ses essais que nous connaissons par des extraits d’un mémoire inédit, donnés par Biot dans son 7raité de Physique n’indiquent guère cependant que l'allure générale du phénomène.

En 1825 Kupffer [5] étudia l'influence de la température sur le magnétisme rémanant des barreaux aimantés et ses observations ne s’étendirent pas au-dessus de 100°.

L. Dufour de Genève [9] et [ro] reprit et précisa en 1856 et 1857 les expériences de Kupffer.

Wiedmann |11} aborda lui aussi la même question à la même époque.

Jamin [16] poussa en 1873 ses investigations jusqu’à la température du revenu au bleu (300° environ).

(!) Les chiffres entre crochets renvoient aux numéros correspondants de la bibliographie.

Favé 23] reprit les essais de Jamin en opérant sur des barreaux recuits pour éviter que le revenu des échantillons préalablement trempés nè vienne compliquer le phénomène.

Gaugain [20] et [22] étudia lui aussi l'influence du chauffage jusqu’à la température du bleu, en maintenant ses barreaux en contact avec un pôle d’aimant.

Ces six derniers expérimentateurs se proposaient plus particulièrement d’étudier l'influence des variations de la température sur la stabilité des aimants permanents. Les résultats obtenus, concordant dans leur ensemble, sont parfois un peu contradictoires dans les détails par suite des conditions très différentes dans lesquelles les auteurs s'étaient placés. Cette question n’a du reste qu’un lien assez éloigné avec le sujet de notre étude. À

Poloni [26] opérant sur des barreaux faiblement trempés et aimantés dans un solenoïde observa les faits suivants :

19 Les variations de magnétisme, soit temporaires, soit permanentes demeurent faibles jusqu’à 180°, mais deviennent considérables entre 180 à 2000.

20 La loi de distribution du magnétisme dans le barreau change notablement quand on dépasse cette température de 1800.

Nous avons mis sous forme de courbe (fig. 1), les résultats numériques fournis par l’auteur.

L'anomalie signalée, est due, comme on a pu le déterminer plus tard, à la transformation magnétique de la cémentite aux environs de 200°.

Berson [33] publia en 1886 une très longue étude sur l’influence de la température sur l’aimantation.

Dans la première partie de cette étude, il détermina par la méthode de Gauss le moment magnétique de barreaux de fer, de nickel, de cobalt ou d’aciers trempés soumis à une force magnétisante constante à des températures comprises entre o et 34o°.

Nous relevons parmi les résultats obtenus, que, pour des

barreaux de fer dont le rapport de la longueur L au diamè- É L : :

tre D ee —= 5) est de l’ordre de 10 à 20, l’aimantation totale

est sensiblement indépendante de la température entre o et 3/40. À « Pour des barreaux d'acier trempé, le moment magnétique total ou temporaire va en croissant avec la température dans la limite des essais (20° à 340°), le magnétisme résiduel décroît dans le même intervalle. » (influence du revenu)

« Un barreau aimanté à froid et chauffé ensuite, a un moment magnétique qui va constamment en décroissant quand la température s’élève.

« Inversement un barreau aimanté à chaud (300° environ)

MN OMC 0)

Fig. 1. — R : Rapport du magnétisme normal à 20° aux mêmes quantités aux températures 4 [Poroni].

perd son aimantation d’abord lentement puis très brusquement au voisinage de 2000 ».

Ces essais confirment dans leur ensemble les essais de Jamin [16] et de Favé [23]. On y retrouve aussi, bien que d’une manière assez confuse, du reste, l'influence de la transformation magnétique de la cémentite, dont nous avons parlé déjà à propos des essais de Poloni.

Les résultats les plus complets et les plus intéressants de Berson ont été obtenus sur le nickel. Bien que l'étude de ce métal n'entre pas dans le programme de nos recherches, nous ne croyons pas inutile de reproduire ses courbes (fig. 2) qui

furent probablement les premières à mettre en évidence d’une manière aussi nette, la variation des propriétés magnétiques jusqu’à la température de disparition du magnétisme. Ledeboer [35] publia en 1888 une étude sur l'influence de la température sur l’aimantation d’un cylindre de « fer doux du Berry » dont la longueur était égale à environ dix fois le

D d’une grosse bobine. Il démontre d’abord que le coefficient de

. L Q ! 0 AO diamètre (= 10). Son barreau était placé à l’intérieur

tale

Air antation bo

Aimantation Permanente

22° Z2F 250 Gay> S3ce

Fig. 2. — Variation du moment magnétique total, temporaire et résiduel d’un barreau de nickel en fonction de la température [Bersox |.

self induction de la bobine est proportionnel au moment magnétique du barreau. Ce coefficient de self était mesuré par l’extra-courant de rupture. Le chauffage était assuré par une spirale de platine parcourue par un courant convenable et enroulée en double afin de ne pas agir sur le barreau. La température était déterminée par un couple thermo-électrique.

La figure 3 montre les résultats obtenus lorsque le barreau est soumis à des champs magnétisants de 35; 100 et 200 unités C=\G,S.

On y remarque que, pour toute température inférieure à 6800, les propriétés magnétiques du fer sont sensiblement indépendantes de la température ; mais au delà, il se pro-

duit une chute brusque. À 7500 le moment magnétique est déjà très faible et à 7700, il est presque nul. La variation se

Fig. 3. — Influence de la température sur l’aimantation d’un barreau de fer, (L = 10 D environ) pour des champs de 35; 100 et 200 Gauss (En ordonnées, échelle arbitraire proportionnelle au moment magnétique du barreau) [LeneBœr 1888].

produit donc dans un intervalle de température assez restreint.

Hopkinson [27] et [39 à 42] fit une série d’études très

Fig. 4. — Variation de l'induction 43 en fonction du champ % pour différentes températures [Hopkinsox].

approfondies de la question. Il nota en particulier que si on compare deux courbes d’aimantation d’un même échantillon

de fer (anneau de fer doux) obtenues sous Faptien d'un champ croissant à -partir de 0, l'une à la \erpératEre ordi naire, l'autre à une température élevée, mais inférieure cependant à la température critique, on trouve que la deuxième courbe est d'abord au-dessus de la première, puis la traverse {la valeur du champ correspondant à cette coupure étant de

Fig. 5. — Variation de la perméabilité (x) en fonction de la température (Anneau de fer doux) pour différentes valeurs du champ (3) [Horrixsox].

l'ordre de 1 à 2 CGS) et reste ensuite au-dessous, le maximum de l’aimantation étant d'autant plus faible que la température est plus élevée (fig. 4).

Il s'en suit que si on étudie en fonction de la température, les variations de la perméabilité magnétique x, à champ constant, on trouvera des résultats très différents suivant la valeur du champ magnétisant. Ainsi pour X— 0,3 la perméa-

bilité croît avec la température, d’abord lentement puis très rapidement jusqu’à un maximum et descend alors trés brusquement à une valeur pratiquement égale à 1 (Kg, 5); pour K = ! les variations sont de méme nature, mais l'augmentation est beaucoup plus faible et le maximum à peine accusé, puis la décroissance devient rapide; enfin pour KR = 45, la perméabilité décroit graduellement.

En outre, en étudiant simultanément la variation du magnétisme et les quantités de chaleur absorbées au chauf-

Fig, 6, — Etude simultanée des variations de l'induction et des dégagements de chaleur qui se produisent au cours du refroidissement d’un acier contenant 0,32 0/0 de carbone (Horxixsox|.

fage ou dégagées au refroidissement dans des aciers à 0,29 0/0; 0,32 0[0 et 0,9 0/0 de carbone, Hopkinson [42] mit en évidence la simultanéité des deux phénoménes comme on peut s’en rendre compte par les figures 6 et 7.

L'année 1895 marque une date décisive dans nos connaissances sur le magnétisme, avec la thèse de P. Curie [48] sur les propriétés magnétiques des corps à diverses températures. Le fer fut en particulier l’objet d’une étude très complite. C’est ainsi que furent déterminées pour ce métal les variations

° de l'intensité d’aimantation en fonction de la température, entre o° et 13709, et dans des champs variant de 25 à 1350 Gauss.

La méthode consistait à mesurer (en utilisant la torsion d’un fil) l'attraction maxima d’un échantillon de fer par un champ non uniforme.

Pour porter le fer à différentes températures, on le plaçait dans un petit four électrique à résistance dont les parois, for-

10457 11 #30 SE À Temps Fig. 7. — Etude simultanée des variations de l'induction et des

absortions de chaleur qui se produisent au cours du chauffage d’un acier contenant 0,9 o/o de carbone [HoPkiNson].

mées d’un tube en porcelaine fermé à la partie supérieure, étaient bien calorifugées. Le courant de chauffage parcourait une double spirale de platine enroulée sur le tube. Les températures étaient mesurées par un couple thermoélectrique étalonné au moyen de points fixes pour lesquels les valeurs suivantes avaient été adoptées.

Ebullitionidutsoufrem ten me nnoe 4450 Fusion du chlorure de sodium , . . . 7800 Fusion de l’argent . SRE AUTEUR À 9600 Fusion de l'or RON re es Mr TOP)

Fusion du palladium . ANA ETÉ RS Fr ax LOT OU

La plus grande partie des essais (au moins jusqu’à 7600) a été faite avec un fil de fer très doux, contenant vraisemblablement 0,044 o/o de carbone et non 0,44 o/o comme il est indiqué, certainement par suite d'une faute d'impression, dans le mémoire de Curie [48].

Le morceau de fil essayé avait o cm. 87 de longueur et o cm. o14 de diamètre. Soit une longueur égale à 62 fois le

; Th, diamètre ( — Ge).

En considérant les variations de l'intensité d’aimantation spécifique $/, en fonction de la température pour une série

Court de TQuoie.

(Deopriitéo magnétique des ecvo à diverses température 1895) % L | @) ) FRE = 1 — C à CHE

de valeurs bien déterminées du champ %, Curie a obtenu les courbes représentées figure 8.

Pour les champs compris entre 300 et 1.300 unités, l’intensité d'aimantation diminue constamment quand la température s’élève de 200 à 760°. On voit que déjà pour 3 — 300 l'intensité d’aimantation ne commence à décroître que vers 1900; pour JS — 150, la décroissance de 3 ne se produit qu'après 4509 pour — 100, les valeurs dei croissent légèrement vers 50° avant de décroître. Cet accroissement de ÿ aux températures élevées s’accentue ainsi d'autant plus que

le champ est plus faible. Nous avons vu l'importance de cet

effet dans les expériences de Hopkinson (fig. 5) pour un champ égal à 0,3 Gauss.

En revanche, comme nous le disions au début, pour les champs suffisamment forts, l'intensité d’aimantation baisse dès que la température s'élève. D'abord lentement, puis de plus en plus vite. La chute atteint son maximum de vitesse vers 7409 à 7500. Elle est d'autant plus brusque que le champ est plus faible.

Les courbes à grande échelle de la figure 9 montrent bien

Aimantation spetifique

Température

Fig. 9. — Variation de l'intensité spécifique d’aimantation 1/D du fer doux en fonction de la température 0 pour des valeurs du champ comprises entre 50 et 1.300 gauss [CuriE].

l'allure du phénomène et justifient cette appréciation de Curie (Annales de Chimie et de Physique, t. V, p. 380, 1899 ; ligne 30 et suivantes) :

« L'expression {empérature de transformation magnétique du fer, qui est d’un usage très commode, a une signification un peu vague ; il convient je pense, de désigner ainsi la température moyenne des points d’inflexion des courbes ».

En dehors de ce premier point de transformation magnétique normal du fer qui se retrouve d'une manière analogue chez tous les corps ferro-magnétiques. On constate entre

860 et 890° une baisse très rapide des propriétés magnétiques

et à 1.280°, un accroissement brusque du coefficient d’aimantation. Entre 9250 et 1.280oc le fer est un corps comparable aux corps faiblement magnétiques, tels que l’oxygène et le palladium.

Ces anomalies peu apparentes sur les courbes de la figure 8 deviennent très nettes si on construit la courbe de log. 5/ (ou de log. x) (!) en fonction de la température 0 (fig. 10).

M. H. Le Chatelier fit remarquer (Société de Physique,

= E LT & 5 SIP RITES Fig. 10. — Variation du logarithme de la susceptibilité (LK)

en fonction du logarithme de la température absolue (LT) [Curie].

séance du 20 avril 1894) que la chute de 740 à 7500 correspond au point critique A, ; celles de 860° à 890° au point A,, quant à l'accroissement du coefficient d’aimantation relevé à 12800 il correspond à un changement dans les propriétés du fer qui avait été signalé par Ball et qui fut vérifié depuis par divers expérimentateurs. On le désigne généralement maintenant sous le nom de point A,.

(t) En appelant y ou même K le coefficient d’aimantation spé-

+ OV cifique ou susceptibilité spécifique : Z = xD

M. K. Morris [53] en 1897 étudiant un fil de fer extra-doux (Carbone — 0,080 0/0; Manganèse — traces; Soufre — 0,003 0/0 ; Phosphore — 0,078 0/0), enroulé en forme d’anneau constata, comme l’avait déjà indiqué Hopkinson, que, lorsque le champ est suffisamment faible (<Z 2 Gauss), linduction augmente considérablement avec la température et passe

Fig. 11. — Variation de l'induction 9% en fonction de la tempé-

rature Ô pour un anneau de fer extra-doux (Carbone — 0,080/0) [Morris].

par un maximum qui précède immédiatement la chute brusque qui se produit au moment de la transformation magnétique. En outre, il signala un minimum très net de la perméabilité vers 5500 (fig. 11).

Cette anomalie que nous retrouverons dans d’autres courbes sous des formes plus ou moins différentes n’a encore reçu aucune explication.

En 1898, Mme Curie [58] fit une étude très complète des propriétés magnétiques des aciers trempés.

Nous y relevons un tableau renfermant les températures de transformation magnétique des aciers.

Mme Curie a adopté comme température de transformation celle pour laquelle un barreau, soumis au chauffage ou au refroidissement, et placé dans un champ bien déterminé,

Température è

Teneur en Carbone À

Fig. 12. — Température de transformation magnétique des aciers au carbone d’après Mme Cure.

Courbe en traits pleins : Aciers de Firminy.

Courbes en traits pointillés : Aciers d’Unieux.

fait dévier une aiguille aimantée placée dans son voisinage, d’une quantité bien définie.

Les résultats de ce tableau ont été reportés graphiquement dans la figure r2.

Travaux théoriques.

Curie avait été conduit, par son étude des paramagnétiques, à reconnaître que, pour ces corps, la susceptibilité massique x varie en raison inverse de la température absolue. Loi qui peut s’écrire sous la forme :

C étant une constante dont Curie a déterminé la valeur pour un certain nombre de corps (constante de Curie).

Cette loi a jeté un jour nouveau sur le sens des phénomènes magnétiques et ouvert la voie aux théories du para et du diamagnétisme, dues à M. Langevin ;81] ainsi qu'à la théorie du ferro-magnétisme due à P. Weiss [83].

L'idée fondamentale de la théorie de Langevin est que le diamagnétisme est une propriété générale de la matière, tandis que le paramagnétisme n'appartient qu'aux molécules douées naturellement d’un moment magnétique.

Un champ magnétique extérieur agissant sur un gaz paramagnétique, tend à orienter les molécules du gaz, alors que l'agitation thermique et les chocs qui l’accompagnent tendent à rétablir constamment l’'équipartition du désordre primitif. Il doit en résulter un équilibre statistique pour lequel le moment magnétique par unité de volume, c’est-à-dire l’intensité d’aimantation 9, est fonction du quotient 3/7, 3e étant le champ, et 7° la température absolue, qui est ellemême proportionnelle à la force d’agitation thermique. M. Langevin met alors 3 sous la forme :

__ Go fCos. hyp.a 7 0 V (Se hyp. a =) @)

avec de (3) RT

3 étant le moment magnétique maximum de la molécule gramme au zéro absolu,