Paramagnétisme de Curie-Langevin

Il est caractérisé par une susceptibilité inversement proportionnelle à la température absolue T :

et a été mis en évidence par P. Curie*. Il apparaît lorsque les atomes ou les molécules de la substance possèdent un moment magnétique permanent μ, sous la réserve que ces moments élémentaires ne soient pas couplés les uns aux autres. En l’absence de champ magnétique, les moments élémentaires sont orientés au hasard, sous l’effet de l’agitation thermique. Mais, sous l’action d’un champ magnétique, ils tendent à s’orienter suivant sa direction.

En appliquant les lois de la mécanique statistique classique, P. Langevin* a justifié théoriquement la loi (1) et montré que la constante C, ou constante de Curie, était égale à nμ²/3k, où n est le nombre des aimants élémentaires par unité de volume et k la constante de Boltzmann.

Lorsque le rapport μH/kT de l’énergie magnétique à l’énergie d’agitation thermique devient de l’ordre de grandeur de l’unité ou supérieur, la loi linéaire (1) cesse d’être valable et l’aimantation du corps paramagnétique tend vers une limite Nμ, correspondant au parallélisme de tous les aimants élémentaires.

L’avènement de la mécanique quantique a légèrement changé ces résultats, car le moment élémentaire ne peut plus prendre qu’un nombre fini — égal à 2J + 1 — d’orientations par rapport au champ : la constante C prend alors la valeur Nμ²(J + 1)/3kJ.

Comme exemples d’un tel paramagnétisme, citons les sels des métaux de transition et de terres rares, contenant beaucoup d’eau de cristallisation.

Paramagnétisme des substances ordonnées

Lorsque les aimants élémentaires sont couplés les uns aux autres, ils prennent des orientations ordonnées à basse température. Par exemple, ils sont tous parallèles entre eux dans les substances ferromagnétiques, tandis qu’ils se partagent en deux familles ou sous-réseaux dans les substances ferrimagnétiques : les uns orientés suivant une certaine direction, les autres en sens inverse. Au-dessus d’une certaine température, le point de Curie θ_f, cet ordre disparaît, et la substance devient paramagnétique. Chez les ferromagnétiques, l’inverse 1/κ de la susceptibilité est approximativement donné par la loi de Curie-Weiss :

où θ_p est voisin de θ_f, tandis que, chez les ferrimagnétiques, 1/κ est donné par la loi suivante, hyperbolique en T :

où θ_p, est généralement négatif.

Pour le fer, le nickel et le cobalt, aussi bien que pour la magnétite, qui est ferromagnétique, θ_f, est supérieur à la température ambiante, tandis que, dans les sels des métaux de transition ou de terres rares, il n’est que de quelques kelvins.

Chez les antiferromagnétiques, tels que MnO ou NiO, il existe deux sous-réseaux à aimantations exactement égales et opposées qui se déforment sous l’action d’un champ magnétique, de sorte que ces corps sont paramagnétiques à toute température. La susceptibilité croît avec la température depuis le zéro absolu jusqu’à la température θ_N de Néel, où disparaît l’ordre, et décroît ensuite selon la loi (2).

Paramagnétisme de Pauli

Dans un métal alcalin comme le sodium, les électrons de valence ne restent pas localisés sur les mêmes atomes, mais se déplacent assez librement dans tout le cristal. Ce sont des électrons itinérants. Ils forment, si l’on veut, une molécule gigantesque avec des niveaux d’énergie discrets qui, selon le principe d’exclusion de Pauli, sont vides ou occupés par un seul électron. Dans la distribution correspondant à l’énergie minimale, tous les états sont occupés à un niveau supérieur qui est de l’ordre de plusieurs électrons-volts, c’est-à-dire des dizaines de fois supérieur à l’énergie d’agitation thermique. La répartition des électrons n’est donc pas sensiblement affectée par la température. D’autre part, le champ magnétique abaisse les niveaux d’énergie des électrons dont le spin est orienté dans le sens du champ et élève ceux dont le spin est orienté en sens inverse. Il en résulte une aimantation dans le sens de H, parallèle et proportionnelle à , indépendante de la température.

C’est ce qu’on appelle le paramagnétisme constant : il est présent dans tous les métaux, puisqu’ils possèdent des électrons de conduction, c’est-à-dire des électrons itinérants. Il se superpose éventuellement au paramagnétisme de Weiss.

L. N.