Loi de Curie

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Magnétisation d'un matériau paramagnétique en fonction de la température

En physique du solide, la loi de Curie énonce que la susceptibilité magnétique d'un matériau paramagnétique est inversement proportionnelle à la température. On l'écrit \chi_m = C/T, où C est une constante parfois appelée constante de Curie. Cette loi doit son nom à Pierre Curie qui l'a découverte expérimentalement à la fin du XIXe siècle.

Cette loi peut-être démontrée par la physique statistique en considérant un système composé d'un grand nombre de moments magnétiques indépendants \mu pouvant s'orienter parallèlement ou antiparallèlement à un champ magnétique appliqué B. On retrouve alors la loi de Curie dans la limite où l'énergie magnétique des particules \mu B reste très inférieure à l'énergie d'agitation thermique k_BT, où k_B est la constante de Boltzmann.

Démonstration (physique statistique)[modifier | modifier le code]

Magnétisation d'un matériau paramagnétique en fonction de la température inverse

Un modèle simple de matériau paramagnétique définit les particules qui le composent. Chaque particule possède un moment magnétique \vec{\mu}. L'énergie associée à ce moment magnétique dans un champ magnétique est donnée par :

E=-\vec{\mu}\cdot\vec{B}

Pour simplifier les calculs, on considère le matériau paramagnétique a 2 états, c’est-à-dire que chaque particule va aligner son moment magnétique avec le champ magnétique, dans le même sens ou en s'y opposant. Les autres orientations ne sont pas prises en compte. La particule a donc 2 énergies possibles

E_0 = \mu B

et

E_1 =- \mu B

Avec cette information nous pouvons déterminer la fonction de partition d'une particule

Z = \sum_{n=0}^{\infty} e^{-E_n\beta} = e^{-\mu B\beta} + e^{\mu B\beta} = 2 \cosh\left(\mu B\beta\right)

La fonction présente les deux effets, un s'intéresse à la magnétisation du matériau, l'autre à la probabilité de la particule de s'aligner avec le champ magnétique. En d'autres mots, on détermine la valeur attendue de l'orientation magnétique du matériau.

\left\langle\mu\right\rangle = \sum_{n=0}^{\infty} \mu_n P\left(\mu_n\right) = \sum_{n=0}^{\infty} \mu_n {e^{-\mu_n B\beta}\over Z} = -{1\over Z}\sum_{n=0}^{\infty}{\partial_{\beta}e^{-\mu_n B\beta}\over B} = -{1\over B}{1\over Z} \partial_{\beta} Z
\left\langle\mu\right\rangle = {1\over 2 B \cosh\left(\mu B\beta\right)} 2 \mu B \sinh\left(\mu B\beta\right) = \mu \tanh\left(\mu B\beta\right)

On a ainsi la magnétisation d'une particule, qu'on peut extrapoler au matériau

M = N\left\langle\mu\right\rangle = N \mu \tanh\left({\mu B\over k T}\right)

La formule ci-dessus est connue sous le nom de l'équation paramagnétique de Langevin.

Pierre Curie trouva une approximation de cette loi qui pouvait s'appliquer à ses expérimentations à hautes températures et faible champ magnétique. Lorsque la température augmente (T grand), et le champ magnétique reste faible (B petit), l'argument de la tangente hyperbolique diminue :

\left({\mu B\over k T}\right) \ll 1

On parle dans ce cas de régime de Curie. Nous savons aussi que si |x|<<1, alors

\tanh x \approx x

donc

\mathbf{M}\approx{N\mu^2\over k}{\mathbf{B}\over T}

Applications[modifier | modifier le code]

La loi de Curie est le principe de base des thermomètres magnétiques, qui sont utilisés pour mesurer les très basses températures.

Notes[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]