Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les ferrites sont des oxydes magnétiques dont les propriétés remarquables dépendent de la structure cristallographique, de la composition chimique et de la microstructure. Les ferrites de structure cubique (spinelle et grenat) qui font l’objet de cet article font partie des matériaux magnétiques doux (faible champ coercitif et faibles pertes magnétiques). Ils peuvent être utilisés de 10 kHz à plusieurs dizaines de GHz mais, pour chaque application, l’utilisateur se doit de trouver la meilleure référence parmi une multitude de choix possibles. Cet article a pour but de l’aider dans cette démarche.
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Ferrites are magnetic oxides whose amazing properties depend on the crystallographic structure, the chemical composition and the microstructure. Ferrites with cubic structure (spinel and garnet) which are the subject of this article belong to soft magnetic materials (low coercive field and low losses). They can be used from 10 kHz to several ten GHz but for each application, the user has to find the best reference among a lot of possible choices. The objective of this article is to help him in this approach.
Auteur(s)
-
Richard LEBOURGEOIS : Docteur de l'Institut National Polytechnique de Grenoble - Responsable des Études Ferrites et Diélectriques à Thales Research & Technology, Palaiseau, France
INTRODUCTION
La découverte de nouveaux oxydes magnétiques appelés ferrites au début des années 1900 a tout d'abord motivé de nombreux théoriciens qui ont tenté d'expliquer leurs propriétés magnétiques. C'est à partir des années 1940-1950 qu'en France Louis Néel, qui sera prix Nobel de Physique en 1970, a commencé à élaborer sa théorie du ferrimagnétisme qu'il a appliquée à l'ensemble des ferrites avec succès. Cette théorie décrit essentiellement les propriétés magnétiques statiques de ces matériaux : aimantation à saturation et température de transition. Par la suite, on a découvert de nombreuses applications à ces nouveaux matériaux, notamment pour les utilisations à haute fréquence rendues possibles grâce à leur résistivité électrique élevée (> 1 Ω · m) qui distingue les oxydes des métaux.
Les ferrites sont obtenus en faisant réagir à haute température de l'oxyde de fer, principalement l'hématite αFe2O3, avec d'autres oxydes métalliques. La grande diversité des ferrites vient des nombreuses possibilités de substitutions cationiques dans leurs solutions solides. Cela donne autant de propriétés magnétiques différentes que de combinaisons possibles. Nous essaierons de montrer que pour chaque type d'application (niveau de puissance, gamme de fréquence, gamme de température) il existe un matériau optimisé et que son optimisation passe par une analyse détaillée de son environnement électrique.
Nous terminerons cette introduction en précisant que le nom « ferrite » désignant les oxydes ferrimagnétiques est masculin mais qu'il existe aussi la ferrite qui désigne une variété allotropique du fer. Nombreux sont les utilisateurs de ces oxydes qui pour désigner le noyau d'une inductance parlent de « la ferrite », sans doute en référence à la self-inductance (souvent appelée bobine) qu'il permet de réaliser.
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MOTS-CLÉS
électronique de puissance modules hyperfréquences matériaux magnétiques composants passifs
KEYWORDS
power electronics | microwave modules | magnetic materials | passive components
VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 1987 par Patrick BEUZELIN
- Version archivée 2 de févr. 2000 par Richard LEBOURGEOIS
DOI (Digital Object Identifier)
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Ferrites à basse température de frittage pour composants inductifs intégrés6. Ferrites de nickel-zinc et applications
Les ferrites Mn-Zn ont de fortes aimantations mais de faibles résistivités électriques. Cela devient un inconvénient majeur pour des utilisations à des fréquences supérieures à 1 MHz. De plus, ces matériaux sont trop « doux » pour espérer conserver une perméabilité élevée aux fréquences élevées. Pour des fréquences supérieures à 1 MHz, on choisit donc des ferrites de nickel-zinc.
Les ferrites Ni-Zn sont le plus souvent destinés à fonctionner à bas niveau d'induction pour trois raisons :
-
les fréquences de fonctionnement étant élevées (1 à 500 MHz), des tensions importantes aux bornes des noyaux bobinés peuvent être obtenues pour des inductions modestes ; en effet, la tension crête aux bornes d'un noyau magnétique de section effective S et bobiné de N spires est donnée par : U = NSωB avec ω la pulsation et B l'induction crête ;
-
à ces fréquences élevées, les pertes totales dissipées par le matériau deviennent rapidement importantes ce qui oblige le concepteur à réduire l'induction dans le matériau ;
-
enfin, les techniques de mesure des pertes en puissance sont plus difficiles à mettre en œuvre à ces fréquences.
Pour toutes ces raisons on ne trouve dans les catalogues de fabricants industriels de ferrites doux que des données relatives aux bas niveaux d'induction (B < 1 mT). Pour des inductions plus importantes, l'utilisateur est amené à caractériser lui-même le matériau s'il veut connaître précisément les pertes totales.
6.1 Optimisation des ferrites Ni-Zn
Les ferrites Ni-Zn ferrimagnétiques ont pour formule chimique (Ni2+) × (Zn2+)1 – xFe2O4 avec x variant de 0,3 à 1. On peut à partir de ces compositions obtenir des perméabilités variant de 10 à 1 000, de 1 MHz à plus de 500 MHz (voir figure 6). Il est aussi possible d'obtenir des perméabilités encore plus élevées (4 000 voire...
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Ferrites de nickel-zinc et applications
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BERTAUT (F.), FORRAT (F.) - Structure des ferrites ferrimagnétiques des terres rares - . CR Hebd. Séan. Acad. Sci. (F) 242, p. 382 (1956).
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(2) - SMIT (J.), WIJN (H.P.J.) - Les ferrites - . Dunod (1961).
-
(3) - GUYOT (M.), CAGAN (V.) - Temperature dependence of the domain wall mobility in YIG, deduced from the frequency spectra of the initial susceptibility of polycrystals - . JMMM 27, pp. 202-208 (1982).
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(4) - LEBOURGEOIS (R.), PERRIAT (P.), LABEYRIE (M.) - High and low level frequency losses in Ni-Zn and Mn-Zn spinel ferrites - I. CF 6, Tokyo, p. 1159 (1992).
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(5) - MORINEAU (R.), PAULUS (M.) - Chart of pO2 versus temperature and oxidization degree for Mn-Zn ferrites - . IEEE Trans. Mag., Mag. II, 1975, pp. 1312-1314.
-
(6) - LEBOURGEOIS (R.), GANNE (J.P.), PIGNARD (S.), GARRIN (P.),...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Électronique de puissance. Introduction
-
Alimentations continues stabilisées
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Amplificateurs
-
Antennes actives. Principes de conception
ANNEXES
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