Bibliographie & annexes
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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 de manganèse-zinc et applications4. Quel ferrite pour quelle application ?
Lorsque l'on cherche à utiliser un matériau magnétique métallique (Fe, alliages FeSi, FeNi, FeCo, amorphes ou nanocristallins) en fréquence, on est confronté à des problèmes inhérents aux faibles résistivités de ces matériaux :
-
la profondeur de pénétration δ : l'onde électromagnétique utile n'est véhiculée que par une partie du matériau. Cette profondeur est inversement proportionnelle à la racine carrée de la conductivité électrique σ (Ω–1 · m–1), de la perméabilité µ' et de la fréquence f (Hz) :
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les pertes par courants de Foucault : elles sont proportionnelles au carré de la fréquence et à la conductivité. Dès lors que l'on atteint une dizaine de kilohertz et que l'on cherche à réaliser un composant massif dont les dimensions sont grandes devant l'épaisseur de peau, ces problèmes deviennent irrémédiables ; la solution consiste alors à utiliser des ferrites.
Le choix d'un ferrite particulier est fixé avant tout par la gamme de fréquence dans laquelle il sera utilisé (voir tableau 8). Nous avons vu dans le paragraphe 2.2.6 que la partie réelle de la perméabilité initiale µ' chutait à partir d'une certaine fréquence fc qui est inversement proportionnelle à µs. Plus les fréquences de fonctionnement seront basses, plus la perméabilité du ferrite pourra être élevée, et plus on montera en fréquence, plus on sera obligé de choisir des ferrites à faible perméabilité pour éviter la zone de pertes (on peut faire l'analogie avec le produit gain-bande passante en électronique). Le tableau 9 montre quelle famille de ferrites on peut utiliser pour quelle gamme de fréquence. Le fonctionnement des ferrites hyperfréquences se faisant sous champ statique polarisant, la valeur de la perméabilité initiale n'est pas le critère de choix. Nous l'indiquons néanmoins à titre de comparaison avec les ferrites spinelles.
La fréquence maximale à laquelle...
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Quel ferrite pour quelle application ?
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BERTAUT (F.), FORRAT (F.) - Structure des ferrites ferrimagnétiques des terres rares - . CR Hebd. Séan. Acad. Sci. (F) 242, p. 382 (1956).
-
(2) - SMIT (J.), WIJN (H.P.J.) - Les ferrites - . Dunod (1961).
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(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).
-
(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
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Électronique de puissance. Introduction
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Alimentations continues stabilisées
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Amplificateurs
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Antennes actives. Principes de conception
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