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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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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
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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2. Propriétés physiques des ferrites spinelles et grenats
2.1 Structures cristallographiques et compositions chimiques
Les ferrites sont des oxydes ferrimagnétiques dont l'élément métallique majeur est le fer. Les ferrites doux utilisés pour leur perméabilité élevée ou leurs faibles pertes ont une structure cristallographique cubique. Les deux grandes familles de ferrites doux sont les spinelles et les grenats.
HAUT DE PAGE
Les formules chimiques des ferrites de structure spinelle s'écrivent MeFe2O4. Dans la structure la plus simple, Me représente un cation métallique divalent, le fer se trouvant dans un état trivalent. Les ferrites les plus intéressants pour les applications sont complexes et Me représente alors une association d'ions divalents (Mn2+, Ni2+, Zn2+, Fe2+, Co2+, Cu2+...), mais également des combinaisons d'ions monovalents (Li+), trivalents (Fe3+, Mn3+) voire tétravalents (Ti4+, Sn4+) pourvu que leurs rayons ioniques soient compatibles avec le volume des sites interstitiels disponibles (sites tétraédriques ou octaédriques) et que l'électroneutralité soit respectée. Citons pour les plus importants :
-
les ferrites de manganèse-zinc :
![]()
-
les ferrites de nickel-zinc ou de nickel-zinc-cuivre :
![]()
Un exemple de combinaison d'ions monovalents et trivalents est le ferrite de lithium utilisé en hyperfréquence LiFe5O8 qui peut s'écrire également
.
Dans cette structure, les anions O2– sont les ions de plus grandes dimensions (r ≈ 0,14 nm ou 1,4 Å). Ils forment un réseau compact cubique à faces centrées...
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - LEBOURGEOIS (R.), GANNE (J.P.), PIGNARD (S.), GARRIN (P.),...
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Électronique de puissance. Introduction
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