Ferrites

Les ferrites spinelles, de formule générale Fe2O3MO ou MFe2O4 appartiennent à l’une des plus jolie structure cristalline, celle du spinelle, cubique faces centrées. Ils constituent une famille de céramiques dites « magnétiquement douces » utilisées en électronique.

Les ferrites spinelles de formule générale MFe2O4 où M représente un cation bivalent tel que Ni, Co, Cu, Zn, Fe, Mg appartiennent à une structure dite Fd3M de symétrie cubique à faces centrées dont la maille élémentaire mesure environ 80 nm et comporte 32 ions oxygène développant des sites octaédriques [B] et tétraédriques (A), 8 sites tétraédriques et 16 sites octaédriques sont occupés par les cations métalliques.

Le modèle le plus simple de ferrite est constitué par la magnétite Fe3O4 qui s’écrit donc : (Fe3+)[Fe2+,Fe3+]O4

La magnétite, en dehors de ses propriétés magnétiques, est un semi conducteur, car à partir d’une certaine température, les électrons peuvent « sauter » des ions Fe2+ vers Fe3+ dans les mêmes sites octaédriques, et contribuer à une conduction électronique, dite « par hopping ».

Les ferrites peuvent combiner à l’oxyde de fer plusieurs oxydes métalliques tels que : MnO, NiO, ZnO, CuO, MgO… Ces composés sont magnétiques avec des températures de Curie comprises entre 300 et 600 °C. C’est le physicien français Louis Néel qui a explicité leurs propriétés par la théorie du ferrimagnétisme. Il a montré que les interactions d’échanges entre les moments de spin des cations entraînaient un alignement parallèle des moments dans chaque site A et B du spinelle, mais que des interactions de super-échange par l’ion oxygène induisaient un antiparallélisme des moments entre les sites A et B par couplage anti-ferromagnétique de telle sorte que la configuration magnétique était alors :

( A ) [ B B ]O4

Les spinelles sont dits directs si les cations B sont de même type et dits inverses si, au contraire, ils se partagent sur les sites A et B. Le tableau qui suit montre que toutes les ferrites sont de type inverse, l’ion Fe3+ étant à la fois sur les sites A (tétraédrique) et B (octaédrique), sauf le ferrite de zinc qui est direct.

FerriteSite A tétraédriqueSites B octaédriquesAimantation (µB)
Fe3O4 Fe3+ Fe2+, Fe3+ 4,0
CoFe2O4 Fe3+ Fe2+, Fe3+ 3,5
NiFFe2O4 Fe3+ Ni2+, Fe3+ 2,2
ZnFe2O4 Fe3+ Zni2+, Fe3+ 0
MnFe2O4 Fe3+ Mn2+, Fe3+ 4,6
MnO, 5ZnO, 5Fe2O4 Fe3+ 0,5Mn2+, 0,5Fe2+, Fe3+ 7,0
CuFe2O4 Fe3+ Cu2+, Fe3+ 1,2
MgFe2O4 (trempé) 0,9Fe3+, 0,1Mg2+ 0,9Mg2+, 1,1Fe3+ 1,0

L’aimantation à saturation en μB (magnétons de Bohr) est directement proportionnelle au nombre d’électrons célibataires dans la couche 3d des cations bivalents à quelques précisions près, dues à quelques contributions orbitales et montrent l’antiparallélisme des moments entre A et B.

Ainsi le ferrite de nickel B (2 + 5) - A(5) = 2 (expérimentalement : 2,2).
La valeur de 1 pour le ferrite de magnésium trempé (c’est-à-dire refroidi brutalement) depuis 1000°C montre qu’on tend aux hautes températures vers des formes de distributions statistiques et qu’une partie du magnésium a migré vers les site tétraédriques.

Les ferrites sont utilisées sous forme de céramiques. Les mélanges de poudres d’oxyde de fer et d’oxydes bivalents sont mélangés soigneusement et cuits à haute température pour former le ferrite par réaction à l’état solide. Il est alors re-broyé finement, mis en forme avec un liant pressé sous forme de barreau, de tore, de plaquette ou de disque et recuit à haute température (1200 à 1350 °C) sous atmosphère contrôlée. Ces ferrites sont des magnétique « doux », car ils possèdent trois propriétés essentielles pour les applications :

    • ils ont une très haute résistivité, ce sont des isolants sauf Fe3O4 à haute fréquence,
    • ils possèdent une très grande variété de propriétés magnétiques,
    • ils ont une très basse coercivité (voir le cycle d’hystérésis)

Leurs propriétés d’aimantation dépend de leur perméabilité B = μH, et les pertes à haute fréquence sont liées à la conductivité électrique. Les ferrites sont des matériaux idéaux pour l’électronique et les télécommunications : inducteurs hautes fréquences (HF), transformateurs HF, tores pour tubes cathodiques, bâtonnets d’antennes, mémoires magnétiques non volatiles, micro-composants, filtres LS…

Ce sont surtout les ferrites M n-Zn et les ferrites Ni-Zn qui sont utilisées commercialement. Certaines nuances sont utilisées pour les revêtements d’avions et de navires militaires dits furtifs, ces peintures ou couches absorbent une partie des ondes radar et laissent sur les écrans qu’une trace très faible… furtive.

Pensée du jour
« Les tam tam et le bouche à oreille sont des TIC sans ferrites. »

Sources

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