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Étude des ferrites mixtes de manganèse dans les champs alternatifs faibles

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(1)

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Étude des ferrites mixtes de manganèse dans les champs

alternatifs faibles

Charles Guillaud

To cite this version:

(2)

ÉTUDE

DES FERRITES MIXTES DE

MANGANÈSE

DANS LES CHAMPS ALTERNATIFS FAIBLES Par CHARLES GUILLAUD.

Sommaire. - Nous donnons les

propriétés magnétiques d’un ferrite mixte de manganèse dans les champs faibles sinusoïdaux, jusqu’à des fréquences de 40 Mc: s et dans un grand intervalle de tempé-rature (2014196°C, + 150° C). Nous nous sommes particulièrement attachés à définir les différentes

pertes, ce qui permettra de comparer la valeur d’utilisation de ce matériau à celle des alliages à base de fer-nickel.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM.

1~,

19~~1, 498.

Des études

importantes

ont

déjà

été

entreprises

sur les

ferrites,

notamment par MM.

Snoek, verwey,

Gorter,

Polder des Laboratoires

Phillips.

Nous donnerons ici les résultats relatifs à un des meilleurs

matériaux que nous sachions

préparer;

la

figure

i

précise

les détails de la forme

employée.

Fig. 1.

h = 0,5~ cm; e = 0,68 cm; D = 2,91 cm;

1 =

6,g8 cm = longueur de la ligne de force moyenne.

Notations : Nous

désignons

par : L l’inductance de la

self;

N le nombre de tours de

l’enroulement;

li. la

perméabilité

initiale;

f

la

fréquence

en

périodes par

seconde;

h le coefficient de

pertes

hystérétiques, exprimé

en ohms par

henry

à 800 p : s pour i At : cm;

t le coefrlcient de

traînage exprimé

en ohms par

henry

à 800 p : s;

F,, le coefficient de

pertes

par courants de Foucault

exprimé

en ohms par

henry

à 800 p : s.

Dans ce cas, la résistance de

pertes

est donnée par la formule de Jordan

1 étant la

longueur

du circuit en centimètres.

D’autrés auteurs

emploient

soit la formule en

unités M. K. S.

où 1 est la

longueur

du circuit

magnétique

en

mètres,

soit la formule de

Legg

où est le

champ

de crête en oersteds dans le

matériau

magnétique.

Les relations

qui

existent entre les différents coefficients

F,,, h,

t;

hk,

e, a et c sont données par le tableau suivant [2] :

_

TABLEAU 1.

Etude d’un tore sans entrefer. - MESURES

A TEMPÉRATURE ORDINAIRE

(2oo

C).

-

D’après

les définitions des coefficients données

précédemment,

Fig. 2.

nous pouvons écrire que la résistance de

pertes

est

égale

à

-- .. ~ "

(3)

499

ae

représentant

le

champ

auquel

est soumis l’échan-tillon.

Le coefficient h étant une constante, la courbe

Rp

= g

(~~~)

à

fréquence

fixe doit être une

droite. La

figure 5,

vérifie bien cette relation. On déduit de ces résultats.

La variation de l’inductance en fonction du

cou-rant étant linéaire

(fig.

3) apporte

une preuve

supplémentaire

de la validité des lois de

Rayleigh.

Fig. 3.

. On constate de

plus

que les

cycles d’hystérésis

sont des

cycles

de

Rayleigh

tant que l’induction maximum ne

dépasse

pas 65o gauss =

o,65

Oe).

(La

constante

d’hystérésis

déduite de la mesure

de l’aire des

cycles

est bien

égale

à la constante

d’hystérésis

découlant des mesures en courant alternatif à 10 pour 10o

près).

Fig.4.

Les coefficients de

pertes

Foucault et de

pertes

par

traînage

déterminés par des mesures en haute

fréquence

(40

à 5oo

kc)

sont

respectivement :

Les valeurs de ces

pertes

permettent

d’utiles

comparaisons

avec les

alliages employés

dans les mêmes domaines d’utilisation.

Nous donnons

figure 4

la valeur de

tg8

en fonction

u

de la

fréquence jusqu’à

5oo kc.

>

ÉTUDES

EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE.

-a. Variations de la

perméabilité.

- La

perméabilité

du ferrite varie considérablement avec la

tempé-rature. Elle

augmente

continuellement

jusqu’au

voisinage

du

point

de Curie situé

généralement

aux environs de 150° C.

Fig. 5.

La

figure 5 représente 03BC

= g

(T)

depuis

la

tem-pérature

de l’azote

liquide jusqu’au

point

de Curie.

b. Variation du

coefficient

d’hystérésis.

- Les

variations de

l’hystérésis

avec la

température

ont été étudiées entre -

I g6°

C et + ioo° C.

6.

D’une manière

générale,

nous avons

toujours

trouvé sur les tores

présentant

un coefficients

d’hys-térésis inférieur à 3 ooo à la

température

ordinaire

des

propriétés analogues :

la courbe h = g

(T)

a une allure très

simple (fig.

6);

elle passe par un

minimum au

voisinage

de la

température

ordinaire et se relève aux basses

températures

ainsi

qu’au

voisinage

de 100~ C.

Chaque

point expérimental

de la courbe 6 a été

déterminé en

traçant

la courbe

Rp

= g

(1)

à basse

fréquence

(3

ooo p :

s).

On

peut

vérifier sur la courbe 7

(4)

que la loi de

Rayleigh

continue à être valable à cette basse

température.

Fig. 7.

c. Variation des

coefficients

Filet t. - Les mesures

ont été faites entre -

196°

C et + 1000 C. Les résultats

(fig. 8)

montrent que les

points

sont

dis-40 R

102-Lf

30 20 100°C -196°C 10 - j8ls 20°C z 0° 0 . 0 100 200 500 400 5W

Kc/s

posés

sur une droite tant que la

température

est

supérieure

à celle de l’azote

liquide.

Les variations

Fig. 9.

de F,, et de 1 en fonction de la

température

sont données par les courbes de la

figure

g.

A la

température

de l’azote

liquide,

les

phéno

mènes sont très différents

( fi g.

8);

la

courbe

prend

une allure

hyperbolique

et les coefflcients F,,

et 1

perdent

toute

signification;

d’ailleurs à ces

basses

températures,

la résistivité est très

grande

(o

1014)

et les courants de Foucault sont

négli-geables,

d’autant

plus

que la

perméabilité

du matériau a considérablement diminué. D’autre

part,

le courant de mesure étant suffisamment faible pour que les

pertes

hystérétiques

n’interviennent pas, il s’ensuit que les

pertes

du noyau doivent être attribuées en totalité aux

pertes

par

traînage.

Etude d’un tore avec entrefer. - Nous allons

étudier maintenant un deuxième tore

préalablement

fendu,

formé d’un matériau dont la constante

d’hys-térésis est de l’ordre de 2 ooo.

Dès que l’entrefer atteint

quelques

dixièmes de millimètre les

pertes

deviennent extrêmement faibles et les mesures sont alors très délicates.

Le Tableau II donne les valeurs des différents coefficients en fonction de l’entrefer.

TABLEAU II.

Fig. Io.

Si nous

traçons

les courbes

nous devons obtenir des droites. Nous voyons que les

proportionnalités

ne sont pas

repectées

avec une très

grande précision;

mais étant donné

les difficultés considérables que l’on rencontre en

mesurant des

quantités

aussi

faibles,

nous pouvons

(5)

501

R,

Nous donnons

figure

12 la courbe

2013’-==

g (fi

rela-tive à un entrefer de

80/100;

nous remarquerons

que les

points expérimentaux

se

placent

sur une

droite et que, par

conséquent,

la méthode

classique

de Jordan est

parfaitement

applicable

dans le

domaine de

fréquences

utilisé.

Etude des ferrites

jusqu’à

30 Me

(Tores

sans

entrefer) [3].

- Nous donnons ici à titre indicatif

deux courbes

qui représentent

dans le

plan complexe

le lieu de l’extrémité du vecteur

impédance

d’une self bobinée sur des tores de ferrite sans entrefer.

La courbe 13 se

rapporte

à un ferrite de

qualité

moyenne

présentant

un

hystérésis

de 3 000. On

Fig. 1 1. Fi 2

Fig. I 3, - Carcasse en

styroflex 2 mm d’épaisseur moyenne; 100 spires émail soie. li. = 995.

remarquera que dans ce cas, les

points correspondant

à des mesures effectuées avec un courant continu

superposé

de 1 o mA sont nettement différents des

points

obtenus en courant alternatif faible.

La courbe 14

représente

de la même manière les

propriétés

d’une

self

bobinée sur un noyau de ferrite de très bonne

qualité.

Les

points

corres-pondant

à un courant continu

superposé

de 1 o mA

ne se

distinguent

pas des autres. La courbe est

incomplète,

la

grandeur

à mesurer

(impédance)

prend

une telle valeur

qu’il

est

impossible

de la déterminer à l’aide d’un

point

H. F. et montre bien

l’excellence de ce

matériau jusqu’à 4o Mc;

les mesures

n’ont pas été faites à des

fréquences supérieures.

Variations de la

perméabilité

avec la

fré-quence. -- Il est

possible

de déterminer l’inductance

en H. F. par une méthode de résonance avec une

très bonne

précision

à condition de tenir

compte

de la

capacité répartie

du

bobinage

que nous

dési-gnons par C’.

(6)

d’où

Si nous admettons

l’existence,

en fonction de la

fréquence,

d’une

capacité répartie

constante aux

bornes d’une inductance

également

constante,

la

Fig. 14.

courbe

C = g(1)

. doit être une droite dont

l’or-f2

donnée à

l’origine

est C’.

L’expérience

vérifie cette

hypothèse

avec

beaucoup

de

précision ( f g. ~ 5).

La

capacité

C’ étant ainsi

déterminée,

on

peut

alors facilement calculer L par la

for-Fig. 15.

_

mule

déj à

à citée

précédemment;

on trouve alors pour L une valeur constante pour

chaque

série de mesures; ces valeurs sont en accord

avec celles déduites de mesures à i ooo p : s.

Les mesures faites sur différentes bobines avec

ou sans entrefer

jusqu’à

2 Mc environ nous

ayant

toujours

donné des résultats

identiques

à ceux que nous obtenions soit par les mesures à 100o p : s, soit

par une méthode

balistique,

nous pouvons admettre

que la

perméabilité

du matériau est constante

jusqu’à quelques mégacycles;

les écarts observés

Fig. 16.

entre les différentes mesures ne

dépassent

pas

5 pour 1000.

Variations de F,, avec le

champ [4].

- Nous

savons que les courants de Foucault

dépendent

de la

perméabilité

du matériau et de sa

résistivité,

grandeurs

qui

varient avec le

champ. L’expérience

montre que

Fn

est une fonction linéaire du

champ

‘10o

m0e).

,Autres résultats. - Pour

compléter

cette étude

nous donnons

figure

16, le

T

[5]

]

et la

magnétostriction

à la

température

ordinaire

[6]

fige

17. Nous

aj outerons

enfin la constante

diélectrique

qui

est de l’ordre de

75 ooo

avec

tgô

de l’ordre de 3.

Fig. 18..

L’emploi

de

pots permet

la réalisation de bobines

présentant

un coefficient de surtension très élevé.

Par

exemple

une self de i

mH, environ,

donne uu

(7)

503

dans la gamme de

fréquence

120-200 kc. L’entrefer étant tel que la

perméabilité

apparente

soit voisine de 200.

(1)

Les

propriétés

de ces ferrites

permettent

de

prévoir

des

applications

intéressantes,

il ne faut

cependant

pas en attendre la résolution de tous les

problèmes

que

posent

les

techniques

en basse et

haute

fréquence,

les

pertes

par

hystérésis

et par

traînage

étant

trop

élevées dans certains cas.

(t) Les coefticients de pertes du ferrite donnant de telles valeurs de q sont : h = fioo, t = r 3, F,, o,o3

BIBLIOGRAPHIE.

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